66. Treffen des Sächsischen Arbeitskreises Elektronik ... · GC-MS mit Pyrolyse FTIR . SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE 7 D-SIMS Cameca ims 7f Analytische Dienstleistungen für die

Möglichkeiten der physikalischen und chemischen Analytik bei

Fertigungsüberwachung, Qualitätssicherung und Fehleranalyse in

der Elektroniktechnologie und Halbleitertechnik

66. Treffen des Sächsischen Arbeitskreises Elektronik-Technologie

SGS INSTITUT FRESENIUS GmbH Dresden, Dr. André Möller

Möglichkeiten der physikalischen und chemischen Analytik bei Fertigungsüberwachung, Qualitätssicherung und Fehleranalyse in der Elektroniktechnologie und Halbleitertechnik

Agenda:

Methodenübersicht / chemische und physikalische Verfahren

Analytische Dienstleistungen für die Halbleiterindustrie - Überblick

Substrate

Dotierstoffanalyse mit SIMS und SRP

Schichtanalytik

Fehleranalyse

Analysen für die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik

Substrate

Schichten

Whisker

Problemlösungen

Anwendung oberflächenanalytischer Verfahren in der AVT

© SGS Société Générale de Surveillance Holding (Deutschland) GmbH – 2014 – All rights reserved – SGS is a registered trademark of SGS Group Management SA 3

D-SIMS Cameca ims 7f

Methodenübersicht

chemische und physikalische Verfahren

4 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE

Physikalische Analysetechniken

Materialografie, Lichtmikroskopie

Elektronenmikroskopie (REM und TEM)

Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Röntgentechniken (XRD und XRT)

Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA)

mittels EDX und WDX

Photoelektronenspektrometrie (XPS)

Augerelektronenspektrometrie (AES)

Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS)

Spreading Resistance Profiling (SRP)

Kerntechniken (in Kooperation)


AES Phi 670

TOF-SIMS Ion –TOF 5

XPS Quantera II


Fehleranalyselabor

Querschnittspräparation (Zielbruch, Schliff, FIB)

Abbildung (Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie)

Reverse Engineering (Öffnen von BE, Rückpräparation)

FIB Polishing SEM


● FTIR-Spektroskopie (KBr-Tablettentechnik, ATR, Mikroskopie)

● Röntgenfeinstruktur-Analyse (XRD)

● Thermische Analyse (DMA, DSC, DTA/TG)

● Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS, TDS, Pyrolyse)

● Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC)

● Ionenchromatographie (IC)

Phasenanalytik und

Chemische Analysetechniken

Wellenlängenbereich: Mittleres IR - 400...4000 cm-1

Thermo Nicolet 6700 IR-Mikroskop

Diamant-ATR

GC-MS mit Pyrolyse

FTIR



Analytische Dienstleistungen für die

Halbleiterindustrie – Überblick


Service entlang der

Wertschöpfungskette Mikroelektronik

● Prozessmedien

● Substrate

● Dotierprofile und Verunreinigungen

● Schichtcharakterisierung

● Aufbau- und Verbindungstechnik

● Fehleranalyse

AFM image of a Si surface

SEM picture of a FIB cut

Ultrapure water analysis


Substratcharakterisierung

Substratmaterialien: Silizium, Glas, Keramik, Metalle

1. Reinheit

Verfahren mit hoher Ortsauflösung: SIMS, ESCA, AES

Verfahren integral: TXRF, AAS, ICP-OES, ICP-MS

2. Rauheit

3. Mechanische Eigenschaften

AFM Abbildung einer Si-Oberfläche

TOF-SIMS Spektrum


Mass (u)

40 60 80 100 120 140

7x10

0.5

1.0

1.5

Inte

nsity (

co

un

ts)

C2H3+

C3H3+

C3H5+

C3H7+

C4H7+

C4H9+

C5H9+

C6H11+

C7H11+

C7H13+

Ablagerungen von Polypropylen (PP) auf einem Si-Wafer

Methode: TOF-SIMS

Wahrscheinliche Quelle: Waferbox

Propylen

Spurenanalyse auf Waferoberflächen

organische Komponenten

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Polypropylen.svg

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Propene-2D-flat.png


Dotierprofile

Messung von Dotierprofilen in Substraten und dünnen Schichten

mittels:

Sekundärionenmassenspektrometrie

Spreading Resistance Profiling

Beispiel: Z-Diode

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

1E+21

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Tiefe [µm]

CC

SRP

SRP measurement

Electrical active

carrier concentration Element depth

profiles of the

dopants in Si

SIMS


Schichtcharakterisierung ONO-Layer

TEM-Querschnitt, CM 200 (200kV)

1,8

nm

7,5

nm

2,2 nm

XPS-Tiefenprofilanalyse mit

ultraflacher Signalabnahme (10°) und minimaler

Sputterenergie (500eV)

Vergleich: Pad 59 und Pad 08

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

0 100 200 300 400 500 600 700

sputter time [a.u.]

Inte

nsi

ty [

Co

un

ts/s

]

1H_Pad: 08

18O_Pad: 08

30Si_Pad: 08

14N29Si_Pad: 08

1H_Pad: 59

18O_Pad: 59

30Si_Pad: 59

14N29Si_Pad: 59

TOF-SIMS Tiefenprofil


Schichtcharakterisierung

AES-Analyse - Defekt auf Kupferleitbahn

F-Map Cu-Map

Phänomen: Ablagerung auf

Kupferleitbahn

Methode: AES

Ergebnis: F-haltige Rückstände

AES-Oberflächenanalyse

AES-Elementmapping


Thickness: 100 nm

Median grain size: 68 nm

Thickness: 300 nm

Median grain size: 152 nm

Schichtcharakterisierung - Polysilizium

Aufgabe: Bestimmung

der Korngröße

Abbildung: AFM

Auswertung:

Linienschnittverfahren


Fehleranalyse in der

Halbleiterindustrie

Electrical Test

Localization

Isolation

(mainly non destructive)

Validation

(destructive) Physical analysis

Photo emission

Liquid crystal

OBIRCH, TIVA

FIB

Potential contrast

Delayering

Imaging

Material analysis

Failure analysis of ICs

is localization and identification of failures and deviations from the designed chip

construction, which can lead as well to an abnormal electrical behaviour or other

quality problems as to reduced reliability.

Failure analysis can also help to find weaknesses in the design. The same analytical techniques

used for failure analysis are also used for process control and chip construction analysis.

SGS CTS Microelectronics Mainly Client

CTS Micro can perform

only some tests

Often Client


Phänomen: Leckstrom im Gateoxid

Lokalisierung: Flüssigkristallspektroskopie

Validierung: Passiver Potentialkontrast im REM

Physikalische Analyse: Rückpräparation, REM-Abbildung

Ergebnis: Lokalisierung und Darstellung des Lochs im Gateoxid


Halbleiterindustrie - Speicher


1 µm

Double bit failure caused by a faulty

bit line contact: Tungsten is missing

in the failed contact.

SEM

inspection

after FIB

preparation

Unfilled aluminum contacts are often

instable and can reach the final customer


Halbleiterindustrie


ESD (electrostatic discharge) is caused by storage or handling issues and leads to very

small burn marks in the silicon.

Can be caused at each station in the supply chain.

EOS (electrostatic overstress) is caused by U, I or P stress outside the SOA (safe

operating area) and leads to severe thermal chip/ module damage.

Caused mostly at final application or test at application conditions.

The differentiation is fuzzy!

Au

ESD of a Power MOSFET

EOS of a

freewheeling

diode

Top down view

X-section

Si chip

Backside

solder

Trench

Contact

ESD vs. EOS ?

