Time- and Space-Resolved X-ray Diffraction for Stress Analysis in Semiconductor Devices

Seit den Anfängen der Mikroelektronik war die Miniaturisierung ein stetiger Motor für Innovation. Dies führte zu dünneren Wafern, feineren Leiterbahnen und höheren Schaltfrequenzen, welche die mechanische Belastung auf die eingesetzten Werkstoffe erhöhte. Diese Arbeit untersucht die Rolle von Eigenspannungen anhand zweier Anwendungsbeispiele: (i) der Einfluss von Eigenspannungen auf die Seitenwandfestigkeit laser-separierter Si Wafer und (ii) die thermomechanische Ermüdung dicker Cu Metallisierungen in der Hochleistungselektronik. Die Studie demonstriert die Notwendigkeit, Eigenspannungen auf schwer zugänglichen Zeit- und Längenskalen zu untersuchen.
In der ersten Studie wurde Röntgen-Nanodiffraktion eingesetzt, um die Eigenspannungen in dem Recast Layer, laser-separierter Wafer zu quantifizieren. Dieser Recast Layer besteht aus defektreichem polykristallinem Si, das durch Umschmelzen des abgetragenen Materials entstanden ist. Die Zugeigenspannungen dieser Schicht wurden zum ersten Mal mit über 290 MPa quantifiziert. Darüber hinaus führten nanoskopische Ausscheidungen der Rückseitenmetallisierung zu Gradienten in der Mikrostruktur der Recast Layer. Diese Mikrostruktur führte zu einer Verdreifachung der Biegefestigkeit an der Chip Rückseite.
In der zweiten Studie wurde Hochfrequenz-Röntgendiffraktion (20 kHz) verwendet, um die thermischen Spannungen in Cu während Überlastungsimpulse zu charakterisieren. In einem Temperaturzyklus zwischen 25–525◦C mit einer Heizrate von bis zu 106 K/s wurden Druckspannungen von bis zu −276 MPa nachgewiesen. Mittels In situ Röntgenunkelfeldmikroskopie wurden frühe Stadien der Ermüdung in einzelnen Cu Körnern untersucht. Die Bildung von Kleinwinkelkorngrenzen führte zur Zergliederung der Cu Körner in kleinere Zellen. Lokale Dehnungsfelder entlang von Großwinkelkorngrenzen intensivierten und erstreckten sich tiefer in das Korninnere.
Zusammengefasst erörtert diese Arbeit die komplizierte Verbindung zwischen Versagensmechanismen, mechanischer Spannungen und Mikrostruktur in Hochleistungselektroniken. Durch den Einsatz modernster Röntgenbeugungsmethoden mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung konnten Erkenntnisse über anwendungsnahe Probleme gewonnen werden.