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. Preparação da amostra para a Focused Ion Beam (FIB) Emagrecimento (Figura 1) <ol><li> Clivar o wafer completo em pequenos chips (~ 10 milímetros por 10 milímetros) com um escriba diamante. </li><li> Marque a posição da estrutura de &quot;ponta-a-ponta&quot; sobre os chips. </li><li> Viu o chip com uma máquina de corte em cubos para obter barras de 60 mm por 2 mm de tamanho. O bar inclui a estrutura &quot;ponta-a-ponta&quot; no centro. </li><li> Cole o bar alvo em um meio anel Cu usando o super-cola. Em segui...

<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. Lett. 82 (13), 2032 (2003).</li><li>Zschech, E., 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=Stress-induced+phenomena+in+nanosized+copper+interconnect+structures+studied+by+x-ray+and+electron+microscopy.">Stress-induced phenomena in nanosized copper interconnect structures studied by x-ray and electron microscopy.</a> J. Appl. Phys. 106 (9), 093711 (2009).</li><li>Tan, T. L., Hwang, N., Gan, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dielectric+Breakdown+Failure+Mechanisms+in+Cu-SiOC+low-k+interconnect+system.">Dielectric Breakdown Failure Mechanisms in Cu-SiOC low-k interconnect system.</a> IEEE Trans. Bimodal. 7 (2), 373-378 (2007).</li><li>Zhao, L., 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=Direct+observation+of+the+1/E+dependence+of+time+dependent+dielectric+breakdown+in+the+presence+of+copper.">Direct observation of the 1/E dependence of time dependent dielectric breakdown in the presence of copper.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (3), 032107 (2011).</li><li>Breuer, T., Kerst, U., Boit, C., Langer, E., Ruelke, H., Fissel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conduction+and+material+transport+phenomena+of+degradation+in+electrically+stressed+ultra-low-k+dielectric+before+breakdown.">Conduction and material transport phenomena of degradation in electrically stressed ultra-low-k dielectric before breakdown.</a> J. Appl. Phys. 112 (12), 124103 (2012).</li><li>Lloyd, J. R., Liniger, E., Shaw, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+model+for+time-dependent+dielectric+breakdown+in+inter-+and+intralevel+low-k+dielectrics.">Simple model for time-dependent dielectric breakdown in inter- and intralevel low-k dielectrics.</a> J. Appl. Phys. 98 (8), 084109 (2005).</li><li>Chen, F., 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+Comprehensive+Study+of+Low-k+SiCOH+TDDB+Phenomena+and+Its+Reliability+Lifetime+Model+Development.">A Comprehensive Study of Low-k SiCOH TDDB Phenomena and Its Reliability Lifetime Model Development.</a> , 46-53 (2006).</li><li>Wu, W., Duan, X., Yuan, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+of+Time-Dependent+Dielectric+Breakdown+in+Copper+Metallization).">Modeling of Time-Dependent Dielectric Breakdown in Copper Metallization).</a> IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 3 (2), 26-30 (2003).</li><li>Achanta, R. S., Plawsky, J. L., Gill, W. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+time+dependent+dielectric+breakdown+model+for+field+accelerated+low-k+breakdown+due+to+copper+ions.">A time dependent dielectric breakdown model for field accelerated low-k breakdown due to copper ions.</a> Appl. Phys. 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. B., 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=An+Experimental+Methodology+for+the+In-Situ+Observation+of+the+Time-Dependent+Dielectric+Breakdown+Mechanism+in+Copper/Low-k+On-Chip+Interconnect+Structures.">An Experimental Methodology for the In-Situ Observation of the Time-Dependent Dielectric Breakdown Mechanism in Copper/Low-k On-Chip Interconnect Structures.</a> , (2013).</li><li>Yeap, K. B., 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+on+low-k+interconnect+time-dependent-dielectric-breakdown+mechanisms).">In situ study on low-k interconnect time-dependent-dielectric-breakdown mechanisms).</a> J. Appl. Phys. 115 (12), 124101 (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=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>

O pré-requisito para o sucesso da experiência TDDB é boa preparação de amostras, especialmente no processo de moagem FIB no SEM. Em primeiro lugar, uma camada de Pt de espessura na parte superior da estrutura de &quot;ponta-a-ponta&quot; tem de ser depositada. A espessura e o tamanho da camada de Pt pode ser ajustada pelo operador de SEM, mas tem que seguir três princípios: (1) A espessura e o tamanho é suficiente para proteger a área alvo de possíveis danos do feixe de iões ao longo de todo o processo de moa...

