Leistungsbereich Diagnose und Bewertung von Mikrosystemen

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1 Jahresbericht 21 Fehleranalyse von Drahtbondkontakten Leistungsbereich Diagnose und Bewertung von Mikrosystemen Dr. Matthias Petzold Heideallee Halle Tel. +49 () 3 45/ petzold@iwmh.fraunhofer.de

2 Abb. 1 Einzelne Thermosonic- (Ball-Wedge) Drahtbondkontaktierung 3 µm Fehleranalyse von Drahtbondkontakten Heiko Knoll, Matthias Petzold Thermosonic gold wire bonding is one of the key technologies for the packaging of microelectronic integrated circuits. Examples of the application of ion beam preparation techniques in combination with high resolution failure analysis methods (FIB, SEM, TEM) are presented in. They are applied to the investigation of the bond wire properties, the analysis of the contact zone microstructure (intermetallic phases, voids and delaminations), and the quality assessment of Aluminum metallization bondpads. A specific root cause of a reduced bond quality is the formation of enhanced oxide films at the Aluminum bondpad surface. Using low load indentation testing, the bondpad properties can directly be determined before bonding, thus making it possible to avoid the manufacturing of lots of low quality. Das Thermosonic-Golddrahtbonden eine Schlüsseltechnologie in der Aufbau- und Verbindungstechnik von mikroelektronischen Bauteilen. An Beispielen wird gezeigt, wie ionenstrahlbasierte Präparationsverfahren in Kombination mit hochauflösenden mikrostrukturellen Verfahren der Fehleranalyse (FIB, SEM, TEM) eingesetzt werden können, um die Drahteigenschaften zu untersuchen, die Mikrostruktur der Mikroschweißzone hinsichtlich Phasenbildung, Voids und Delaminationen zu analysieren oder die Qualität der chipseitigen Aluminiumbondpads zu bewerten. Fehlerursache beim Bonden stellen verdickte oxidische Bedeckungsschichten auf den Aluminiumbondpads dar. Durch Ultramikrohärtemessungen vor dem Bonden lassen sich die Padeigenschaften schnell bestimmen und dadurch Chargen ungeeigneter Qualität bereits vor dem Bondprozess von der Weiterverarbeitung ausschließen. Aufgabenstellung Drahtbondverfahren dienen zum Herstellen elektrisch leitender Verbindungen zwischen unterschiedlichen Verdrahtungsebenen, üblicherweise zwischen einem Mikrochip und dem Trägersubstrat (z.b. Leadframe, Leiterplatte, Keramiksubstrate, Gehäuse) oder zwischen unterschiedlichen Chips. Speziell für höher integrierte Schaltkreise mit niedriger und mittlerer Verlustleistung wird meist das produktive Thermosonic-Golddrahtbonden eingesetzt. Die Verbindungsbildung zwischen dem aus dotiertem oder mikrolegiertem Gold bestehenden Bonddraht (Dicke ca. 2 µm bis 5 µm) und den Kontaktflächen auf dem Chip bzw. dem Substrat erfolgt dabei durch einen Mikroreibschweißprozess. Die Stärke der eigentlichen Fügezone beim Bonden liegt zwischen wenigen Nanometern und ein bis zwei Mikrometern. Die Bondqualität wird verfahrensseitig durch die Größe und die zeitlichen Funktionsverläufe des Anpressdrucks und der Ultraschallleistung, durch die verwendete Bondtemperatur sowie die Werkzeug- und Geräteeigenschaften bestimmt. Werkstoffseitig hängen die Qualität und die Zuverlässigkeit der Mikroschweißverbindung von den Verformungs- und Diffusionseigenschaften der eingesetzten Materialien bzw. Schichtsysteme, von den auftretenden festkörperphysikalischen Reaktionen, dem zur Verfügung stehenden Materialreservoir und der Oberflächenrau- 54 Fraunhofer IWM Jahresbericht 21

