Name: in situ time-dependent dielectric breakdown in the transmission electron microscope: a possibility to understand the failure mechanism in microelectronic devices
Uploaded: 2015-06-26T13:00:00
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The authors would like to thank R&#252;diger 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 Universit&#228;t Dresden is acknowledged as well.

1. Préparation de l&#39;échantillon pour le Focused Ion Beam (FIB) Dilution (Figure 1) <ol><li> Cliver la plaquette complète en petits copeaux (~ 10 mm par 10 mm) avec une pointe en diamant. </li><li> Marquez les positions de la structure &quot;pointe-pointe&quot; sur les puces. </li><li> Vu la puce avec une machine de découpe pour obtenir des barres de 60 um de 2 mm de taille. Le bar comprend la structure &quot;pointe-pointe&quot; dans le centre. </li><li> Collez la barre de cible sur un demi-anneau Cu en utilisa...

<ol>
	<li>Edelstein, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Full+Copper+Wiring+in+a+Sub-0.25+&#181;m+CMOS+ULSI+Technology.">Full Copper Wiring in a Sub-0.25 &#181;m CMOS ULSI Technology.</a> IEDM Tech. Dig. , 773-776 (1997).</li><li>List, S., Bamal, M., Stucchi, M., Maex, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+global+view+of+interconnects.">A global view of interconnects.</a> Microelectron. Eng. 83 (11/12), 2200-2207 (2006).</li><li>Meindl, J. D., Davis, J. A., Zarkesh-Ha, P., Patel, C. S., Martin, K. P., Kohl, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interconnect+opportunities+for+gigascale+integration.">Interconnect opportunities for gigascale integration.</a> IBM J. Res. Develop. 46 (2/3), 245-263 (2002).</li><li>Zhang, X. F., Wang, Y. W., Im, J. H., Ho, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chip-Package+Interaction+and+Reliability+Improvement+by+Structure+Optimization+for+Ultralow-k+Interconnects+in+Flip-Chip+Packages.">Chip-Package Interaction and Reliability Improvement by Structure Optimization for Ultralow-k Interconnects in Flip-Chip Packages.</a> IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 12 (2), 462-469 (2012).</li><li>Lee, K. D., Ogawa, E. T., Yoon, S., Lu, X., Ho, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromigration+reliability+of+dual-damascene+Cu/porous+methylsilsesquioxane+low+k+interconnects.">Electromigration reliability of dual-damascene Cu/porous methylsilsesquioxane low k interconnects.</a> Appl. Phys. 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Lett. 91 (23), 234106 (2007).</li><li>Chen, F., Shinosky, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+breakdown+characteristics+of+ultralow-k+time-dependent+dielectric+breakdown+for+advanced+complementary+metal-oxide+semiconductor+technologies.">Soft breakdown characteristics of ultralow-k time-dependent dielectric breakdown for advanced complementary metal-oxide semiconductor technologies.</a> J. Appl. Phys. 108 (5), 054107 (2010).</li><li>Yeap, K. 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Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+Study+of+the+TDDB-Induced+Damage+Mechanism+in+Cu/Ultra-low-k+Interconnect+Structures.">In-situ Study of the TDDB-Induced Damage Mechanism in Cu/Ultra-low-k Interconnect Structures.</a> Microelectron. Eng. In Press, (2014).</li><li>Liao, Z. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+New+In+Situ+Microscopy+Approach+to+Study+the+Degradation+and+Failure+Mechanisms+of+Time-Dependent+Dielectric+Breakdown:+Set-Up+and+Opportunities.">A New In Situ Microscopy Approach to Study the Degradation and Failure Mechanisms of Time-Dependent Dielectric Breakdown: Set-Up and Opportunities.</a> Adv. Eng. Mater. 16 (5), 486-493 (2014).</li><li>Lee, Z., Meyer, J. C., Rose, H., Kaiser, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimum+HRTEM+image+contrast+at+20+kV+and+80+kV-Exemplified+by+graphene.">Optimum HRTEM image contrast at 20 kV and 80 kV-Exemplified by graphene.</a> Ultramicroscopy. 112 (1), 39-46 (2012).</li><li>Bell, D. C., Russo, C. J., Kolmykov, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=40+keV+atomic+resolution+TEM.">40 keV atomic resolution TEM.</a> Ultramicroscopy. 114, 31-37 (2012).</li><li>Kaiser, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmission+electron+microscopy+at+20+kV+for+imaging+and+spectroscopy.">Transmission electron microscopy at 20 kV for imaging and spectroscopy.</a> Ultramicroscopy. 111 (8), 1239-1246 (2011).</li><li>Egerton, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+radiation+damage+in+the+TEM.">Control of radiation damage in the TEM.</a> Ultramicroscopy. 127, 100-108 (2013).</li><li>Jiang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Damage+mechanisms+in+electron+microscopy+of+insulating+materials.">Damage mechanisms in electron microscopy of insulating materials.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 305502 (2013).</li><li>Buban, J. P., Ramasse, Q., Gipson, B., Browning, N. D., Stahlberg, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+low-dose+scanning+transmission+electron+microscopy.">High-resolution low-dose scanning transmission electron microscopy.</a> J. Electron Microsc. 59 (2), 103-112 (2010).</li><li>Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation+damage+in+the+TEM+and+SEM.">Radiation damage in the TEM and SEM.</a> Micron. 35 (6), 399-409 (2004).</li></ol>

La condition préalable de la réussite dans l&#39;expérience TDDB est une bonne préparation de l&#39;échantillon, en particulier dans le processus de fraisage de FIB dans la SEM. Tout d&#39;abord, une épaisse couche de Pt sur le dessus de la structure &quot;pointe-pointe&quot; doit être déposé. L&#39;épaisseur et la taille de la couche Pt peut être ajustée par l&#39;opérateur SEM, mais doivent suivre trois principes: (1) L&#39;épaisseur et la taille sont assez pour protéger la zone cible de possibles domma...

