في انهيار العزل الكهربائي الموضعي الوقت المعتمد في نقل الكترون المجهر: إمكانية لفهم آلية الفشل في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة
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
منذ أن بدأ يربط النحاس أولا في تكنولوجيا التكامل واسع النطاق جدا (ULSI) في عام 1997 1، فائقة منخفضة ك اعتمدت المنخفض ك و (ULK) العوازل في الخلفية-السطر (BEoL) والمواد العازلة بين على رقاقة الوصلات. مزيج من المواد الجديدة، على سبيل المثال، النحاس لخفض المقاومة والمنخفض ك العوازل / ULK لانخفاض السعة، ويتغلب على آثار زيادة المقاومة السعة (RC) التأخير الناجم عن ربط الأبعاد انكماش 2، 3. ومع ذلك، فقد تعدت هذا الاستحقاق من خلال التوسع العدواني المستمر من الأجهزة الدقيقة في السنوات الأخيرة. استخدام المنخفض ك / مواد ULK النتائج في مختلف التحديات في عملية التصنيع وموثوقية المنتج، خاصة إذا كان الملعب ربط تصل إلى حوالي 100 نانومتر أو أقل 4-6.
TDDB يشير إلى آلية فشل المادية للمواد العازلة بوصفها وظيفة من الزمنتحت حقل كهربائي. ويتم عادة اختبار الموثوقية TDDB في ظل ظروف المعجل (حقل كهربائي مرتفعة و / أو درجة حرارة مرتفعة).
وTDDB في على رقاقة ربط مداخن هي واحدة من آليات الفشل الأكثر أهمية للأجهزة الالكترونية الدقيقة، الأمر الذي أثار بالفعل مخاوف شديدة في المجتمع الموثوقية. وسوف تستمر في أن تكون في دائرة الضوء من المهندسين موثوقية منذ العوازل ULK مع ويجري دمج الخصائص الكهربائية والميكانيكية حتى الأضعف في الأجهزة في العقد التكنولوجيا المتقدمة.
وقد أجريت تجارب مخصصة للتحقيق في آلية فشل TDDB 7-9، وقد استثمرت قدرا كبيرا من الجهد لتطوير نماذج التي تصف العلاقة بين المجال الكهربائي وعمر الأجهزة 10-13. الدراسات الحالية تعود بالنفع على المجتمع من المهندسين الموثوقية في مجال الالكترونيات الدقيقة. ومع ذلك، فإن العديد من challenغيس لا تزال موجودة وأسئلة كثيرة لا تزال بحاجة إلى إجابة بالتفصيل. على سبيل المثال، ونماذج ثبت لوصف آلية فشل وتدهور حركية المادية في عملية TDDB والتحقق التجريبي منها لا تزال متوفرة. ونتيجة لحاجة معينة، هناك حاجة إلى نموذج أكثر ملاءمة لاستبدال المحافظ √E نموذج 14.
كجزء مهم جدا من التحقيق TDDB، وتحليل الفشل نموذجي يواجه تحديا غير مسبوق، أي تقديم أدلة شامل ويصعب شرح فيزياء آليات الفشل وحركية التدهور. على ما يبدو، وتفتيش الملايين من فيا وعلى بعد أمتار من النانو خطوط النحاس واحدا تلو خارج الموقع واحد وتصوير الموقع الفشل ليس الخيار المناسب للتغلب هذا التحدي، لأنه هو وقتا طويلا جدا، ومعلومات محدودة فقط حول حركية إعطاب آلية يمكن تقديمها. ولذلك، برزت مهمة عاجلة لتطويرالثانية لتحسين التجارب وللحصول على إجراء أفضل لدراسة آليات الفشل TDDB وحركية التدهور.
في هذه الورقة، ونحن سوف تظهر في الموقع المنهجية التجريبية للتحقيق في آلية فشل TDDB في النحاس / ULK مداخن التواصل. ويستخدم TEM مع قدرة تصوير بجودة عالية والتحليل الكيميائي لدراسة عملية الحركية في الهياكل اختبار مخصصة. لفي اختبار الكهربائية الموقعي ودمجها في التجربة TEM لتوفير مجال كهربائي مرتفع إلى العوازل. هيكل مخصصة "طرف إلى طرف"، ويتألف من الوصلات النحاس مغلفة تماما ومعزولة بمادة ULK، وهو مصمم على عقدة تكنولوجيا CMOS 32 نانومتر. ويمكن أيضا إجراء التجارب وصفها هنا أن تمتد إلى غيرها من الهياكل في الأجهزة النشطة.
Protocol
Representative Results
Discussion
شرط أساسي للنجاح في التجربة TDDB هو إعداد نموذج جيد، وخصوصا في عملية الطحن الاكذوبه في SEM. أولا، طبقة سميكة حزب العمال على رأس الهيكل "طرف إلى طرف" يجب أن تودع. سمك وحجم الطبقة حزب العمال يمكن تعديلها من قبل المشغل SEM، ولكن يجب أن تتبع ثلاثة مبادئ هي: (1) سمك وحجم ما يكف…
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).
