In Situ in funzione del tempo di rottura dielettrico nel Transmission Electron Microscope: A Con possibilità di capire il meccanismo Fallimento in dispositivi microelettronici
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
Poiché interconnessioni Cu sono stati dapprima introdotti nella tecnologia di integrazione ultra-larga scala (ULSI) nel 1997 1, low-k e ultra-low-k (Ulk) dielettrici sono stati adottati nel back-end-of-line (beol) come i materiali isolanti tra interconnessioni su chip. La combinazione di nuovi materiali, ad esempio, Cu per minore resistenza e basso-k dielettrici / Ulk per minori capacità, supera gli effetti di aumento della resistenza-capacità (RC) ritardo causato dalla interconnessione dimensionale restringimento 2, 3. Tuttavia, questo beneficio è stato invaso dalla scala aggressiva continuo di dispositivi microelettronici negli ultimi anni. L'uso di basso k / Ulk materiali comporta varie sfide nel processo di fabbricazione e di affidabilità del prodotto, in particolare se il campo di interconnessione raggiunge circa 100 nm o meno 4-6.
TDDB riferisce al meccanismo di rottura fisica di un materiale dielettrico in funzione del temposotto un campo elettrico. Il test di affidabilità TDDB viene solitamente eseguita in condizioni accelerate (campo elettrico elevato e / o temperatura elevata).
La TDDB in on-chip stacks interconnessione è uno dei meccanismi di guasto più critici per i dispositivi microelettronici, che ha già sollevato preoccupazioni intensi nella comunità affidabilità. Si continuerà ad essere al centro dell'attenzione degli ingegneri di affidabilità da dielettrici Ulk con ancora più deboli proprietà elettriche e meccaniche vengono integrati nei dispositivi di nodi tecnologici avanzati.
Esperimenti dedicati sono stati condotti per indagare il meccanismo di rottura TDDB 7-9, ed una notevole quantità di sforzo è stato investito per sviluppare modelli che descrivono la relazione tra campo elettrico e la durata dei dispositivi 10-13. Gli studi esistenti beneficio della comunità degli ingegneri di affidabilità in microelettronica; tuttavia, molti Challenesistono ancora GES e molte domande ancora devono essere risolte in dettaglio. Ad esempio, i modelli collaudati per descrivere il meccanismo di fallimento e di degradazione cinetica fisici nel processo TDDB e la rispettiva verifica sperimentale sono ancora carenti. Di particolare esigenza, è necessario un modello più opportuno sostituire la √E modello conservatore 14.
Come una parte molto importante delle indagini TDDB, analisi tipico fallimento si trova ad affrontare una sfida senza precedenti, cioè, fornire la prova completa e difficile da spiegare la fisica del meccanismi di guasto e di cinetica di degradazione. A quanto pare, il controllo di milioni di vias e metri di scala nanometrica linee Cu uno per uno ed ex situ esponendo il sito fallimento non è la scelta appropriata di ostacolo a questa sfida, perché richiede molto tempo, e solo informazioni limitate sui cinetica del meccanismo di danno può essere fornito. Pertanto, un compito urgente è emersa per sviluppare unnd per ottimizzare gli esperimenti e per ottenere una procedura migliore per studiare i meccanismi di rottura TDDB e cinetica di degradazione.
In questo lavoro, dimostreremo in situ metodologia sperimentale per indagare il meccanismo di fallimento TDDB in Cu / Ulk stack di interconnessione. Un TEM con la capacità di immagini di alta qualità e dell'analisi chimica viene utilizzata per studiare il processo cinetica in strutture di test dedicati. Il test elettrico in situ è integrato nella esperimento TEM per fornire un campo elettrico elevato al dielettrici. Una struttura su misura "da punta a punta", costituita da interconnessioni Cu completamente incapsulato e isolato da un materiale ULK, è stato progettato nel nodo tecnologia CMOS a 32 nm. La procedura sperimentale qui descritto può essere esteso anche ad altre strutture di dispositivi attivi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il prerequisito del successo nell'esperimento TDDB è buona preparazione del campione, in particolare nel processo di fresatura FIB nel SEM. In primo luogo, uno spesso strato di Pt in cima alla struttura "punta-punta" deve essere depositato. Lo spessore e la dimensione dello strato Pt può essere regolata dall'operatore SEM, ma devono seguire tre principi: (1) lo spessore e la dimensione sono sufficienti a proteggere la zona di destinazione da possibili danni fascio di ioni durante l'intero process…
Offenlegungen
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 |
Referenzen
- 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).