3 heit ab. Zu berücksichtigen sind auch vor dem Bonden prozessbedingt entstehende Kontaminationen auf den, zu verbindenden Kontakten. Zur Sicherung der Qualität und Ausbeute beim Bondprozess erforderliche Routineprüfungen erfolgen meist mittels Scher- bzw. Pulltests. Werden die erforderlichen Festigkeitskriterien nicht erreicht, müssen zusätzliche diagnostische Verfahren eingesetzt werden, um die mikrostrukturellen Ausfallursachen zu detektieren und daraus Schritte zur Erhöhung der Bondqualität abzuleiten. In vielen Fällen sind dazu elektronenmikroskopische Analysen der im Querschnitt präparierten Bondverbindung erforderlich. sowie der Delaminationen und Poren in der Fügezone mittels Ionenmikroskopie (FIB), hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie (SEM) oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Verbindung mit der energiedispersiven Röntgenanalyse (nanospot- EDX) bewertet werden. Für die lokale Messung von Verformungseigenschaften wurden Härtemessungen im Ultra- Mikrohärtebereich bei Belastungen F <,3 mn und Eindringtiefen von 1 nm bis 25 nm eingesetzt. Untersucht wurden Muster aus der industriellen Fertigung mikroelektronischer Bauelemente sowie Proben mit gezielt variierten Materialeigenschaften der Bondpads. Abb. 2 FIB-Schnitt durch einen Bondkontakt; Kornstrukturanalyse im Bereich der Wärmeflusszone Vorgehensweise Für die erforderliche Herstellung von präparierten Querschnitten durch den Bondkontakt wurden Zielpräparationsverfahren entwickelt, die entweder von einer metallografischen Vorpräparation mit anschließender Ionenpolitur ausgehen oder auf dem Einsatz einer Ionenstrahlanlage mit fokussierten Ionenestrahlen (FIB) beruhen. Im letzteren Fall wird die Präparation durch einen auf einen Radius von ca. 2 nm fokussierten Strahl von Gallium-Ionen ohne Schleifen oder Polieren bewerkstelligt. Der Materialabtrag erfolgt dabei unter elektronenoptischer Kontrolle und beruht weitgehend auf physikalischen Stoßprozessen zwischen den Gallium-Ionen und der Probe. Bei diesem Verfahren werden präparationsbedingte Artefakte weitgehend vermieden, die bei alternativen Präparationstechniken bedingt durch eine Wärmeeinwirkung oder die mechanische Verformung (Kaltverfestigung, Verschmierung) auftreten können. Die Mikrostruktur der Fügeverbindung kann anschließend hinsichtlich des Schichtaufbaus, des Gefüges, der entstandenen intermetallischen Phasen Ergebnisse Bei der Fehleranalyse von Drahtbondkontaktierungen wird sowohl der Einfluss des Drahtmaterials, der Mikrostruktur der Fügezone wie auch der Eigenschaften der chipseitigen Anschlussflächen (Bondpads) auf die Qualität des Bondkontakts bewertet. Beispielsweise besitzen die für das Thermosonic-Bonden verwandten dotierten oder mikrolegierten Golddrähte im Lieferzustand ein sehr feinkörniges, durch den Ziehvorgang stark texturiertes Gefüge. Für den chipseitigen Kontakt wird beim Kugel-Keil- Bondverfahren eine Kugel angeschmolzen. Durch die dabei auftretende Erwärmung tritt eine lokale Rekristallisation auf, die mit einer deutlichen Vergröberung des Korns verbunden ist. Damit werden gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften des Drahts in der Umgebung des Kugelkontakts (Wärmeeinflusszone) erheblich beeinflusst und die Belastbarkeit der Bondverbindung verringert sich. Abb. 3 FIB-Schnitt durch einen»free airball«; Grobkornbildung durch Rekristallisation in der angeschmolzenen Kugel Fraunhofer IWM Jahresbericht 21 55

