Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Transmisyon Elektron Mikroskobu Situ Zamana bağlı Dielektrik Dağılımı In: Bir imkanı Mikroelektronik aygıtlar Başarısızlık Mekanizması Anlayın

8.3K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/52447

⸱

26 Haziran 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, 2Dresden Center for Nanoanalysis, Technische Universität Dresden, 3Globalfoundries Fab 8, 4Globalfoundries Fab 1

Bu makalede

Özet

Çip üstü ara bağlantı yığınlarındaki zamana bağlı dielektrik bozulma (TDDB), mikroelektronik cihazlar için en kritik arıza mekanizmalarından biridir. Bu makale, transmisyon elektron mikroskobunda yerinde bir TDDB deneyinin prosedürünü göstermektedir ve bu, mikroelektronik ürünlerdeki arıza mekanizmasını incelemek için bir olasılık sunar.

Özet

Çip üstü ara bağlantı yığınlarındaki zamana bağlı dielektrik bozulma (TDDB), mikroelektronik cihazlar için en kritik arıza mekanizmalarından biridir. Hem cihazlarda hem de ara bağlantılarda özellik boyutlarının agresif bir şekilde ölçeklendirilmesi, gerekli ürün güvenilirliğini sağlamak için ciddi zorluklara yol açar. Standart güvenilirlik testleri ve ölüm sonrası arıza analizi, arıza mekanizmalarının fiziği ve bozunma kinetiği hakkında yalnızca sınırlı bilgi sağlar. Bu nedenle, özellikle TDDB arıza mekanizmalarını ve bozunma kinetiğini incelemek için yeni deneysel yaklaşımlar ve prosedürler geliştirmek gerekmektedir. Bu yazıda, Cu/ULK ara bağlantı yığınlarındaki TDDB bozunma ve arıza mekanizmalarını araştırmak için transmisyon elektron mikroskobunda (TEM) yerinde deneysel bir metodoloji gösterilmiştir. Kinetik süreci incelemek için yüksek kaliteli görüntüleme ve kimyasal analiz kullanılır. Yerinde elektrik testi, dielektriklere yükseltilmiş bir elektrik alanı sağlamak için TEM'e entegre edilmiştir. Elektron tomografisi, yalıtkan dielektriklerde yönlendirilmiş Cu difüzyonunu karakterize etmek için kullanılır. Bu deneysel prosedür, mikroelektronik ürünlerin ara bağlantı yığınlarındaki arıza mekanizmasını incelemek için bir olasılık sunar ve ayrıca aktif cihazlardaki diğer yapılara da genişletilebilir.

Giriş

Cu ara bağlantıları öncelikle 1997 1 ultra-büyük ölçekli entegrasyon (ULSI) teknolojisi girmiştir beri, düşük k ve ultra-düşük-k (Ulk) dielektrikler arka uç-of-line içine (BEoL) kabul edilmiştir on-chip bağlantılarının arasında yalıtım malzemesi olarak. örneğin, yeni malzemeler, kombinasyonu, Cu, indirgenmiş direnci ve daha düşük olan kapasitans düşük-k / Ulk dielektrikler, boyutsal ara bağlantı çekme 2, 3 kaynaklanan gecikme artan direnç kapasitör (RC) etkilerini ortadan kaldıran için. Bununla birlikte, bu yararı işgal edilmiştir Son yıllarda mikroelektronik cihazların devam agresif pullanma ile. imalat işleminde ve ürün güvenilirliği için çeşitli zorluklar düşük k / Ulk malzemelerinin kullanımı, ara-bağlantı sahası 100 nm ya da daha az 4-6 ulaştığında, özellikle.

TDDB zamanın bir fonksiyonu olarak bir dielektrik malzemenin fiziki başarısızlık mekanizması değinmektedirbir elektrik alanı altında. TDDB güvenilirlik testi genellikle hızlandırılmış koşullar (yüksek elektrik alanı ve / veya yüksek bir sıcaklıkta) altında gerçekleştirilir.

Bağlantı yığınlarının on-chip in TDDB zaten güvenilirlik toplumda yoğun endişelerini artırdı mikroelektronik cihazlar için en kritik arıza mekanizmalarından biridir. Hatta zayıf elektriksel ve mekanik özellikleri ileri teknoloji düğümlerinde cihazlara entegre ediliyor ile Ulk dielektriğin beri güvenilirlik mühendislerinin gündemde olmaya devam edecektir.