Fehleranalyse- ESD oder EOS


Fehleranalyse

Metallisierungen

0100200300400500600700800900100011000

1

2

3

4

5

6x 10

4 Semikron_004.pro

Binding Energy (eV)

c/s

-C

1s

-N

1s

-O

KLL

-O

2s

-O

1s

-A

g4s

-A

g4p

-A

g4d

-A

g3s

-A

g3p3 -

Ag3p

1

-A

g3d5

-A

g3d3

Beispiel: Delamination von Rückseitenmetallisierungen

Analysetechnik: XPS

Ergebnis: O, N und C im Interface

XPS-Tiefenprofil (Delaminationsstelle)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12

Sputterzeit [min]

Ato

mko

nzen

trati

on

(A

t.-%

)

C

N

O

Ag

Chipseite

abgelöste Metallisierung



Analysen für die Aufbau- und

Verbindungstechnik der Elektronik


Analysen für die Elektronik

Untersuchungsobjekte:

● Sensoren

● MEMs

● Leiterplatten

● Elektronische Module

● TFT Panele

SEM image of an

acceleration sensor

Cross-section of an assembled

PCB

Cross section of a

pressure sensor

TFT: Contact window with

delamination areas

TFT: AES spectrum, detection

of C, F, N, O, Na, Cl and S as

the reason for delamination


Aufbau- und Verbindungstechnik

Glued chip and

wire bond

contacts

Flip chip contacts

solder contacts

Solder bump

Leistungen

Öffnen und Inspektion

Querschliffe durch Package

Untersuchung von Kontaktsystemen

Metallisierungen, Schutz- und Deckschichten

Material- und Strukturanalyse

Zuverlässigkeit, Tests und

Untersuchung der Folgen

Pressure sensor


Substrate für die Elektronik

Untersuchungsobjekte:

Leiterplatten

Keramiksubstrate

Untersuchungsschwerpunkte:

Reinheit, Oberflächenbeschaffenheit,

Vertikalaufbau,…


Beispiel: Solarwafer, Messung der Belegung der Oberfläche mit organischen,

in Lösungsmittel löslichen Kontaminationen

Methode: Infrarotspektroskopie, Tropfen auf KBr aufgebracht

Substrate für die Elektronik

FTIR – Untersuchungen

von organischen Verunreinigungen

LOD = 5 µg, 0,01 µg/cm²

Kohlenwasserstoffe


Rauheit von Substraten

Bewegung der Spitze

Auslenkung

des Arms

Probe

AFM DI Dimension 5000M

Profilometer

KLA Tencor P-15


Fehleranalyse von Mehrlagenleiterplatten

Problem: Elektronische Modul fiel aus

Lösung: Metallographischer Querschliff

Ergebnis: Risse in der Via-Metallisierung

WWW.SGS.COM/MICROELECTRONICS

Risse in Metallisierungen

von Leiterplatten


HTM, 5. Statusseminar 23.03.2004

First Sensor Technology Berlin

Flip-Chip Kontakte Beispiel aus Projekt HTM

Flip-Chip-Kontakte nach Öltest,

13346, NiAu/SbSn/PdAg,

2000 h bei 200 °C

Lichtmikroskopie

REM (BSE)

28 SGS GERMANY GROUP PRESENTATION

Ablagerungen auf Leiterplatten

Untersuchung von Ablagerungen

Methoden: FTIR und IC

Ergebnisse:

Carboxylate (Salze der Carbonsäuren,

speziell Adipinsäure (Hexandisäure)

Formiat Adipinsäure

29 SGS GERMANY GROUP PRESENTATION

Untersuchung von Ablagerungen

Methode: REM und EDX

Ablagerungen auf Leiterplatten


Fehleranalyse von Mehrlagenleiterplatten

Problem: Ein Sensor auf einer Leiterplatte wies nach thermischen Stress keinen elektrischen Kontakt mehr auf.

Lösung: Metallographischer Querschliff

Ergebnis: Ein Wedge-Bond Kontakt wurde abgehoben

Ursache: Rissbildung zwischen PCB und Gloptop führte zu mechanischen Stress. Wedge bond was

pulled off

Bondabheber


kurzer Whisker Detail

langer Whisker Detail

Whisker

Ergebnisse – FIB-Schnitte

Ergebnis: Keine Erschöpfung der Sn-Schicht auch

bei Anwesenheit extrem langer Whisker erkennbar


Ionenchromatographie an

Kunststoffen

Motivation: wasserlösliche Ionen können zu Korrosion führen

Methode zum Nachweis: Ionenchromatographie (IC)