4 Abb. 4 SEM-Abbildung der Verbindungszone; Bildung von Defekten und intermetallischen Phasen zwischen Bonddraht (oben) und Substratmetallisierung (unten) Abb. 5 Einfluss der Oxid- Schichtdicke der Al- Bondpadmetallisierung auf die Festigkeit der Bondverbindung Scherkraft Scherkraft Scherabheber Bondabheber 1 µm Abheber Oxid-Schichtdicke [nm] Eine effiziente Möglichkeit zur Untersuchung des Gefüges im Drahtmaterial ist durch den Einsatz des Ionenmikroskops (FIB) gegeben. Der Ionenstrahl wird zur gezielten Präparation des erforderlichen Querschnitts und für die ionenmikroskopische Abbildung unter Nutzung des kornorientierungsabhängigen Channeling-Kontrasts genutzt. Mit Hilfe dieser Technik lassen sich Unterschiede in der Korngröße und orientierung sowie der Ausdehnung der Wärmeeinflusszone als Funktion des eingesetzten Drahtmaterials und in Abhängigkeit der Bondbedingungen analysieren. Zur Illustration der prinzipiellen Vorgehensweise ist in Abb. 2 ein Querschnitt durch einen Bondkontakt dargestellt. Der rekristallisierte Bereich der Wärmeeinflusszone oberhalb des Kugelkontakts sowie der folgende Übergang zum feinkörnigen Draht ist deutlich zu erkennen. In der Kugel selbst ist die Kornstruktur sehr stark durch die in Folge der mechanischen Pressung bei der Kontaktierung entstehenden Defekte gestört. In diesem Bereich lässt sich das Gefüge daher besser an angeschmolzenen Kugeln vor der Kontaktierung (»Free airballs«) analysieren. Der in der Abb. 3 dargestellte Schnitt durch einen»airball«zeigt sehr deutlich die noch wesentlich verstärkte Grobkornbildung. Im Rahmen der Fehleranalyse können die der Mikrostrukturuntersuchungen mit den beim Pulltest gemessenen Festigkeiten verglichen werden. Dies ermöglicht beispielsweise Aufschlüsse über verfahrensseitige Ursachen von Festigkeitsverlusten in Zusammenhang mit dem Kugel-Anschmelzprozess. In ähnlicher Weise kann bei der Analyse der eigentlichen Kontaktzone zwischen Drahtkugel und der chipseitigen Aluminium-Metallisierung (Bondpad) vorgegangen werden. Das Ziel der diagnostischen Arbeiten richtet sich hier auf die Untersuchung der Bildung intermetallischer Phasen im unmittelbaren Kontaktbereich Au/Al, auf den Nachweis möglicher diffusionsinduzierter Defekte (Voids) und eingebauter Verunreinigungen sowie auf die Kontrolle von Delaminationen und mechanisch induzierten Defekten. Durch die Kombination aus FIB-Präparation und elektronenmikroskopischer Abbildung (SEM, TEM) wird die Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse für mikrostrukturelle Fehlerquellen im Bondkontakt deutlich verbessert. Als Beispiel zeigt Abb. 4 die Struktur der unmittelbaren Au/Al-Kontaktzone. In Folge einer thermischen Belastung des Kontaktes haben sich am Rand einer intermetallischen Phase Voids gebildet, die eine typische Versagensursache von Bondkontakten darstellen. Die Untersuchungen erlauben daher einen Rückschluss auf verfahrens- und werkstoffseitige Quellen von Problemen beim Bonden und ermöglichen insbesondere ein tieferes Verständnis der Zuverlässigkeitseigenschaften von Bondkontakten unter thermomechanischer Beanspruchung. Eine spezielle Rolle als Störgröße beim Bondprozess spielen die auf der Al- Bondpad-Oberfläche auftretenden Oxidfilme. Unter bestimmten Bedingungen kann die Dicke der Oxidschicht in Folge vorangegangener Prozessschritte über ein kritisches Maß hinaus anwachsen. Die relativ harten Oberflächenschichten behindern dann die erforderliche Ausbildung einer intermetallischen Verbindung zwischen dem Draht und dem Pad. Im Rahmen von Industrieaufträgen sowie eines durch die AiF geförderten und gemeinsam mit dem Fraunhofer IZM Berlin 56 Fraunhofer IWM Jahresbericht 21

