Characterization of contaminations on semiconductor surfaces and thin layer systems with Time of Flight - secondary ion mass spectrometry

Abstract

Kontrollierte Oberflächeneigenschaften sind entscheidend für eine optimale Produktleistung und die Produktzuverlässigkeit, insbesondere auf Bondpads: Verschiedene Verunreinigungen (organisch und anorganisch) können Einfluss auf Bonddraht Haftung und Lebensdauer nehmen. Daher ist eine kontrollierte Probenoberfläche unbedingt notwendig um Fehler während der Herstellung zu vermeiden und um gegebenenfalls Fehlerursachen ermitteln zu können.<br />Innerhalb dieser Arbeit wurden verschiedene analytische Techniken:<br />Rutherford- Rückstreu- Spektrometrie (RBS), Elastic Recoil Detection (ERD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Auger- Elektronenspektroskopie (AES), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Gaschromatographie- Massenspektrometrie (GC-MS), Laser Doppler Vibrometrie, Sheartests und Flugzeitsekundärionenspektrometrie (ToF-SIMS) verwendet um Kontaminationen in der Halbleiterindustrie zu überwachen und zu charakterisieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, Verunreinigungen zu identifizieren, ihre Ursachen zu erforschen und ihren Einfluss auf die Produktzuverlässigkeit zu untersuchen.<br />Ein Schwerpunkt lag auf Bondpad Kontamination ( d.h. hauptsächlich Oberflächenkontaminationen), ein weiterer Schwerpunkt auf Verunreinigungen in dünnen Schichten. Wafersplit-Experimente wurden entwickelt, um die Auswirkungen der durch Umwelt- bzw.<br />Fertigungsschritte hervorgerufenen Verunreinigungen auf folgende Montageprozesse und die Produktlebensdauer zu untersuchen: Die Auswirkung unterschiedlicher Herstellungsschritte während der BEOL Verarbeitung auf dem Wasserstoff-Konzentration innerhalb des Gateoxides wurde charakterisiert und der Effekt auf die Drahtverbindungszuverlässigkeit von bewusst aufgebrachter Titanverunreinigung auf die Bondpadoberfläche wurde untersucht.<br />

Controlled surface characteristics are crucial for optimal product performance and device reliability, especially on bond pads:<br />Various contaminations (organic and inorganic) might take influence on bond wire adhesion and reliability behavior. Hence, contamination monitoring - next to failure analysis - is essential to eliminate failures during manufacturing, to determine causes of failure respectively. Within this work different analytical techniques:<br />Rutherford Backscattering (RBS), Elastic Recoil Detection (ERD), Electron microscopy (SEM), Auger Electron Spectroscopy (AES), Atomic Force Microscopy (AFM), Digital Holography Microscopy, Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) and Laser Doppler Vibrometry were used to support Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) investigations in semiconductor research areas. The aim of this thesis was to identify contaminations in semiconductor industry and characterize their role on device reliability by means of process splits cooperating with Infineon Technologies Austria in Villach.<br />One focus was on bond pad contamination, which have been identified and allocated to their sources, another focus on contaminations in thin layer systems. Wafer split experiments were designed to investigate the impact of different contaminations owing to transport, environment or manufacturing steps on sample formation and device reliability: The effect of manufacturing process steps during the back end of line (BEOL) processing on the hydrogen concentration within the gate oxide (GOX) was determinded and the impact of breeded titanium contamination on the wire bond reliability was demonstrated.