Ion diffusion in polyimides : from aqueous solution, measured with ToF-SIMS

Abstract

Mobile Ionen stellen ein großes Risiko für die Langlebigkeit von Hochspannungstransistoren dar. Hohe Betriebsspannungen erzeugen starke elektrische Felder, durch die mobile Ionen in kritische Bereiche (z.B. das Gate Oxid) vordringen können. Dies kann zu Funktionsstörungen bis hin zum Ausfall des Bauelements führen. Eine der Hauptkontaminationsquellen für mobile Ionen in einem Halbleitergerät sind Passivationsschichten und Einkapselungsmaterialien die in Chip Packagings verwendet werden. Die hohe Komplexität ihrer Zusammensetzung führt zu Spurenkonzentrationen von ionischen Verunreinigungen, deren Beseitigung durch den hohen Preisdruck am Halbleitermarkt nicht rentabel wäre. Um die Gefahr von Schäden, die unter bestimmten Einsatzbedingungen durch mobile Ionen entstehen können, zu bewerten, ist die Bestimmung der Diffusionskoeffizienten in diesen Materialien von großer Bedeutung. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Diffusionskoeffizienten verschiedener Ionen in unterschiedlichen Polyimiden, die als Passivationsschichten verwendet werden untersucht und mögliche Einflussfaktoren diskutiert. Insbesondere wird die Diffusion von Natrium Kationen aufgrund des ubiquitären Vorkommens und des damit verbundenen hohen Risikos untersucht, sowie auch die von Kalium Kationen. Um die Diffusionskoeffizienten bei verschiedenen Temperaturen zu bestimmen, werden die Polyimide in unterschiedlichen Salzlösungen bei Temperaturen von 80°C bis 160°C in Druckgefäßen gelagert. Anschließend wird die Verteilung der eindiffundierten Ionen im Polyimid mittels Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS) gemessen. Die erhaltenen Konzentrationsprofile werden mittels Implant-Standards quantifiziert und mit Hilfe einer Diffusions-Error-Funktion modelliert und daraus der Diffusionskoeffizient der Ionen bestimmt. Mit Hilfe der Arrhenius Gleichung werden zudem die Aktivierungsenergien der Diffusionsprozesse berechnet. Basierend auf unseren Ergebnissen können die Polyimide unterschiedlichen Einsatzbereichen zugeordnet werden.

Contaminants in sensitive areas pose a considerable risk to the longevity of high voltage transistors. High operating voltages induce strong electric fields, that allow for mobile ions to migrate to critical areas in the semiconductor device (e.g gate oxide). The trend towards smaller packing and higher operating temperatures further increases ion migration and diffusion. This can cause malfunctioning elements and may even lead to device failures. A main source for mobile ions in semiconductors is chip packaging materials such as passivation and encapsulation materials. Their high complexities and economic considerations allow for the presence of trace amounts of ionic contaminants. In order to better anticipate the risk of defects caused by mobile ions it is important to determine the diffusion coefficients in the used materials. In this work ion diffusion in different polyimides was evaluated by performing high-temperature stress tests on the material. In particular sodium as a high risk element due to its high occurrence and potassium were studied. To determine diffusion coefficients at different temperatures the polyimides were stored in various saline solutions at temperatures between 80°C and 160°C. Their distribution was subsequently measured using time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). The obtained concentration profiles were quantified with the help of implanted standards and modelled by an error-function to determine the ions's diffusion coefficients. Activation energies of the diffusion process were determined through Arrhenius functions. Based on our findings the polyimides could then be categorised for suitable areas of use.