Adanmış deneyler TDDB hatası mekanizmasını 7-9 araştırmak için yapılmıştır, ve çaba önemli miktarda cihazlarının 10-13 elektrik alan ve ömür boyu arasındaki ilişkiyi açıklayan modeller geliştirmek için yatırım yapılmıştır. Mevcut çalışmalar mikroelektronik güvenilirlik mühendislerinin toplum yararına; Bununla birlikte, bir çok Challenges hala var ve bir çok soru hala detaylı bir şekilde cevaplanması gereken. Örneğin, kanıtlanmış modeller TDDB sürecinde fiziksel arıza mekanizması ve bozulma kinetiği tanımlamak ve ilgili deneysel doğrulama hala eksiktir. Belirli bir ihtiyaç olarak, daha uygun bir modeli konservatif √E-modeli 14 yerine gereklidir.

TDDB soruşturma çok önemli bir parçası olarak, tipik başarısızlık analizi arıza mekanizmaları ve bozulma kinetik fizik açıklamak kapsamlı ve sert kanıt sağlama, yani benzeri görülmemiş bir meydan okumayla karşı karşıya. Görünüşe göre, bu hasar mekanizmasının kinetik hakkında sadece sınırlı bilgi çok zaman alıcı olduğundan ve arıza sitesi, engel bu meydan uygun seçim değildir görüntüleme tek tek ve ex situ ile yolların ve nano ölçekli Cu hatları metre milyonlarca teftiş sağlanabilir. Bu nedenle, acil bir görev, bir geliştirmeye ortaya çıkmıştırnd deneyler optimize etmek ve TDDB başarısızlık mekanizmalarını ve bozulma kinetiğinin incelemek için daha iyi bir prosedür olsun.

Bu yazıda, yerinde deney metodoloji bir Cu / Ulk bağlantı yığınlar TDDB başarısızlık mekanizmasını araştırmak için gösterecektir. Yüksek kaliteli görüntüleme ve kimyasal analiz yeteneği ile bir TEM özel deney yapılarda kinetik sürecini incelemek için kullanılır. in situ elektriksel test dielektrikler yükseltilmiş bir elektrik alanı temin etmek TEM deney entegre edilir. Bir Ulk malzemeden tamamen kapsüllü Cu bağlantılarının oluşan ve yalıtılmış bir özelleştirilmiş "uç-to-ucu" yapı, 32 nm CMOS teknolojisi düğümünde tasarlanmıştır. Burada tarif edilen deney prosedürü, aynı zamanda, aktif cihazlarda diğer yapılara genişletilebilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Numune Hazırlama 1. Odaklı İyon Işın (FIB) İnceltme (Şekil 1)

  1. (~ 10 mm 10 mm) bir elmas çizici küçük cips içine tam gofret parçalamak.
  2. Yongaları üzerinde "uç-to-ucu" yapı konumlarını işaretleyin.
  3. 2 mm boyutuna göre 60 mikron bar elde etmek için bir dicing makinesi ile çip gördüm. bar merkezinde "uç-to-ucu" yapı içerir.
  4. Süper yapıştırıcı kullanılarak Cu yarım halka hedef çubuğunu Tutkal. Sonra, aynı zamanda süper yapıştırıcı kullanılarak bir Cu örnek sahnede bar tutkal. Ardından, kullanım gümüş yüzük yarım ve bakır örnek aşaması arasındaki iletimi ayarlamak için yapıştırın.
    Not: örnek ele aldığınızda her zaman numune hassas yapısına zarar verebilir elektrostatik boşalmayı önlemek için bir antistatik bileklik giymek emin olun.