5 bearbeiteten Verbundvorhabens ist der Zusammenhang zwischen der Oxiddicke, der Verformbarkeit der Metallisierung und der Qualität im Bondprozess systematisch untersucht worden. Dazu wurden vor dem Bondschritt auf den Al-Pads definierte oxidische Bedeckungsschichten (1 nm bis 1 nm Dicke) durch Plasmaoxidation erzeugt und nach dem Bonden die Festigkeit der Verbindung im Schertest sowie die Häufigkeit von Abhebern gemessen. Im Ergebnis der Untersuchungen wurde eine deutliche Abnahme der Scherkraft und einer Zunahme der Bondabheber mit wachsender Oxiddicke beobachtet (Abb. 5). Mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie konnte die Auswirkung der Oxidschicht auf die Verbindungsbildung detailliert analysiert werden. Es zeigte sich, dass der Bondprozess bei zunehmender Oxiddicke zwar noch zu einer spröden Zerstörung der Oxidhaut führt, die dabei entstehenden Schollen jedoch nicht mehr beseitigt werden. Dadurch wird zum einen der Kontakt zwischen Draht und Pad behindert, zum anderen werden teilweise auch Oxidfragmente in die Verbindungszone eingebaut, wodurch die Interdiffusion von Au und Al sowie die Bildung der intermetallischen Phasen gestört werden (Abb. 6). Beide Effekte beeinträchtigen die Bondqualität und reduzieren die Festigkeit der Mikrofügeverbindung. Aus den Ergebnissen wurde eine für den verwendeten Bondprozess geltende kritische Oxiddicke bestimmt. des Al-Pads (Abb. 7). Auf der Basis von numerischen Simulationen mittels Finite-Elemente-Verfahren konnte ein computergestütztes Auswerteverfahren entwickelt werden, das die Eigenschaften der Al-Metallisierung unter Berücksichtigung der Oxidschicht (Härte, Fließspannung, Oxiddicke) aus Eindruckprüfungen zu bewerten gestattet. Insbesondere ermöglicht das Verfahren den schnellen Nachweis von Oxidschichten oberhalb der kritischen Dicke, so dass Metallisierungschargen ungeeigneter Qualität bereits vor dem Bondprozess von der Weiterverarbeitung ausgeschlossen werden können. Durch die qualifizierten Analyseverfahren stehen Methoden zur Verfügung, die eine komplexe und effiziente Diagnostik an Drahtbondkontaktierungen mit erhöhter Genauigkeit und Zuverlässigkeit ermöglichen. In enger Zusammenarbeit mit den Anwendern der Bondverfahren werden sie eingesetzt, um Fehlerquellen im Produktionsprozess mit Hilfe der Mikrostrukturanalyse zu ermitteln und nachfolgend gezielt zu beseitigen. Sie tragen damit zur Erhöhung der Qualität und Ausbeute bei der Fertigung mikroelektronischer Bauelemente bei. Universalhärte [MPa] Abb. 6 TEM-Abbildung der Verbindungszone einer Au/Al-Bondverbindung mit einer ca. 5 nm dicken Oxidbedeckung; Behinderung der Diffusionsprozesse durch eingebaute»schollen«der gebrochenen Oxidschicht Abb. 7 Universalhärte als Funktion der Oxidschichtdicke auf Al- Bondpadmetallisierung Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine vereinfachte Kontrolle hinsichtlich des Auftretens verstärkter Oxidschichten vor dem Bondprozess durch eine qualifizierte Eindruckprüfung an den Al-Pads möglich ist. Die Untersuchungen ergaben eine deutliche Korrelation zwischen der Dicke der Oxidhaut und der gemessenen Härte Kraft für HU- Berechnung ,5 mn,2 mn Oxidschichtdicke [nm],1 mn,3 mn Fraunhofer IWM Jahresbericht 21 57