In Situ Tijdafhankelijk Diëlektrische Breakdown in de Transmission Electron Microscope: een mogelijkheid om het faalmechanisme in Microelectronic Devices Begrijp
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
Aangezien Cu interconnects eerst werden geïntroduceerd in de ultra-grootschalige integratie (ULSI) technologie in 1997 1, low-k en ultra-low-k (ULK) dielectrics zijn vastgesteld in de back-end-of-line (BEOL) als het isolatiemateriaal tussen de on-chip interconnects. De combinatie van nieuwe materialen, bijvoorbeeld Cu verlaagde weerstand en lage-k / ULK diëlektrica lagere capaciteit, overwint de effecten van verhoogde weerstand-condensator (RC) vertraging door interconnect dimensionele krimp 2, 3. Dit werd echter voordeel aangetast Door de voortdurende agressieve schaling van micro-elektronische inrichtingen in de afgelopen jaren. Het gebruik van low-k / ULK materialen resultaten in verschillende uitdagingen in het productieproces en voor de betrouwbaarheid van het product, in het bijzonder als de interconnect toonhoogte bereikt ongeveer 100 nm of minder 4-6.
TDDB betrekking op de fysieke faalmechanisme een diëlektrisch materiaal als functie van de tijdonder een elektrisch veld. De TDDB betrouwbaarheid test wordt meestal uitgevoerd onder versnelde omstandigheden (verhoogde elektrisch veld en / of verhoogde temperatuur) uitgevoerd.
De TDDB in on-chip interconnect stapels is één van de meest kritieke storing mechanismen voor de micro-elektronische inrichtingen, die reeds intense bezorgdheid betrouwbaarheid gemeenschap verhoogd. Het zal blijven in de schijnwerpers van de betrouwbaarheid ingenieurs sinds ULK dielectrics met nog zwakker elektrische en mechanische eigenschappen worden geïntegreerd in de apparaten in geavanceerde technologie nodes.
Dedicated experimenten zijn uitgevoerd om de TDDB faalmechanisme 7-9 onderzoeken, en een aanzienlijke hoeveelheid werk gestoken modellen waarin de relatie tussen elektrisch veld en de levensduur van de apparaten 10-13 beschrijven ontwikkelen. De bestaande studies ten goede aan de gemeenschap van betrouwbaarheid ingenieurs in de micro-elektronica; echter veel ChallenGES bestaan nog steeds en veel vragen moeten nog worden beantwoord in detail. Bijvoorbeeld, bewezen modellen om de fysieke faalmechanisme en afbraakkinetiek beschrijven in het TDDB proces en de respectievelijke experimentele verificatie nog ontbreken. Als een bepaalde behoefte, is een geschikt model nodig conservatieve √E-model 14 plaats.
Als een zeer belangrijk onderdeel van de TDDB onderzoek, is typisch niet-analyse geconfronteerd met een ongekende uitdaging, dat wil zeggen, het verstrekken van uitgebreide en hard bewijs om de fysica van faalmechanismen en degradatie kinetiek verklaren. Blijkbaar inspecteren miljoenen vias en meters van nanoschaal Cu lijnen een voor een en ex situ beeldvorming van de mislukking site is niet de juiste keuze om hindernis deze uitdaging, want het is zeer tijdrovend, en slechts beperkte informatie over de kinetiek van de schade mechanisme kan worden verstrekt. Daarom is een dringende taak ontstaan om een te ontwikkelennd om experimenten te optimaliseren en om een betere procedure naar de TDDB faalmechanismen en degradatie kinetiek te bestuderen.
In dit artikel zullen we zien een in situ experimentele methode om de TDDB faalmechanisme in Cu / ULK interconnect stapels onderzoeken. Een TEM met de mogelijkheid van hoge beeldkwaliteit en chemische analyse wordt gebruikt om de kinetische werkwijze in gespecialiseerde teststrukturen bestuderen. De in situ elektrische test wordt geïntegreerd in de TEM experiment verhoogde elektrisch veld leveren aan de diëlektrica. Een aangepaste "tip-to-tip 'structuur, bestaande uit een volledig ingekapseld Cu interconnects en geïsoleerd door een ULK materiaal, is ontworpen in de 32 nm CMOS technologie node. De hier beschreven experimentele procedure kan ook worden uitgebreid tot andere structuren in actieve inrichtingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voorwaarde voor succes in de TDDB experiment goed monstervoorbereiding, vooral in de FIB maalproces in de SEM. Allereerst een dikke Pt-laag bovenop de "tip to tip" structuur moet worden gedeponeerd. De dikte en de afmetingen van de Pt-laag kan worden aangepast door de SEM operator, maar moet volgen drie principes: (1) De dikte en de afmetingen zijn voldoende om het doelgebied van mogelijke schade ionenbundel tijdens het gehele maalproces beschermen; (2) Er is nog een relatief dikke Pt-laag (≥ 400 nm) bovenop…
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).