Taramalı Elektron Mikroskobu 2. FIB İnceltme (Şekil 2)

  1. Bir adım 1'de elde edilen örnek koyn SEM örnek sahne ve SEM dikkatlice sahne yerleştirin.
  2. Biriktirme modunu seçti ve gerekli Pt koruma tabakasının boyutları (bölge ve kalınlık) kurdu. Daima yüksek hassasiyet sağlamak için 30 kV iyon ışını kullanın. Dinle akımı gerekli Pt tabakasının boyutlarına bağlıdır memnun verim almak için.
    1. Cu aşamada (toprak potansiyel) bir ped irtibata Pt hattını yatırın. Daha sonra, FIB inceltme işlemi sırasında iyon hasarı en aza indirmek için ince lamel pekiştirmek için çok önemli "uç-to-ucu" yapısı, üstünde kalın bir tabaka Pt mevduat. Bu FIB hazırlanmasında kullanılan standart bir prosedürdür.
    2. Pt birikimi yaparken Pt katmanı üzerinden "uç-to-ucu" yapının üstünde iki ped arasındaki herhangi bir iletken yolları tanıtmak için değil dikkatli olun. Herhangi bir iletken yol olacak kısa elektrik devresi (Şekil 2A ve B).
  3. FIB freze
    1. Final Cut 10 pA bir 30 kV voltaj ve akım kullanın. 150 ve 180 nm arasında bir kalınlığa sahip bir H-çubuğu TEM lamel içine ince bir hedef bar.
    2. TEM bir dönüştürücü ucu ile dokundu edilecek ped (V + pad) yakın bir çentik kesin. TEM doğru pedi tanımlamak için bir işaretleyici olarak çentik kullanın.

TEM SEM 3. Numune Transferi

  1. Örnek dokunmadan önce antistatik bileklik takın.
  2. SEM sahneye hazırlanan H-bar örneği ayırın. SEM çıkarırken Cu sahnede örnek tutun.
  3. TEM tutucu üzerine Cu sahne sabitleyin. Test yapısına yakın TEM tutucu optik mikroskop altında (uzak deney yapısından mikrometre birkaç yüz) ve dönüştürücü ucunu hareket ettirin.
    1. Dikkatle TEM içine TEM yuvasını yerleştirin. Tr sırasında herhangi bir temizlik tedavisi (örn plazma temizleme) kullanmak etmeyinansfer işlem olup, aksi takdirde lamel etkilenebilir.
  4. Ortam nem ve oksijene çok fazla maruz kalmaktan kaçınmak için 15 dakika veya daha kısa olan numune transferi için zaman tutun.

4. Elektrik Bağlantısı Kurulması (Şekil 3)

  1. Kendi kontrol sistemi ve SourceMeter TEM tutucu bağlayın. Sonra kontrol sistemi ve SourceMeter açın.
  2. TEM tutucu üzerindeki düğmeleri ayarlama test yapısına dönüştürücü ucunun kaba yaklaşım yaparken TEM dönüştürücü ucu izleyin.
    1. (500 nm ≤) V + pad yakın TEM sahibinin dönüştürücü ucunu hareket ettirin. Ped olarak: (yükseklik Z) aynı seviyeye dönüştürücü ucunu getirin. Dinle ucunun pozisyonu ve ucu V + ped merkezini yüz yapmak.
  3. V + pad dönüştürücü ucunu başvurun. Ped yaklaşırken (yaklaşık 1 V 0.5 V) ucunda çok düşük voltaj ayarlayın. Geçerli simultaneo Monitörusly temas kurulmuş olduğundan emin olun.

Yerinde TDDB deney 5.

  1. TEM 200 kV hızlandırılmış voltajını kullanın. Ilgi alanına elektron ışını taşı; Uygun bir büyütme seçin ve görüntüyü odaklanın.
  2. Test yapısına ışın zararı azaltmak için düşük aydınlatma adımlarını (≤ 8) kullanın. Sadece H-bar numunenin ince bir parçası olan aydınlatma alanını lokalize bir kondansatör diyafram kullanın.
  3. In situ TEM görüntüleri (2-3 kare / sn) kaydederken SourceMeter kullanarak "uç-to-ucu" yapısı üzerinde sabit gerilim (≤ 40 V) uygulayın. DigitalMicrograph yazılımını kullanarak, örneğin, bir öz-senaryosunu kodu kullanarak otomatik olarak görüntüleri kaydedebilirsiniz.
  4. Ulk Dielektriklerin içine metal belirgin bir difüzyon görünce deney Pause ve Elektron Spektroskopisi Görüntüleme (ESI) kimyasal analiz yapmak.
    1. OMEG içine filtre yarık açıklığı takınTEM bir enerji filtresi.
    2. Dinle filtre silt diyafram genişliği elektron enerji kaybı spektrumunun (EELS) uygun bir enerji genişliği (10-20 eV) alır.
    3. EELS bakır M-kenar adsorpsiyon zirve enerji Shift.
    4. Cu M-kenar absorpsiyon zirvesindeki bir enerji filtrelenmiş TEM görüntü elde etmek için geri görüntüleme modu gidin.
    5. Bakır M-kenar ön kenarına enerji Shift ve başka enerji filtrelenmiş TEM görüntü almak.
    6. Iki resim arasındaki örnek sürüklenme düzeltin.
    7. Cu atlama oranı görüntü almak için ikinci bir ilk görüntüyü bölün.
  5. TDDB deneyi devam: SourceMeter kullanarak "uç-to-ucu" yapısı üzerinde sabit gerilim (≤ 40 V) yeniden ve TEM görüntüleri kaydedebilirsiniz.

