Diagnostik Halbleitertechnologien
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Mittels hochauflösender Materialdiagnostik und physikalischer Fehleranalyse unterstützen wir Hersteller mikroelektronischer Bauelemente bei der Einführung neuer Prozesstechnologien und der Qualitätssicherung in der Fertigung. Im Mittelpunkt unserer Arbeit steht die Analyse von Materialwechselwirkungen im Zusammenhang mit Prozessparametern und Einsatzbedingungen. Dadurch klären wir Ursachen für Fehlprozessierungen und elektrischem Fehlverhalten auf. Für die Lokalisierung und Analyse von elektrisch wirksamen Defekten und Eigenspannungen entwickeln wir entsprechende Diagnostikverfahren neu oder verbessern bereits bestehende Verfahren.
Leistungen
- Prozesscharakterisierung und Strukturbewertung
- Physikalische Fehleranalyse an mikroelektronischen Bauelementen
- Fremdmusteranalyse
- Schaltkreismodifikation
- Lokalisierung elektrischer Defekte auf Wafer- und Bauelementebene
- Präparationsentwicklung mittels fokussierender Ionenstrahltechnik (FIB)
- Hochauflösende Mikrostrukturanalytik mittels Elektronen- und Ionenmikroskopie
- Ortsaufgelöste Eigenspannungsanalyse mittels elektronen- und lichtoptischen Verfahren
Themen
Thermische Defektlokalisierung
Die Lokalisierung von elektrisch wirksamen Defekten auf Chip- und Bauelementebene ist eine wichtige Voraussetzung für eine gezielte physikalische Fehleranalyse. Dabei werden Verfahren benötigt, die eine präzise Lokalisierung der Defekte innerhalb des Bauteils mit einer hohen Sensitivität und präziser mikrometergenauer Ortszuordnung ermöglichen. Kurzschlussdefekte oder hochohmige Verbindungsfehler erzeugen bei Stromfluss eine lokale Erwärmung, über die entsprechende Defektbereiche lokalisiert werden können. Gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle wurde dafür eine spezielle Methode der Lock-In-Thermographie entwickelt, bei der der Fehlerstromkreis elektrisch stimuliert und das Bauteil mit einer hochauflösenden Thermokamera abgebildet wird. Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich die Lokalisierung von Defekten in ICs, MEMS sowie in verkapselten komplexen Multichip-Bauelementen (SiP).
Lokalisierung von Gate-Leckströmen in integrierten Schaltkreisen mittels Lock-in-Thermografie. (PDF)
Fokussierende Ionenstrahltechnik
Die Fokussierende Ionenstrahltechnik (FIB) erlaubt den Materialab- und -auftrag von mikro- und nanometergroßen strukturierten Bereichen durch lokales physikalisches bzw. chemisch unterstütztes Ionensputtern. Kommerzielle FIB-Anlagen arbeiten mit einem Ga-Ionenstrahl, der auf weniger als 10nm Strahldurchmesser fokussiert werden kann. Die vom Primärionenstrahl induzierten Sekundärelektronen und -ionen werden zusätzlich zur Abbildung der Probenoberfläche genutzt, was eine präzise Navigation zur gewünschten Probenstelle ermöglicht. Die FIB-Technik ist ein unverzichtbares Präparationswerkzeug in der Halbleiterdiagnostik und Fehleranalyse von Bauelementen und findet im Leistungsbereich vielfältigen Einsatz zur Zielpräparation von IC-Schichtquerschnitten oder lokalen Kontaktierungen für Untersuchungen mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, der Durchmusterung und Charakterisierung von Defektbereichen und für die Schaltkreismodifikation im IC. Aufbauend auf den vorhandenen langjährigen vielfältigen Erfahrungen werden FIB-Präparationsmethoden gemeinsam mit Geräteherstellern weiterentwickelt und an aktuelle Erfordernisse der IC-Fertigung und der mikroelektronischen Systementwicklung angepasst.
Zielpräparation nanoelektronischer
Bauelementstrukturen mittels FIB-Zweistrahltechnik. (PDF)
Hochauflösende Materialanalyse
Nach der Zielpräparation vorlokalisierter Defektbereiche werden mittels hochauflösender elektronenmikroskopischer Analyseverfahren die physikalischen Ursachen für elektrisches Fehlverhalten mikroelektronischer Schaltkreise ermittelt. Die entsprechenden Transistorstrukturen oder Komponenten des Kontakt- und Leitbahnsystems werden mikrostrukturell-morphologisch charakterisiert und gefundene Unregelmäßigkeiten und unerwünschte Materialreaktionen mit möglichen Fehlprozessierungen bzw. einsatzbedingten Fehlerursachen korreliert. Auf diese Weise können beispielsweise elektrische Durchbrüche von wenigen nm dünnen Isolatorschichten in Einzeltransistorstrukturen und Speicherzellen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nachgewiesen werden. Anhand der Defektausformung und der umgebenden Schichtstruktur lassen sich dadurch Prozessierungsfehler von elektrisch bedingten Schäden, verursacht durch elektrische Überschläge oder erhöhten Strom/Spannungsbetrieb, unterscheiden. Für Einzelkontaktierungen können Verunreinigungen in Grenzflächen mittels hochauflösender chemischer Analytik im TEM und mittels Oberflächenanalytik (TOF-SIMS) detektiert und prozessbedingten Verunreinigungen zugeordnet werden. Gemeinsam mit Industriepartnern werden neue und an die jeweilige Fragestellung angepasste Präparations- und Analysestrategien entwickelt.
