X - r a y M i c r o b e a m C h a r a c t e r i z a t i o n o f C u w i r e s R e c e n t p r o g r e s s i n l a r g e - s c a l e i n t e g r a t e d c i r c u i t ( L S I ) t e c h n o l o g y h a s b e e n r e m a r k a b l y f a s t . R a p i d p r o g r e s s m a d e i n t h e s t o r a g e c a p a c i t y o f d y n a m i c r a n d o m a c c e s s m e m o r i e s ( D R A M s ) . I m p r o v e m e n t i n t h e p e r f o r m a n c e o f m i c r o p r o c e s s o r s ( M P U s ) i s w i d e l y r e c o g n i z e d . T h e I n t e r n a t i o n a l T e c h n o l o g y R o a d m a p o f S e m i c o n d u c t o r s [ 1 ] , w h i c h f o r e c a s t s f u t u r e t r e n d s i n t h e w o r l d w i d e d e v e l o p m e n t o f f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y f o r s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s , i n d i c a t e s t h a t t h e m i n i m u m f e a t u r e s i z e o f a n M P U w i l l b e 2 5 n m a n d t h e c h i p f r e q u e n c y w i l l r e a c h a r o u n d 7 G H z b y 2 0 0 7 , a s s h o w n i n T a b l e I . M P U g a t e l e n g t h 4 5 3 2 2 5 9 C h i p f r e q u e n c y 3 . 0 9 5 . 1 7 6 . 7 4 2 8 . 7 ( n m ) ( G H z ) ( n m ) Y e a r o f p r o d u c t i o n ‘ 0 3 ‘ 0 5 ‘ 0 7 ‘ 1 6 D R A M h a l f p i t c h 1 0 0 8 0 6 5 2 2 T a b l e I . R o a d m a p a b o u t m a i n i s s u e s i n s e m i c o n d u c t o r d e v i c e t e c h n o l o g y ( I T R S 2 0 0 1 ) . e - v o i d h i l l o c k v o i d s t r e s s ( a ) ( b ) A s e x p l a i n e d i n t h e R o a d m a p , v a r i o u s n e w m a t e r i a l s a n d t e c h n i q u e s a r e b e i n g i n t r o d u c e d i n t o t h e f a b r i c a t i o n p r o c e s s e s . C o p p e r i n t e r c o n n e c t t e c h n o l o g y [ 2 ] , f i r s t i n t r o d u c e d b y I B M , i s t h e b e s t e x a m p l e . T o a c h i e v e a h i g h e r p e r f o r m a n c e a n d m o r e r e l i a b l e M P U s , c o p p e r w a s i n t r o d u c e d a s a n e w m a t e r i a l i n s t e a d o f t h e c o n v e n t i o n a l A l a l l o y . C o p p e r h a s l o w e r e l e c t r i c r e s i s t i v i t y a n d a l o n g e r l i f e t i m e t h a n A l . C o p p e r , h o w e v e r , i s v e r y d i f f i c u l t t o p a t t e r n u s i n g c o n v e n t i o n a l s u b t r a c t i n g m e t h o d s l i k e p l a s m a e t c h i n g . A n a l t e r n a t i v e p a t t e r n i n g m e t h o d u s e d n o w i s t h e “ d a m a s c e n e ” m e t h o d . H e r e , C u i s d e p o s i t e d i n t r e n c h e s t h a t f o r m n a n o m e t e r - s i z e d e l e c t r i c c i r c u i t s . S u c h d r a m a t i c c h a n g e s i n b o t h m a t e r i a l s a n d p a t t e r n i n g m e t h o d s r e q u i r e t r e m e n d o u s r e s e a r c h e f f o r t s t o u n d e r s t a n d t h e i n t e r c o n n e c t t e c h n o l o g y . T o p r o d u c e h i g h - p e r f o r m a n c e d e v i c e s , w e m u s t p h y s i c a l l y u n d e r s t a n d t h e r e a s o n s o f c e r t a i n f a i l u r e p h e n o m e n a , s u c h a s i n t e r c o n n e c t b r e a k d o w n , o c c u r . F o r e x a m p l e , C u a t o m s i n t h e f i n e l i n e s m i g r a t e d u e t o a s t r o n g “ w i n d ” o f e l e c t r o n s , a n d t h i s g e n e r a t e s v o i d s a n d h i l l o c k s i n t h e m e t a l l i n e s ( F i g . 1 ( a ) ) . T h i s i s c a l l e d e l e c t r o m i g r a t i o n ( E M ) . A s e c o n d e x a m p l e c o n c e r n s t h e m e c h a n i c a l F i g . 