Ladungsspezifische Trennung (An- und Kationen) - von gelösten Stoffen

Trennung der gelösten Stoffe mit spezieller Trennsäule

Detektion der Ionen zeitabhängig mittels Leitfähigkeitsdetektor die Leitfähigkeit (µS) ist

proportional zur Konzentration der Ionen

IC ist nicht stoffspezifisch

Kationen Anionen


Ionenchromatographie an Kunststoffen

Probenpräparation für Analyse

Probe

Granulat Platten / Bauteile

Vorzerkleinern

(ca. 1-2cm) Kryomühle

Extrahieren DI-

Wasser +

Temperatur

Ultraschallbad

Abtrennung

Schwebeteilchen

Analyse mittels

Ionenchromatographie

Homogenisieren

Extraktion der ionischen

Komponenten


Fehleranalyse an IGBT-Baugruppen

Beispiel IC an Kunststoffmaterialien



Anwendung oberflächenanalytischer

Verfahren in der AVT der Elektronik

36 CTS Microelectronics - 01109 Dresden, Königsbrücker Landstraße 161

Element-sensitive Analyseverfahren

zur Charakterisierung von Festkörperoberflächen- Anwendungen

Verfahren Anwendung in Halbleiterindustrie und Elektronik

Chemische Analysemethoden

AAS, ICP-OES, ICP-MS

Reinheitsanalyse von Substraten

Analyse von Prozessmedien (Chemikalien, Wasser, Pasten,..)

TXRF Reinheitsanalyse von Substraten

Schichtanalyse

EDX, WDX Analyse von Mikrovolumina

Dynamische SIMS (Magnetfeld,

Quadrupol und TOF-SIMS)

Dotierstoffanalyse

Analyse von Verunreinigungen in Substraten

Schichtanalyse

Statische SIMS (TOF-SIMS) Oberflächenanalyse (Substrate und Schichten, Kontakte)

XPS Oberflächenanalysen (Substrate und Schichten, Kontakte)

Tiefenprofile (Schichten)

AES

Oberflächenanalysen (Substrate und Schichten. Kontakte)

Tiefenprofile (Schichten) besonders wenn Fläche begrenzt


Sekundärelektronen

Probenoberfläche

Charakteristische Röntgenstrahlen

Primärelektronen-Strahl

Anregungs-

volumen < 1 - 3 µm

Auger-Elektronen 4 - 50 Å

Z > 3

Z 4

0

Si O

Kinetische Energie (eV)

500 100

Die AES ist ein oberflächenempfind-

liches Verfahren zur Bestimmung der

chemischen Zusammensetzung

dünner Schichten oder zum Nachweis

von Kontaminationen auf Oberflächen

von Festkörpern. Sie beruht auf der

Messung der Energieverteilung der aus

dem Festkörper austretenden

Augerelektronen.

Laterale Auflösung: ca. 30 nm

Tiefenauflösung: 0,5 ... 3 nm

Nachweisgrenze 0,1 ... 0,5 at%

Quantifizierung: ja

nachweisbare Elemente: Z 3

Tiefenprofil: ja

Augerelektronenspektrometrie (AES)

AES Phi 670

Rückgestreute Elektronen


Photoelektronenspektrometrie (XPS)

Die XPS ist ein oberflächenempfindliches, elek-

tronenspektrometrisches Verfahren mit Röntgen-anregung,

welches bei der chemischen Analyse von

Festkörperoberflächen zur Anwendung kommt (ESCA).

Photoelektronen sind die Informationsträger der XPS. Die

XPS-Analyse liefert die qualitative und quantitative

Materialzusammensetzung sowie den Nachweis der

chemischen Bindung.

Laterale Auflösung:10 µm ….. 3 mm

Tiefenauflösung: 0,5…3 nm

Nachweisgrenze: ca. 0,1 At.-%

Quantifizierung: gut (Empfindlichkeitsfaktoren)

Elementnachweis: Z 3

Röntgenanregung Photoelektronen

(h * n )

d = 4…100 Å

3/2

1/2

2s

1s

Oberfläche

2p

Probe

Neu bei SGS: PHI Quantera II


Analysis beam, low dose surface probing

+ Second (primary) beam,

high dose, Cs, O2, …

for depth profiling

Parallel detection of Masses

Sequential sputter erosion

TOF-SIMS Prinzip


Dual beam depth profiling

Sputter Beam (Cs+ / O2+) Analysis Beam (Bi+, Bi3

+)