Publikationen
Gesamtliste der Publikationen seit 2008 (PDF)
- Kraft, J.; Schrank, F.; Teva, J; Sieger, J.; Koppitsch, G.; Cassidy, C.; Wachmann, E.; Altmann, F.; Brand, S.; Schmidt, C.; Petzold, M., 3D sensor integration with open TSV technology, accepted for ECTC 2011
- Krause, M.; Altmann, F.; Schmidt, C.; Brand, S.; Petzold, M.; Malta, D.; Temple, D., Characterization and failure analysis of TSV interconnects: from non-destructive defect localization to material analysis with nanometer resolution, accepted for ECTC 2011
- Altmann, F.; Schischka, J.; Van Ngo, V.; Stone, S.; Kwakman . L.F; Lehmann, R.; Combined Electron Beam Induced Current Imaging (EBIC) and Focused Ion Beam Technique (FIB) for Thin Film Solar Cell Characterization, Proc. 36th International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA) (2010), 151-157
- Altmann, F.; Schischka, J.; Kwakman, L.; Ngo, V.; Stone, S., Lehmann, R.; A Novel Method for Solar Cell Characterization Combining Electron Beam Incluced Current Imaging (EBIC) and Focused Ion Beam Techniques (FIB), Proc. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, (EUPVSEC) (2010) 3694-3699
- Altmann, F.; Petzold, M.; Schmidt, C.; Salzer, R.; Cassidy, C. ; Tesch, P. ; Characterization and Failure Analysis of 3D Integrated Semiconductor Devices-Novel Tools for Fault Isolation, Target Preparation and High Resolution Material Analysis, Proc. of. 36th International symposium for Testing and Failure Analysis, Dallas, ISTFA 2010, 163-170
- F. Altmann, C. Schmidt, S. Brand, P. Czurratis, M. Petzold Failure Diagnostics for 3D System Integration Technologies in Microelectronics, ECS Transactions 33 (4) (2010) 47-57
- Petzold M, Altmann F, Krause M, Salzer R, Schmidt C, Martens S, Mack W, Dömer H and Nowodzinski A; Micro Structure Analysis for System in Package Components - Novel Tools for Fault Isolation, Target Preparation, and Highresolution Material Diagnostics Proceedings, Proc. IEEE 60th Electronic Components and Technology Conference (ECTC) (2010) 1296-302
- Salzer, R.; Graff, A.; Simon, M.; Altmann,F.; Quantitative Assessment of TEMSample Warping Caused by FIB Preparation, Proc. of Microscopy & Microanalysis 2010, Microscopy and Microanalysis, vol. 16, issue S2, pp. 172-173
- Schlangen, R.; Deslandes, H.; Lundquist, T.; Schmidt, C.; Altmann, F.; Yu, K.; Andreasyan, A.; Li, S.;Dynamic lock-in thermography for operation mode-dependent thermally active fault localization, 21st European Symposium on the Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis, ESREF (2010);Microelectronics reliability 50;(2010), 9-11, 1454-1458
- Schmidt C, Altmann F, Schlangen R and Deslandes H; Non-destructive defect depth determination at fully packaged and stacked die devices using Lock-in Thermography Proc. 17th IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA) (2010), 5 pp.
- Schmidt, C.; Große, C.; Altmann, F.; Schulz, J.; Seibt, A.; Application of Lock-in Thermography for backside failure localization using solid immersion lenses, Proc. of the 36th International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA) (2010) 378-383
- Altmann F, Simon M and Klengel R; Application of He ion microscopy for material analysis, Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering (2009) 73780C-1 – 73780C-6
- Salzer, R.; Graff, A.; Simon, M.; Altmann, F.; Standard Free Thickness Determination of Thin TEM Samples via Backscatter Electron Image Correlation; Proc. Microscopy Conference Graz (2009)., 237-240
- Schmidt C, Naumann F, Altmann F and Martens S; Thermal simulation of defect localisation using lock-in thermography in complex and fully packaged devices. Proc. 10th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE) (2009) 736 – 741
- Schmidt C, Simon M, Altmann F and Nowodzinski A; Failure analysis of stackeddie devices by combining non-destructive localization and target preparation methods, Conference Proceedings from the 35th International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA) (2009) 319-23
- Krause, M.; Klengel, R.; Cismak, A.; Petzold, M.; Altmann, F., Hochauflösende Metrologie für die Mikro-Nanointegration, GMM-Fachbericht Band 63; VDE Verlag GmbH, 100-103
- Salzer, R.; Simon, M.; Graff, A.; Altmann, F.; Pastewka, L.; Moseler, M.; Reducing of ion beam induced surface damaging using low voltage, Proc. 14.th Europ. Microscopy Congr. (2008), 685
- Schmidt C, Altmann F, Grosse C, Lindner A and Gottschalk V; Lock-inthermography for 3-dimensional localization of electrical defects inside complex packaged devices Conference Proceedings from the 34th International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA) (2008) 102 – 107
- Schmidt C, Altmann F, Naumann F, and Lindner A; Application of Lock-In-Thermography for 3d defect localisation in complex devices, Proceedings 2nd Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC), (2008), Vols 1 and 2, 1041 – 1044
- Altmann, F.; Graff, A.; Simon, M., Advanced Ion Beam Tecniques for Process Con-trol of sub 100nm Technologies, Micromaterials and Nanomaterials 6 (2007)
- Altmann, F., TEM-Zielpräparation unter REM-Beobachtung mit der Zeiss NTS Cross-beam; , Praktische Metallographie (2005)
- Altmann, F.; Graff, A.; Simon, M.; Hoffmeister, H.; Gnauck, P., TEM-Präparation mit-tels „low-voltage“-FIB , Praktische Metallographie (2006)
- Graff, A.;M. Simon, M.; Altmann F., Using Enhanced SE Signal in the SEM for TEM Sample Thickness Determination, Microscopy Conference Microscopy Conference, Saarbrücken 2007
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