1 . I n t e r c o n n e c t f a i l u r e m e c h a n i s m . ( a ) E l e c t r o m i g r a t i o n ( E M ) . S t r o n g e l e c t r o n “ w i n d ” b l o w s C u a t o m s . ( b ) S t r e s s m i g r a t i o n ( S M ) . S t r e s s g r a d i e n t c a u s e s m i g r a t i o n o f C u a t o m s . 97 t h e m i c r o s c o p i c a n d t h e c r y s t a l l o g r a p h i c s t a t u s o f f i n e m e t a l l i n e s w i t h o u t a n y d e s t r u c t i v e s a m p l e p r e p a r a t i o n s , a n e w m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e i s r e q u i r e d . A n X - r a y m i c r o b e a m i s a p r o m i s i n g t o o l f o r s u c h a p u r p o s e . T h e X - r a y m i c r o b e a m c a n p e n e t r a t e t h i c k d i e l e c t r i c m a t e r i a l s , a n d s c a n n i n g w i t h t h e m i c r o b e a m p r o v i d e s a m i c r o s c o p i c i m a g e o f t h e m e t a l l i n e s b u r i e d i n t h e d i e l e c t r i c l a y e r . M o r e o v e r , b y u s i n g t h e X - r a y m i c r o b e a m , a n X - r a y m i c r o - d i f f r a c t i o n m e a s u r e m e n t [ 3 ] c a n b e t a k e n t o m e a s u r e t h e s t r a i n s o f t h e g r a i n s i n t h e f i n e m e t a l l i n e s . W e a r e c u r r e n t l y s t u d y i n g p h y s i c a l m e c h a n i s m s o f i n t e r c o n n e c t f a i l u r e u s i n g X - r a y m i c r o b e a m s o f 1 μ m , w h i c h a r e a v a i l a b l e i n t h e S U N B E A M b e a m l i n e B L 1 6 X U . F i g u r e 2 s h o w s t h e p r e p a r a t i o n a n d r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t w e c o n d u c t e d t o o b s e r v e C u a t o m m i g r a t i o n p a t h s . B e c a u s e t h e r e w a s n o d i s t i n c t i o n b e t w e e n m i g r a t i n g C u a t o m s a n d a t o m s i n C u ( a ) e - ( b ) ( c ) 1 0 μ m G a C u m e t a l l i n e e n v i r o n m e n t w h e r e s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n i n t e r c o n n e c t s c a u s e s v o i d s t o f o r m . T h i s i s c a l l e d s t r e s s m i g r a t i o n ( S M ) ( F i g . 1 ( b ) ) . T h e s e a t o m i c m i g r a t i o n s a r e s e r i o u s p r o b l e m s f o r t h e r e l i a b i l i t y o f M P U s . C r y s t a l l o g r a p h i c g r a i n s a n d g r a i n b o u n d a r i e s o f C u m e t a l l i n e s g r e a t l y a f f e c t t h e m i g r a t i o n s . C o n s e q u e n t l y , t h e s t a t u s o f g r a i n s m u s t b e s t u d i e d m i c r o s c o p i c a l l y . M e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s u s e d i n t h e s t u d y o f i n t e r c o n n e c t s a r e s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( S E M ) , t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( T E M ) , a n d X - r a y d i f f r a c t i o n ( X R D ) m e a s u r e m e n t s . S E M a n d T E M h a v e e x c e l l e n t s p a t i a l r e s o l u t i o n s , b u t , u n f o r t u n a t e l y , t h e y c a n n o t s e e t h e m e t a l l i n e s b u r i e d i n d i e l e c t r i c m a t e r i a l s i n a c t u a l c h i p s . C o n v e n t i o n a l X R D m e a s u r e m e n t p r o v i d e s p r e c i s e d a t a a b o u t s t r a i n i n t h i n f i l m s , b u t i t s s p a t i a l r e s o l u t i o n i s a r o u n d s e v e r a l t e n s o f m i c r o n s , e v e n i n t h e m o s t s o p h i s t i c a t e d a p p a r a t u s . T o o b s e r v e t h e F i g . 