Depuis interconnexions Cu ont d&#39;abord été introduits dans l&#39;intégration des technologies ultra-grande échelle (ULSI) en 1997 1, low-k et ultra-low-k (ULK) diélectriques ont été adoptées dans le back-end-of-line (beol) que les matériaux isolants entre les interconnexions sur puce. La combinaison de nouveaux matériaux, par exemple, Cu pour la résistance réduite et diélectriques low-k / ULK pour capacité inférieure, surmonte les effets de l&#39;augmentation de résistance-condensateur (RC) retard causé par interconnexion dimensions retrait 2, 3. Toutefois, cet avantage a été empiété par la mise à l&#39;échelle dynamique continue des dispositifs microélectroniques au cours des dernières années. L&#39;utilisation de low-k / ULK résultats des matériaux dans divers défis dans le processus de fabrication et de la fiabilité des produits, en particulier si le terrain d&#39;interconnexion atteint environ 100 nm ou moins 4-6. TDDB se réfère au mécanisme de rupture physique d&#39;un matériau diélectrique en fonction du tempssous un champ électrique. Le test de fiabilité TDDB est habituellement effectuée dans des conditions accélérées (champ électrique élevé et / ou température élevée). Le TDDB dans la puce d&#39;interconnexion empile est l&#39;un des mécanismes de défaillance les plus critiques pour les dispositifs microélectroniques, qui a déjà soulevé des préoccupations intenses de la communauté de fiabilité. Il continuera d&#39;être à l&#39;honneur des ingénieurs en fiabilité depuis diélectriques ULK avec des propriétés électriques et mécaniques encore plus faibles sont intégrés dans les appareils dans les nœuds technologiques avancés. Expériences dédiées ont été réalisées pour étudier le mécanisme de défaillance de TDDB 7-9, et une quantité importante d&#39;efforts ont été investis pour développer des modèles qui décrivent la relation entre le champ électrique et durée de vie des dispositifs 10-13. Les études existantes bénéficient de la communauté des ingénieurs en fiabilité en microélectronique; cependant, beaucoup challenges existent encore et de nombreuses questions doivent encore être répondu en détail. Par exemple, des modèles éprouvés de décrire le mécanisme de l&#39;échec et de la dégradation cinétique physiques dans le processus de TDDB et la vérification expérimentale respective font encore défaut. Comme un besoin particulier, un modèle plus approprié est nécessaire pour remplacer le modèle conservateur √E-14. Comme une partie très importante de l&#39;enquête de TDDB, analyse typique d&#39;échec est confrontée à un défi sans précédent, à savoir, fournir la preuve complète et difficile à expliquer la physique des mécanismes de défaillance et de la cinétique de dégradation. Apparemment, l&#39;inspection des millions de vias et des mètres de nanométriques lignes Cu un par un et ex situ imagerie le site de l&#39;échec est pas le choix approprié à franchir ce défi, car il est très chronophage, et que peu d&#39;informations à propos de la cinétique du mécanisme de dommages peuvent être fournis. Par conséquent, une tâche urgente est apparue de développer unee pour optimiser les expériences et d&#39;obtenir une meilleure procédure pour étudier les mécanismes de défaillance de TDDB et cinétique de dégradation. Dans cet article, nous allons démontrer une méthodologie expérimentale in situ pour étudier le mécanisme d&#39;échec TDDB en Cu / ULK piles d&#39;interconnexion. Une TEM avec la capacité de l&#39;imagerie de haute qualité et l&#39;analyse chimique est utilisée pour étudier le processus cinétique à des structures de test dédiés. Le test électrique in situ est intégré dans l&#39;expérience de TEM de fournir un champ électrique élevée pour les diélectriques. Une structure personnalisée &quot;pointe-pointe&quot;, constitué d&#39;interconnexions cuivre entièrement encapsulés et isolés par un matériau ULK, est conçu dans le nœud de la technologie CMOS 32 nm. La procédure expérimentale décrite ici peut également être étendu à d&#39;autres structures de dispositifs actifs.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Automatic Dicing Saw</td>
			<td>DISCO Kiru-Kezuru-Migaku Technologies</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>Zeiss Nvision 40</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Picoindentor</td>
			<td>Hysitron</td>
			<td>Hysitron Pi95</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Keithley SourceMeter</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>Keithley 2602/237</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission Electron Microscope</td>
			<td>FEI</td>
			<td>FEI Tecnai F20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission Electron Microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>Zeiss Libra 200</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ time-dependent dielectric breakdown in the transmission electron microscope: a possibility to understand the failure mechanism in microelectronic devices

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.

La figure 4 montre lumineux champ (BF) images TEM provenant d&#39;un essai in situ. Il sont partiellement violé TaN / Ta barrières et les atomes de Cu pré-existantes dans les diélectriques ULK avant le test électrique (figure 4A) en raison d&#39;un stockage prolongé dans l&#39;air ambiant. Après seulement 376 secondes à 40 V, la rupture diélectrique a commencé et a été accompagnée de deux grandes voies de migration de cuivre du métal M1, ayant un potentiel positif...

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In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

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.

En rupture diélectrique Situ en fonction du temps dans le microscope électronique à transmission: une possibilité de comprendre le mécanisme de panne des dispositifs microélectroniques

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

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Engineering

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