Interlaced Mode vs. Non Interlaced Mode

time

ns

100 µs

Analysis Beam (Bi+, Bi3+)

Spectrum / Ion extraction

Sputter beam

ns

100 µs

Analysis Beam (Bi+, Bi3+)

Spectrum / Ion extraction

Sputter beam

1-10 s 1-10 s 1-10 s

Waiting time (charge compensation)

time

Conductive samples Charging samples

TOF-SIMS Tiefenprofilanalyse


Methode AES:

- Quantitativ

- Vorpräparation nötig

- 1 Messpunkt/Fläche

Al C O F Si

24at% 33at% 22at% 12at% 9at%

Methode ToF-SIMS:

- Qualitativ

- Keine Vorpräparation

- Mapping

- Zusätzlich organische Moleküle

Oberflächenanalyse von Bond Pads


AES-Tiefenprofil, Wafer C22741-01 Mitte

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Sputterzeit [min]

Ato

mk

on

ze

ntr

ati

on

[%

]

C

N+Ti1

O

Al

Ti2

Pd

Au

Oberflächenanalyse von Bond Pads

Aufgabe: Analyse eines Bondpads mit ARC Layer

Methode: AES


Oberflächensensitive Methode XPS

zur Analyse von Glassubstraten

Glassubstrate

2 modifiziert

3 leicht modifiziert

1 unmodifiziert

Figure 2: XPS spectra (surface), Sample A (surface)

Location 1, location 2, location 3

2782802822842862882902922942962982000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000KLA_001.spe

Binding Energy (eV)

c/s

-CHx

-C-O-

O-C=O

XPS Spektrum der Oberfläche, Organik

Position 1, Position 2, Position 3

Ergebnisse

• SiO2 und Organik an jeder Position

• Modifizierung nur an Pos. 2 und 3,

O-C=O (Konzentration O ist erhöht,

Konzentration C niedriger

• Pos. 1 typische Glaszusammensetzung

Position C at% O at% Si at %

1 9,2 63,7 27,1

2 8,6 64,5 26,9

3 7,9 64,6 27,5

Modifizierung an Pos. 3


Vergleich der häufig genutzten

oberflächensensitiven physikalischen Verfahren

weitere Analyseverfahren: IR-Analytik, NAA (H-Bestimmung), ERD, RBS....., Profilmesstechnik: SIMS, SNMS..

AES XPS D-SIMS TOF-SIMS

Anregung Elektronen Röntgenstrahlen Ionen Ionen

Messprinzip Energieverteilung der

Augerelektronen

Energieverteilung der

Photoelektronen

Masse und Ladung der Sekundärionen

Nachweistiefe/Tiefen-

auflösung

0,5 nm (1 – 2

Monolagen)

0,5 bis max. 10 nm 0,5 bis 30 nm 0,5 nm

Nachweisempfind-

lichkeit

ca. 0,1 – 0,5 A% ca. 0,1 A% 1012-1018 at/cm³

<1010 at/cm2

Laterale Auflösung 10 nm 10 µm 30 x 30 bis µm² 1 µm

Aussagen zur

chemischen

Beschaffenheit

Nur bedingt Gut (chemical shift) gering Sehr gut (lange

Molekülketten)

Quantifizierbarkeit Empfindlichkeitsfaktoren

(eingeschränkte

Genauigkeit)

Nachweis Z 3

Empfindlichkeitsfaktoren

(relativ genau -> f.p.m)

Nachweis Z 3

Standards Standards, für

bekannte Materialien

Empfindlichkeitsfak-

toren

Tiefenprofile Ja Ja, bis ca. 10 nm auch

winkelaufgelöst

Ja Ja, chemische

Information geht

verloren


Welches Verfahren ist für Ihre

Problemstellung das richtige?

Bitte fragen Sie uns.

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SGS Institut Fresenius GmbH

Dr. André Möller

Königsbrücker Landstraße 161 · D-01109 Dresden

Telefon: +49 (0)351 8841 155

Telefax: +49 (0)351 8841 190

www.institut-fresenius.de

[email protected]

mailto:[email protected]

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