Corrosion investigations with the system copper/polyimide system for semiconductor devices

Abstract

Halbleiterbauteile finden nicht nur im persönlichen Bereich immer mehr Anwendung, sondern sind auch in der Industrie weit verbreitet. Sie werden mittlerweile bereits in vielen Anwendungen eingesetzt bei denen ein Versagen des Bauteils weitreichende Folgen auf die Sicherheit und Gesundheit hat. Daher wird die Qualität und Zuverlässigkeit der Bauteile auch unter extremen Umwelteinflüssen immer wichtiger. Da die Strukturen von elektrischen Bauteilen immer kleiner werden, können bereits kleinste Fehler zu Ausfällen führen. In Rahmen dieser Arbeit wurde das Korrosionsverhalten eines stark vereinfachten Systems Kupfer/Polyimid (PI) untersucht. Die verwendeten Proben, welche aus einer wohl definierten Kupfer/PI-Struktur bestehen, wurden Stresszykluen ausgesetzt, um die Korrosion zu beschleunigen. Im Stresszyklus werden verschiedene Bedingungen wie unterschiedliche Elektrolytlösungen, angelegte Spannungen, erhöhte Temperatur sowie erhöhte Luftfeuchtigkeit verwendet, um äußere Umwelteinflüsse auf Halbleiterbauteile zu simulieren. Für die Analyse und Charakterisierung der Proben wurde eine Vielzahl an unterschiedlichen analytischen Techniken eingesetzt. Es wurden unterschiedliche Korrosionsphänomene auf den Proben beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass es lokal zu Delamination des PI und auch zur Ausbildung von Pusteln im PI kommt. Ein Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und den Pusteln wurde beobachtet. Außerdem wurde ein Pfad durch das PI an die Oberfläche gefunden, welcher hauptsächlich aus Präzipitaten des verwendeten Elektrolyts besteht. Mittels EDX-mapping konnte gezeigt werden, dass es zudem zu einer Anreicherung von Kupfer an der Oberfläche des PI am Ende des Pfads kommt. Dies wurde auch durch die Messungen der Elektrolytlösung mittels Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry bestätigt, da für korrodierte Proben eine Anreicherung von Kupfer im Elektrolyt gefunden wurde.

Semiconductor devices are getting more and more important in daily life and industry. Therefore high quality and reliability of semiconductor devices are required. With ongoing miniaturization, even small defects or corrosion rates may cause the malfunction of the device. In this work, the limit of robustness and failure mechanisms of a model interface, simplified from interfaces used for industrial products, consisting of copper and commercial polyimide (PI), was investigated. Samples consisting of a copper/PI structure were stressed using accelerated stress tests. Conditions such as different electrolytes, applied voltages, elevated temperatures and high humidity were selected to simulate extremely harsh environmental conditions and force corrosion and degradation phenomena to occur. A broad range of different analytical methods was used for the observation and characterization of the untreated samples as well as the observed corrosion phenomena of the stressed samples. Different corrosion phenomena were observed and characterized. In this work it could be shown, that lift-off of the PI and polymer degradation in the form of pustules within the PI occurs. Formation of pustules could be linked to the applied voltage. EDX mapping of TEM-lamellas showed a pathway, consisting of precipitates through the PI and an enrichment of copper could be found at the PI surface, which indicates that copper diffuses through the PI-layer. This hypothesis was confirmed by ICP-MS measurements of the used electrolyte which showed an increase in the amount of copper detected in the electrolyte for samples where corrosion phenomena occurred.