Accelerated corrosion testing of the copper/polyimide system in semiconductor devices

Abstract

Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen ist ein Hauptfaktor für das Gerätedesign, die Materialauswahl und den Herstellungsprozess. Viele verschiedene äußere Einflussfaktoren wie breite Temperaturspannen und schnelle -schwankungen, Luftfeuchtigkeit, Verunreinigungen mit Fremdstoffen sowie angelegte Spannung sind nur einige der Faktoren, welche leicht zu einem Geräteausfall führen können und berücksichtigt werden müssen. Daher ist es wichtig, mögliche Degradationsprozesse und -mechanismen in Halbleiterbauelementen zu verstehen. Diese Arbeit wurde durchgeführt, um das System Kupfer/Polyimid zu verstehen und jene Schlüsselfaktoren zu bestimmen, welche möglicherweise zu Korrosion und/oder Degradation dieser Materialkombination führen könnten. Dafür wurden zwei verschiedene Messaufbauten angefertigt. Der erste Messaufbau wurde verwendet, um das Korrosionsverhalten von Proben mittels einem Verfahren, welches sich aus verschiedenen Zyklen zusammensetzte, zu untersuchen. Ein Zyklus enthielt Kombinationen aus: Gegenwart von Wasser, Salzen, Feuchtigkeit und hohen Temperaturen. Der zweite Messaufbau wurde verwendet, um den Degradationsprozess von Proben ohne die Gegenwart von Wasser zu beobachten, bei hoher Temperatur und hoher angelegte Spannungen. Die Proben wurden dann unter Verwendung optischer Mikroskopie, SEM oder FEGSEM, FIB, TEM, STEM und TEM-EDX analysiert. Alle verwendeten Analysetechniken erwiesen sich als nützlich und die Kombination der verwendeten Instrumente ermöglichte die Entwicklung eines klareren Verständnisses jener Prozesse, die während der Probenbelastung auftreten. Während dieser Arbeit wurden viele verschiedene Phänomene, wie z.B. Kupferdiffusion durch Polyimid, beobachtet und ein besseres Verständnis der Faktoren, welche zur Degradation des Kupfer/Polyimid-Systems beitragen, wurde erhalten.

Reliability of semiconductor devices is a major factor for device design, materials selection and the manufacturing process. Many different external influencing factors such as temperature range and speed of changes, humidity, contaminations with foreign substances and applied voltage are just a few contributors that can easily lead to device failure and have to be taken into consideration. Therefore, understanding possible degradation processes and mechanisms in semiconductor devices is crucial. This work was conducted to get an understanding of the system copper/polyimide and to determine the key factors possibly leading to corrosion and/or degradation in this material combination. For this, two different measurement setups were designed. The first one was used to investigate the corrosion behavior of devices with a cycling procedure combining and varying the presence of water, salts, humidity and high temperature, the second one was used to observe the degradation process of samples without the presence of water, at high temperature and high applied voltages. Samples were then analyzed using optical microscopy, SEM or FEGSEM, FIB, TEM, STEM and TEM-EDX. All used analyzation techniques proved useful and the combination of the used instruments enabled development of a clearer understanding of processes occurring during sample stressing. Many different phenomena, such as copper diffusion through the polyimide, were observed during this thesis and a better understanding of factors contributing to degradation in the copper/polyimide system were obtained.