בפילוח של טרנספורמטור Situ זמן תלוי בהילוכי אלקטרונים מיקרוסקופים: אפשרות להבין את מנגנון הכשל בהתקני מייקרו-אלקטרוניים
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
מאז חיבורי Cu הוכנסו ראשית לטכנולוגית האינטגרציה אולטרה בקנה מידה גדולה (ULSI) בשנת 1997 1, נמוך-k ונמוך במיוחד k-חומרים דיאלקטריים (ULK) אומצו לתוך העורפי-של-קו (BEoL) כחומרי בידוד בין חיבורים על השבב. השילוב של חומרים חדשים, למשל, Cu להתנגדות מופחתת ונמוך-k חומרים דיאלקטריים / ULK לקיבול נמוך, מתגבר על ההשפעות של התנגדות-קיבול גדל (RC) עיכוב שנגרמו על ידי קישוריות ממדית הצטמקות 2, 3. עם זאת, הטבה זו הייתה פלש על ידי שינוי קנה המידה האגרסיבית המתמשכת של התקני מייקרו-אלקטרוניים בשנים האחרונות. השימוש נמוך-k / תוצאות חומרי ULK באתגרים שונים בתהליך הייצור ולאמינות המוצר, במיוחד אם המגרש הקישוריות מגיע כ -100 ננומטר פחות או 4-6.
TDDB מתייחס למנגנון הכשל הפיזי של חומר דיאלקטרי כפונקציה של זמןתחת שדה חשמלי. בדיקת אמינות TDDB מתבצעת בדרך כלל בתנאים מואצים (שדה מוגבה חשמל ו / או טמפרטורה גבוהה).
TDDB בשבב קישוריות ערימות הוא אחד מנגנוני כשל הקריטיים ביותר עבור מכשירי מייקרו-האלקטרוניים, שכבר העלו חששות אינטנסיביים בקהילת האמינות. זה ימשיך להיות באור הזרקורים של מהנדסי אמינות מאז חומרים דיאלקטריים ULK עם תכונות חשמליות ומכאניות אפילו חלשות משולבים לתוך המכשירים בבלוטות טכנולוגיה מתקדמות.
ניסויים ייעודיים בוצעו כדי לחקור את מנגנון כשל TDDB 7-9, וכמות משמעותית של מאמץ הושקעה בפיתוח מודלים המתארים את מערכת היחסים בין שדה וחיים חשמליים של ההתקנים 10-13. המחקרים הקיימים למען הקהילה של מהנדסי אמינות במייקרו-אלקטרוניקה; עם זאת, רב challenGES עדיין קיימות ושאלות רבות עדיין צריכה להיות ענתה בפירוט. לדוגמא, מודלים מוכחים כדי לתאר את קינטיקה מנגנון כשל והשפלה הפיסית בתהליך TDDB ואימות ניסיוני המתאים עדיין חסרות. כצורך מסוים, יש צורך במודל מתאים יותר להחליף √E-המודל השמרני 14.
כחלק חשוב מאוד של חקירת TDDB, ניתוח כישלון טיפוסי עומד בפני אתגר חסר תקדים, כלומר, מתן עדות מקיפה וקשה להסביר את הפיזיקה של מנגנוני כשל וקינטיקה השפלה. ככל הנראה, בדיקת מיליוני vias ומטר של קווי Cu ננו אחד על ידי אתר אחד ולשעבר הדמיה אתר הכישלון הוא לא הבחירה המתאימה למשוכת אתגר זה, כי זה זמן רב מאוד, ורק מידע מוגבל על קינטיקה של מנגנון הנזק יכול להיות מסופק. לכן, משימה דחופה התפתחה לפתחND כדי לייעל ניסויים ולקבל הליך טוב יותר כדי ללמוד את מנגנוני כשל TDDB וקינטיקה השפלה.
במאמר זה, נדגים במתודולוגיה ניסויית אתר כדי לחקור את מנגנון כשל TDDB בערימות קישוריות Cu / ULK. TEM עם היכולת של הדמיה באיכות גבוהה וניתוח כימי משמש ללמוד את התהליך הקינטית במבני בדיקה ייעודיים. בבדיקה חשמלית אתר משתלב בניסוי TEM לספק שדה חשמלי גבוה לחומרים דיאלקטריים. מבנה מותאם אישית "קצה-לקצה", בהיקף של חיבורי Cu מארז מלא ומבודד על ידי חומר ULK, נועד בצומת טכנולוגיית CMOS 32 ננומטר. הליך הניסוי המתואר כאן גם ניתן להרחיב מבנים אחרים בהתקנים פעילים.
Protocol
Representative Results
Discussion
תנאי מוקדם להצלחה בניסוי של TDDB הוא הכנת מדגם טובה, במיוחד בתהליך כרסום FIB בSEM. ראשית, שכבה עבה Pt על גבי המבנה "קצה-לקצה" יש שתופקד. העובי והגודל של שכבת Pt יכולים להיות מותאם על ידי מפעיל SEM, אבל צריך לעקוב אחרי שלושה עקרונות: (1) העובי והגודל מספיק כדי להגן על אזור היעד …
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).