6. Bilgisayarlı Tomografi

  1. TDDB deneme bittiğinde TEM bilgisayarlı tomografi gerçekleştirin, di hakkında 3D dağıtım bilgi almak içinffused parçacıklar.
  2. Örnek eğin ve 138 ° 'lik bir eğim dizi kaydedin. 1 ° 'lik bir eğim adımı kullanın ve parlak saha (BF) KÖK modunda her aşamasında görüntü kaydetmek.
  3. (Görüntüleri hizalayarak eğim ekseni belirleyen, 3D tomografik hacmi oluşturmak için ses ve segmentasyon yeniden dahil) serisi yeniden yapılandırma.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Şekil 4 in situ testinde bir parlak alan (BF) TEM görüntüleri gösterir. Kısmen Orada ihlal edildiği TaN / nedeniyle ortam genişletilmiş depolama elektrik testi (Şekil 4A) önce Ulk dielektriğin Ta engeller ve önceden var olan Cu atomları. Zemin tarafına 15-16 referansla pozitif potansiyele sahip, 40 V sadece 376 saniye sonra, dielektrik dökümü başladı ve M1 metal bakır iki önemli göç yollarının ile eşlik etti. Ulk Dielektriklerde yayılmış Cu parçacıkları son arıza

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

TDDB deneyde başarı ön koşul özellikle SEM FIB öğütme işleminde, iyi örnek hazırlıktır. İlk olarak, "uç-to-tip" yapı üstünde bir kalın bir Pt tabakası yatırılır. kalınlık ve Pt tabakasının boyutu SEM operatör tarafından ayarlanabilir ancak üç ilkeleri takip etmek zorunda olabilir: (1) kalınlık ve boyut tüm öğütme işlemi sırasında mümkün iyon ışını zararlardan hedef alanını korumak için yeterlidir; (2) freze sonra kalan numunenin üstüne nispeten kalın Pt tabakası (≥ 400 nm) de vardır, bu iç ve dış stresleri has...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Rekabet eden finansal çıkarlar yok.

Teşekkürler

Yazarlar, numune hazırlamadaki yardımları için Rüdiger Rosenkranz ve Sven Niese'ye (Fraunhofer IKTS-MD) ve PI95 TEM tutucusu üzerindeki teknik destekleri için Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major ve Oden Warren'a (Hysitron Inc.) teşekkür eder. Dresden Teknik Üniversitesi'ndeki Dresden Elektronik Geliştirme Merkezi (cfaed) ve Dresden Nanoanaliz Merkezi'nin (DCN) desteği de kabul edilmektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Otomatik Kesme TesteresiDISCO Kiru-Kezuru-Migaku Teknolojileri
Taramalı Elektron MikroskobuZeissZeiss Nvision 40
PicoindentorHysitronHysitron Pi95
Keithley Kaynak ÖlçerKeithleyKeithley 2602/237
Transmisyon Elektron MikroskobuFEIFEI Tecnai F20
Transmisyon Elektron MikroskobuZeissZeiss Libra 200

