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)
D-SIMS Cameca ims 7f
AES Phi 670
TOF-SIMS Ion –TOF 5
XPS Quantera II
5 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
Fehleranalyselabor
Querschnittspräparation (Zielbruch, Schliff, FIB)
Abbildung (Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie)
Reverse Engineering (Öffnen von BE, Rückpräparation)
FIB Polishing SEM
6 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
● 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
7 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
D-SIMS Cameca ims 7f
Analytische Dienstleistungen für die
Halbleiterindustrie – Überblick
8 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
9 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
10 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
11 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
12 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
13 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
Schichtcharakterisierung
AES-Analyse - Defekt auf Kupferleitbahn
F-Map Cu-Map
Phänomen: Ablagerung auf
Kupferleitbahn
Methode: AES
Ergebnis: F-haltige Rückstände
AES-Oberflächenanalyse
AES-Elementmapping
14 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
15 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
16 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
Phänomen: Leckstrom im Gateoxid
Lokalisierung: Flüssigkristallspektroskopie
Validierung: Passiver Potentialkontrast im REM
Physikalische Analyse: Rückpräparation, REM-Abbildung
Ergebnis: Lokalisierung und Darstellung des Lochs im Gateoxid
Fehleranalyse in der
Halbleiterindustrie - Speicher
17 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
Fehleranalyse in der
Halbleiterindustrie
18 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
19 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
20 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
D-SIMS Cameca ims 7f
Analysen für die Aufbau- und
Verbindungstechnik der Elektronik
21 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
22 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
23 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
Substrate für die Elektronik
Untersuchungsobjekte:
Leiterplatten
Keramiksubstrate
Untersuchungsschwerpunkte:
Reinheit, Oberflächenbeschaffenheit,
Vertikalaufbau,…
24 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
25 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
Rauheit von Substraten
Bewegung der Spitze
Auslenkung
des Arms
Probe
AFM DI Dimension 5000M
Profilometer
KLA Tencor P-15
26 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
27 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
30 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
31 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
kurzer Whisker Detail
langer Whisker Detail
Whisker
Ergebnisse – FIB-Schnitte
Ergebnis: Keine Erschöpfung der Sn-Schicht auch
bei Anwesenheit extrem langer Whisker erkennbar
32 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
33 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
34 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
Fehleranalyse an IGBT-Baugruppen
Beispiel IC an Kunststoffmaterialien
35 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
D-SIMS Cameca ims 7f
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
37 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
38 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
39 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
40 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
41 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
42 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
43 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
44 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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
45 SGS GERMANY PRÄSENTATION GRUPPE
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Dr. André Möller
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Telefon: +49 (0)351 8841 155
Telefax: +49 (0)351 8841 190
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