Transmisyon Elektron Mikroskobu Situ Zamana bağlı Dielektrik Dağılımı In: Bir imkanı Mikroelektronik aygıtlar Başarısızlık Mekanizması Anlayın
Summary
The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. This paper demonstrates the procedure of an in situ TDDB experiment in the transmission electron microscope, which opens a possibility to study the failure mechanism in microelectronic products.
Abstract
The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. The aggressive scaling of feature sizes, both on devices and interconnects, leads to serious challenges to ensure the required product reliability. Standard reliability tests and post-mortem failure analysis provide only limited information about the physics of failure mechanisms and degradation kinetics. Therefore it is necessary to develop new experimental approaches and procedures to study the TDDB failure mechanisms and degradation kinetics in particular. In this paper, an in situ experimental methodology in the transmission electron microscope (TEM) is demonstrated to investigate the TDDB degradation and failure mechanisms in Cu/ULK interconnect stacks. High quality imaging and chemical analysis are used to study the kinetic process. The in situ electrical test is integrated into the TEM to provide an elevated electrical field to the dielectrics. Electron tomography is utilized to characterize the directed Cu diffusion in the insulating dielectrics. This experimental procedure opens a possibility to study the failure mechanism in interconnect stacks of microelectronic products, and it could also be extended to other structures in active devices.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 tabak…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Rüdiger Rosenkranz and Sven Niese (Fraunhofer IKTS-MD) for their assistance in sample preparation, and Ude Hangen, Douglas Stauffer, Ryan Major and Oden Warren (Hysitron Inc.) for their technical support on the PI95 TEM holder. The support of the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) and the Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) at Technische Universität Dresden is acknowledged as well.
Materials
| Automatic Dicing Saw | DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies | ||
| Scanning Electron Microscope | Zeiss | Zeiss Nvision 40 | |
| Picoindentor | Hysitron | Hysitron Pi95 | |
| Keithley SourceMeter | Keithley | Keithley 2602/237 | |
| Transmission Electron Microscope | FEI | FEI Tecnai F20 | |
| Transmission Electron Microscope | Zeiss | Zeiss Libra 200 |
References
- Edelstein, D., et al. Full Copper Wiring in a Sub-0.25 µm CMOS ULSI Technology. IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).
- List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. A global view of interconnects. Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, F., et al. A Comprehensive Study of Low-k SiCOH TDDB Phenomena and Its Reliability Lifetime Model Development. , 46-53 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yeap, K. B., et al. An Experimental Methodology for the In-Situ Observation of the Time-Dependent Dielectric Breakdown Mechanism in Copper/Low-k On-Chip Interconnect Structures. , (2013).
- Yeap, K. B., et al. In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms). J. Appl. Phys. 115 (12), 124101 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. 40 keV atomic resolution TEM. Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).
- Kaiser, U., et al. Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy. Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).
- Egerton, R. F. Control of radiation damage in the TEM. Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).
- Jiang, N. Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502 (2013).
- 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).
- Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
