Investigation of electrochemical migration and dendrite growth in microelectronic devices

Abstract

Die Optimierung und Miniaturisierung von Halbleiter- und Mikroelektronikbauteilen führt zu stetig steigenden Anforderungen, insbesondere bei extremen Betriebsbedingungen: hohen Spannungen, Temperaturen, Feuchtigkeit und Verunreinigungen. Diese Bauteile bestehen aus verschiedenen Materialien, von Metallen über Halbleiter bis hin zu (an)organischen Isolatoren, was zahlreiche unerwünschte Prozesse und Reaktionen ermöglicht. Ein Beispiel ist die Bildung metallischer, elektrisch leitender Dendriten, die Kurzschlüsse und damit das Bauteilversagen verursachen können. Um die Zuverlässigkeit sicherzustellen, ist es entscheidend, die durch äußere Einflüsse verursachten Reaktionen in diesen Bauelementen zu verstehen. Die vorliegende Arbeit stellt dahingehend ein Modell und physikalisch/chemische Mechanismen vor, die über bisherige, überwiegend statistische oder phänomenologische, Beschreibungen hinausgehen. Die Berücksichtigung von Ionenmigration in Polymeren und elektrochemischer Prozesse an den Grenzflächen leistet einen bedeutenden Beitrag zur Aufklärung der Ursachen des Versagens mikroelektronischer Bauteile, insbesondere der Dendritenbildung in Polymerisolatoren. Die Kombination von Untersuchungsmethoden ermöglicht es, verschiedene Einflussparameter quantitativ mit dem Durchbruchsverhalten zu korrelieren. Dazu werden hoch aufgelöste Strommessungen mit gemessenen Konzentrationsprofilen verknüpft und durch Simulationsrechnungen unterstützt. Die Unterscheidung ionischer und elektronischer Ströme in Polymerbeschichtungen ist schwierig, und der Einfluss von Ionen wird oft vernachlässigt. Die hier verwendete Methode ermöglicht es, den ionischen Beitrag abzuschätzen. Diese Studie untersuchte die Korrosionsmechanismen von Kupfer und das Verhalten von Poylimidbeschichtungen unter beschleunigten Korrosionsbedingungen, in Form elektrischen Stresses und ionischer Verunreinigungen. Beide Materialien sind in der heutigen Mikroelektronik weit verbreitet. Es wurden Experimente mit drei unterschiedlichen Aufbauten durchgeführt, um das Korrosions- und Dendritenwachstumsverhalten von Kupfer, sowie das Eindringen metallischer Kationen in organische Beschichtungen und den daraus resultierenden Isolationsverlust zu untersuchen. Die Analyse zeigte, dass bei Proben, die AgNO3(aq) ausgesetzt wurden, der Strom überwiegend durch Ionen verursacht wird. Auch das Permeationsverhalten dreier Kationen in hohen elektrischen Feldern (∼ 70 MV μm−1) wurde untersucht, wobei Ag+ die höchste Mobilität in der Polymerbeschichtung aufweist, gefolgt von K+ und Cu2+. Der Kationentyp beeinflusste den Strom und die Zeit bis zum Ausfall während elektrischer Stresstests maßgeblich. Unter bestimmten Bedingungen spielen ionische Verunreinigungen eine entscheidende Rolle beim Materialversagen.

The optimization and miniaturization of semiconductor and microelectronic components lead to ever-increasing demands, especially under extreme operating conditions such as highvoltages, temperature, humidity, and contamination. These components consist of various materials, ranging from metals and semiconductors to (in)organic insulators, which facilitate numerous undesirable processes and reactions. One example is the formation of metallic, electrically conductive dendrites, which can cause short circuits and thus component failure. To ensure reliability, it is crucial to understand the reactions in these components caused by external influences. In this regard, the present work introduces a model and physical/chemical mechanisms that go beyond previous predominantly statistical or phenomenological descriptions. The consideration of ion migration in polymers and electrochemical processes at interfaces contributes to elucidating the causes of failure in microelectronic components, particularly dendrite formation in polymer insulators. The combination of methods enables the quantitative correlation of various influencing parameters with breakdown behavior. For this purpose, high-resolution current measurements are linked with concentration profiles and supported by simulation calculations. Distinguishing between ionic and electronic currents in polymer coatings is difficult, and the influence of ions is often neglected. The method used here allows for estimating the ionic contribution.This study examined the corrosion mechanisms of copper and the behavior of polyimide coatings under accelerated corrosion conditions, in the form of electrical stress and ionic contamination. Both materials are widely used in today’s microelectronics. Experiments were conducted using three different setups to investigate the corrosion and dendrite growth behavior of copper, as well as the penetration of metallic cations into organic coatings and the resulting insulation loss. The analysis showed that in samples exposed to AgNO3(aq), the current was predominantly caused by ions. The permeation behavior of three cations in high electric fields (∼70 MV μm−1) was also studied, with Ag+ exhibiting the highest mobility in the polymer coating, followed by K+ and Cu2+. The type of cation significantly influenced the current and the time to failure during electrical stress tests. Under certain conditions, ionic contaminants play a crucial role in material failure.