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In-Situ Transmission Electron Microscopy Studies on Advanced Materials for Micro- and Nano-Electronics

 
: Liao, Zhongquan
: Zschech, Ehrenfried; Cuniberti, Gianaurelio; Wolf, Ingrid de

Dresden, 2017, 146 pp.
Dresden, TU, Diss., 2017
English
Dissertation
Fraunhofer IKTS ()
in-situ Transmissionselektronenmikroskopie; TEM; Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)

Abstract
Diese Dissertation zielt auf die Entwicklung der in-situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Untersuchung neuer Materialien für die Mikro- und Nanoelektronik. Der erste Teil behandelt Degradationskinetik und Ausfallmechanismen infolge zeitabhängigem dielektrischen Durchbruch (time dependent dielectric breakdown, TDDB) in Cu/low-k Leitbahn-Schichtstapeln. Der zweite Teil behandelt den Effekt der Dehnung strukturierter Graphenbänder auf die Bandlücke und auf die mechanischen Eigenschaften. In der in-situ TDDB Studie wurde das elektrische Feld durch einen TEM-Halter und eine Source-Measurement-Unit realisiert, die TEM-Abbildung und die Elektronenspektroskopie (ESI) ermöglichen die Detektion von möglichen Cu-Spuren in den Dielektrika während der Zuverlässigkeitstests an Teststrukturen. Während der elektrischen Tests können drei TDDB-induzierte Schädigungsmechanismen in „Tip-to-Tip“-Strukturen auftreten. Nachdem sich während des elektrischen Tests Schwachstellen in der TaN/Ta-Barriere gebildet hatten, diffundierte Cu in die low-k-Dielektrika und in die SiO2-Schicht. Der endgültige Durchbruchsort hängt von dem komplexen Zusammenspiel der verschiedenen Degradationseffekte ab, das heißt elektronische Schädigung, Auflösung und Durchbruch des Barrierematerials, sowie Diffusion und Agglomeration des Cu. Der experimentelle Ansatz eröffnet eine neue Möglichkeit, den TDDB-Ausfallmechanismus in Leitbahn-Strukturen mikroelektronischer Produkte zu untersuchen, und er kann auf andere Strukturen in aktiven Bauelementen erweitert werden. Die beobachteten Degradationsmechanismen erweitern das Verständnis zuverlässigkeits-limitierender Prozesse in integrierten Schaltkreisen und liefern Daten für die Auswahl von Zuverlässigkeitsmodellen zur Lebensdauerabschätzung. Das mechanische Verhalten strukturierter Graphenbänder unter Dehnung wurde in-situ im TEM gesteuert, und Elektronenenergieverlustspektren (EELS) wurden aufgenommen, um eine mögliche Änderung der Bandlücke zu detektieren. Eine Monolage Graphen, hergestellt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), wurde mit einem modifizierten Polymethylmethacrylat (PMMA)-Verfahren auf das „Push-to-Pull“-Bauteil übertragen, und es wurde sowohl mit einem Focused-Ion-Beam (FIB) in einem SEM/FIB-System als auch mit einem fokussierten Elektronenstrahl in einem TEM in Bänder geschnitten. Die Dehnung wurde für mehr als 30 mittels fokussiertem Elektronenstrahl strukturierte Graphenbänder mit etwa 3% bestimmt. Damit wurde in unikaler Weise die maximale Dehnung der Graphenbänder direkt gemessen. Obwohl eine bestmögliche Energieauflösung von etwa 0,15 eV erreicht wurde, konnte im EELS-Spektrum keine Bandlücke für die in-situ gedehnten Graphenbänder gemessen werden. Eine weitere Verbesserung der Energieauflösung würde die Möglichkeit eröffnen, die Bandlücke in gedehnten Graphenbändern direkt zu detektieren.

 

This PhD thesis was focused on the development of in-situ transmission electron microscopy (TEM) methodologies on advanced materials for micro- and nano-electronics. The first in-situ study was focused on time dependent dielectric breakdown (TDDB) degradation kinetics and failure mechanisms in Cu/low-k interconnect stacks. The second study investigated the stretching of patterned graphene ribbons for tuning the bandgap, and consequently the mechanical properties. In the in-situ TDDB study, the electric field was generated using a TEM holder and a source-measurement unit,while TEM imaging and electron spectroscopic imaging (ESI) were selected as techniques of choice to image the test structure and to detect possible Cu traces in the dielectrics during electrical testing. Three major TDDB-induced damage mechanisms in the “tip-to-tip” structures can occur during electrical tests. Cu migration into the low-k dielectric and SiO2 layer was only observed after forming a breach in the TaN/Ta barrier during the electricaltest. The final breakdown location depends on the complex interplay of the various steps in the degradation sequence, i.e. electronic damage,barrier material dissolution and breach, Cu diffusion and agglomeration. The experimental approach opens a novel opportunity to study the TDDB breakdown mechanism in the interconnect stacks of microelectronic products, and it could also be extended to other structures in active devices. The observed degradation mechanisms improve the understanding of reliability-limiting processes in integrated circuits and provide data for the selection of the model used for lifetime estimation. The mechanical response of patterned graphene ribbons under stretching was monitored in-situ in the TEM, and thecorresponding low-loss electron energy loss spectrum (EELS) was recorded as an attempt to reveal the tuning of the bandgap. Chemical vapor deposition (CVD) grown monolayer graphene was transferred onto a “push-to-pull” device by a modified poly (methyl methacrylate) (PMMA) method, and was patterned into ribbons by both focused ion beam (FIB) in a SEM/FIB tool and focused electron beam in a TEM. The elongation was confirmed to be about 3 % by more than 30 focused electron beam patterned graphene ribbons. To our knowledge, this experiment demonstrated here is the first one to directly measure the tensile failure strain of graphene ribbons. No bandgap opening in the in-situ stretched graphene ribbons was detected from the low-loss EELS spectrum even with an energy resolution of about 0.15 eV. Further improvement of the energy resolution may offer the possibility to directly detect the bandgap opening of strained graphene.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-464379.html