Desde interconexões Cu foram primeiramente introduzido na tecnologia de integração ultra-large-scale (ULSI) em 1997 1, low-k e ultra-low-k (ULK) dielétricos foram adotadas no back-end-of-line (BEOL) como os materiais isolantes entre interconexões on-chip. A combinação de novos materiais, por exemplo, Cu para redução da resistência e de baixo k / ULK dielétricos de baixa capacitância, supera os efeitos do aumento da resistência-capacitância (RC) atraso causado por interconectam dimensional encolhimento 2, 3. No entanto, esse benefício foi invadido pela escala agressiva contínua de dispositivos microeletrônicos nos últimos anos. O uso de low-k / ULK materiais resulta em vários desafios no processo de fabricação e para a confiabilidade do produto, especialmente se o campo de interconexão atinge cerca de 100 nm ou menos 4-6. TDDB refere-se ao mecanismo de um material dieléctrico falha física como uma função de temposob um campo eléctrico. O teste de fiabilidade TDDB é normalmente levada a cabo sob condições aceleradas (campo eléctrico elevada e / ou temperatura elevada). O TDDB em on-chip stacks interconexão é um dos mecanismos de falha mais críticos para os dispositivos microeletrônicos, que já suscitou preocupações intensas na comunidade confiabilidade. Ele continuará a ser o centro das atenções de engenheiros de confiabilidade desde dielétricos ULK com propriedades elétricas e mecânicas mesmo mais fracos estão sendo integrados nos dispositivos nos nós de tecnologia avançada. Dedicado experiências foram realizadas para investigar o mecanismo de falha TDDB 7-9, e uma quantidade significativa de esforço tem sido investido para desenvolver modelos que descrevem a relação entre o campo eléctrico e tempo de vida dos dispositivos 10-13. Os estudos existentes beneficiar a comunidade de engenheiros de confiabilidade em microeletrônica; no entanto, muitos challenges ainda existem e muitas questões ainda precisam ser respondidas em detalhes. Por exemplo, os modelos comprovados para descrever o mecanismo de falha e degradação física cinética no processo TDDB ea respectiva verificação experimental ainda estão faltando. Como uma necessidade particular, um modelo mais apropriado é necessário para substituir o modelo conservador √E-14. Como uma parte muito importante da investigação TDDB, análise de falhas típico está enfrentando um desafio sem precedentes, ou seja, fornecendo evidências abrangente e difícil de explicar a física dos mecanismos de falha e cinética de degradação. Aparentemente, inspeccionando milhões de metros vias e de linhas de Cu nanoescala um por um e ex situ imagiologia do site de falha não é a escolha apropriada de obstáculo a este desafio, porque é muito demorado, e informação limitada sobre a cinética do mecanismo de dano pode ser fornecida. Por isso, uma tarefa urgente surgiu para desenvolver umnd para otimizar experiências e para obter uma melhor procedimento para estudar os mecanismos de falha TDDB e cinética de degradação. Neste artigo, vamos demonstrar uma metodologia experimental em situ para investigar o mecanismo de falha TDDB em Cu / ULK pilhas de interconexão. Um TEM com a capacidade de imagem de alta qualidade e análise química é usado para estudar o processo de cinética em estruturas de teste dedicados. O teste em eléctrica situ é integrado no experimento MET para proporcionar um campo eléctrico elevado para os dieléctricos. A estrutura personalizado &quot;ponta-a-ponta&quot;, consistindo de interconexões Cu totalmente encapsulados e isolados por um material ULK, é projetado no nó de 32 nm CMOS tecnologia. O procedimento experimental descrito aqui pode também ser estendido a outras estruturas em dispositivos activos.

<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.

A Figura 4 mostra brilhante campo (BF) imagens de TEM de um teste em situ. Não são parcialmente violado TaN / barreiras Ta e átomos Cu pré-existentes nos dielétricos ULK antes do teste elétrico (Figura 4A), devido a armazenamento prolongado no ambiente. Depois de apenas 376 segundos a 40 V, a ruptura dielétrica começou e foi acompanhada de duas grandes vias migratórias de cobre de metal M1, com um potencial positivo com referência a lado no chão 15-16. As ...

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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.

Em ruptura dielétrica Situ dependentes do tempo no Microscópio Eletrônico de Transmissão: A possibilidade de compreender o mecanismo de falha em dispositivos microeletrônicos

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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Electron Canalização Contraste de imagem para Rápido III-V heteroepitaxiais Caracterização

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Detecção e recuperação de paládio, do ouro e cobalto Metais da Mina Urbana Usando novos sensores / adsorventes Designados com poros em nanoescala em forma de roda de carroça

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

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Usando Synchrotron Radiation microtomografia para investigar Multi-escala Pacotes de microeletrônicos tridimensionais

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

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