2 . E x p e r i m e n t f o r o b s e r v i n g C u a t o m m i g r a t i o n p a t h s . ( a ) I n i t i a l d i s t r i b u t i o n o f G a a t o m s . ( b ) G a l l i u m d i s t r i b u t i o n a f t e r c u r r e n t l o a d i n g . ( c ) C o i n c i d e n c e s b e t w e e n g r a i n b o u n d a r i e s a n d t h e G a d i s t r i b u t i o n . g r a i n s , d i r e c t m i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n o f C u m i g r a t i o n p a t h s h a s n o t b e e n d o n e p r e v i o u s l y . T h i s e x p e r i m e n t w a s t h e f i r s t a t t e m p t a t o b s e r v i n g C u m i g r a t i o n p a t h s b y m e a n s o f t r a c e r a t o m s . W e d i s t r i b u t e d G a a t o m s l o c a l l y b e f o r e c u r r e n t l o a d i n g a n d o b s e r v e d t h e r e d i s t r i b u t i o n o f t h e a t o m s d u e t o E M . F i g u r e 2 ( b ) g i v e s t h e r e s u l t s o f G a X - r a y f l u o r e s c e n c e ( X R F ) m a p p i n g , o b t a i n e d b y X - r a y m i c r o b e a m s c a n n i n g , a n d s h o w s G a a t o m d i s t r i b u t i o n a f t e r t h e c u r r e n t w a s t u r n e d o f f . F i g u r e 2 ( c ) s h o w s b o t h t h e p o i n t s o f h i g h G a c o n c e n t r a t i o n a n d t h e g r a i n b o u n d a r i e s t o i l l u s t r a t e t h e c o i n c i d e n c e s b e t w e e n g r a i n b o u n d a r i e s a n d t h e G a d i s t r i b u t i o n . T h i s m e t h o d t h u s r e v e a l s t h e d i f f u s i o n p a t h s o f C u , a n d s h o u l d b e u s e f u l w h e n d e v e l o p i n g t h e f a b r i c a t i o n p r o c e s s e s f o r h i g h - r e s i s t a n c e i n t e r c o n n e c t s a g a i n s t E M f a i l u r e . F i g u r e 3 s h o w s t h e m i c r o s c o p i c X - r a y d i f f r a c t i o n e x p e r i m e n t . T h e i n s e t p h o t o g r a p h s h o w s d i f f r a c t e d X - r a y s p o t s f r o m a 0 . 3 - μ m C u d a m a s c e n e l i n e 98 X - r a y m i c r o b e a m s a m p l e d i f f r a c t e d X - r a y s f i l m C u ( 1 1 1 ) C u ( 2 0 0 ) ( a ) ( b ) R e f e r e n c e s [ 1 ] h t t p : / / p u b l i c . i t r s . n e t / [ 2 ] D . E d e l s t e i n , M u l t i l e v e l I n t e r c o n n e c t T e c h n o l o g y I I , P r o c . S P I E 3 5 0 8 ( 1 9 9 8 ) 8 . [ 3 ] M . H a s e g a w a a n d Y . H i r a i , J . A p p l . P h y s . 9 0 ( 2 0 0 1 ) 2 7 9 2 . i r r a d i a t e d w i t h a n X - r a y m i c r o b e a m . T h e d i f f r a c t i o n a n g l e s o n i n d i v i d u a l g r a i n s a t t h e l o c a l a r e a c a n b e e s t i m a t e d f r o m t h e p o s i t i o n s o f t h e s e s p o t s . D e t a i l e d a n a l y s i s o f t h e s e s p o t s p r o v i d e s i n f o r m a t i o n o n t h e s t r a i n s t a t e o f t h e i n d i v i d u a l F i g . 3 . X - r a y d i f f r a c t i o n e x p e r i m e n t u s i n g X - r a y m i c r o b e a m . ( a ) E x p e r i m e n t a l s e t u p . ( b ) D i f f r a c t i o n s p o t s f r o m 0 . 3 μ m C u i n t e r c o n n e c t . M a s a k i H a s e g a w a C e n t r a l R e s e a r c h L a b o r a t o r y , H i t a c h i L t d . E - m a i l : m h a s e g a w @ c r l . h i t a c h i . c o . j p g r a i n s i n t h e m e t a l l i n e . A s t h e s t r e s s g r a d i e n t o f t h e g r a i n s i s a d r i v i n g f o r c e o f S M , t h e s e m i c r o s c o p i c c r y s t a l l o g r a p h i c m e a s u r e m e n t s s h o u l d b e c o m e i m p o r t a n t t o o l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e m e c h a n i s m o f s t r e s s m i g r a t i o n . 99
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