Kaynaklar

  1. Edelstein, D., et al. Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology. IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).
  2. List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. A global view of interconnects. Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).
  3. Meindl, J. D., Davis, J. A., Zarkesh-Ha, P., Patel, C. S., Martin, K. P., Kohl, P. A. Interconnect opportunities for gigascale integration. IBM J. Res. Develop. 46 (2/3), 245-263 (2002).
  4. Zhang, X. F., Wang, Y. W., Im, J. H., Ho, P. S. Chip-Package Interaction and Reliability Improvement by Structure Optimization for Ultralow-k Interconnects in Flip-Chip Packages. IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 12 (2), 462-469 (2012).
  5. Lee, K. D., Ogawa, E. T., Yoon, S., Lu, X., Ho, P. S. Electromigration reliability of dual-damascene Cu/porous methylsilsesquioxane low k interconnects. Appl. Phys. Lett. 82 (13), 2032(2003).
  6. Zschech, E., et al. Stress-induced phenomena in nanosized copper interconnect structures studied by x-ray and electron microscopy. J. Appl. Phys. 106 (9), 093711(2009).
  7. Tan, T. L., Hwang, N., Gan, C. L. Dielectric Breakdown Failure Mechanisms in Cu-SiOC low-k interconnect system. IEEE Trans. Bimodal. 7 (2), 373-378 (2007).
  8. Zhao, L., et al. Direct observation of the 1/E dependence of time dependent dielectric breakdown in the presence of copper. Appl. Phys. Lett. 98 (3), 032107(2011).
  9. Breuer, T., Kerst, U., Boit, C., Langer, E., Ruelke, H., Fissel, A. Conduction and material transport phenomena of degradation in electrically stressed ultra-low-k dielectric before breakdown. J. Appl. Phys. 112 (12), 124103(2012).
  10. Lloyd, J. R., Liniger, E., Shaw, T. M. Simple model for time-dependent dielectric breakdown in inter- and intralevel low-k dielectrics. J. Appl. Phys. 98 (8), 084109(2005).
  11. A Comprehensive Study of Low-k SiCOH TDDB Phenomena and Its Reliability Lifetime Model Development. Chen, F., et al. 44th Annual International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2006 Mar 26-30, San Jose, California, , 46-53 (2006).
  12. Wu, W., Duan, X., Yuan, J. S. Modeling of Time-Dependent Dielectric Breakdown in Copper Metallization). IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 3 (2), 26-30 (2003).
  13. Achanta, R. S., Plawsky, J. L., Gill, W. N. A time dependent dielectric breakdown model for field accelerated low-k breakdown due to copper ions. Appl. Phys. Lett. 91 (23), 234106(2007).
  14. Chen, F., Shinosky, M. Soft breakdown characteristics of ultralow-k time-dependent dielectric breakdown for advanced complementary metal-oxide semiconductor technologies. J. Appl. Phys. 108 (5), 054107(2010).
  15. An Experimental Methodology for the In-Situ Observation of the Time-Dependent Dielectric Breakdown Mechanism in Copper/Low-k On-Chip Interconnect Structures. Yeap, K. B., et al. 51st Annual International Reliability Physics Symposium, , (2013).
  16. Yeap, K. B., et al. In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms). J. Appl. Phys. 115 (12), 124101(2014).
  17. Liao, Z. Q., et al. In-situ Study of the TDDB-Induced Damage Mechanism in Cu/Ultra-low-k Interconnect Structures. Microelectron. Eng. In Press, (2014).
  18. Liao, Z. Q., et al. A New In Situ Microscopy Approach to Study the Degradation and Failure Mechanisms of Time-Dependent Dielectric Breakdown: Set-Up and Opportunities. Adv. Eng. Mater. 16 (5), 486-493 (2014).
  19. Lee, Z., Meyer, J. C., Rose, H., Kaiser, U. Optimum HRTEM image contrast at 20 kV and 80 kV-Exemplified by graphene. Ultramicroscopy. 112 (1), 39-46 (2012).
  20. Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. 40 keV atomic resolution TEM. Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).
  21. Kaiser, U., et al. Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).
  22. Egerton, R. F. Control of radiation damage in the TEM. Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).
  23. Jiang, N. Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502(2013).
  24. Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy. J. Electron Microsc. 59 (2), 103-112 (2010).
  25. Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

In Situ Elektriksel TestElektron TomografisiOdaklanmış İyon Demeti ile İnceltmeBakır Ultra Düşük k Ara BağlantılarDielektrik Bozulma MekanizmasıDegradasyon Kinetiği AnaliziElektron Spektroskopik GörüntülemeUçtan Uca Yapı
Transmisyon Elektron Mikroskobu Situ Zamana bağlı Dielektrik Dağılımı In: Bir imkanı Mikroelektronik aygıtlar Başarısızlık Mekanizması Anlayın
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.