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Analytik für die 3-D-Integration in der Nanoelektronik

Ausgangssituation

Der bereits seit Jahrzehnten anhaltende Trend zur Erhöhung der Integrationsdichte in der Mikro- und Nanoelektronik führte zunächst zu einer immer höheren Packung der Strukturen in der Fläche. Seit einigen Jahren wird die Integrationsdichte jedoch zusätzlich erhöht, indem man die dritte Dimension einbezieht und die Chips stapelt. Zunächst wurden sie über Drahtbonden an den Außenrändern verbunden (Abbildung 1). Die Technologie der Silizium-Durchkontaktierung (Through Silicon Vias – TSV; siehe Abbildung 2 für das Schema eines 3-D-Bauelementes) erlaubt jedoch höhere Packungsdichten und erfordert es nicht, die zu verbindenden Leitungen an den Chiprand zu führen. Die Leitbahnen werden durch den Chip hindurch zur nächsten Ebene geführt. Das Fraunhofer-Institut IZM hat diese Technologie entwickelt und wird sie in seiner Außenstelle ASSID (All Silicon System Integration Dresden) umsetzen.

Abb. 1: Konventionelle 3-D-Integration mittels Drahtbonden.

Aufgabenstellung

Die auf TSV basierende 3-D-Integration stellt eine große Herausforderung für die Prozesskontrolle und Fehleranalyse dar. Vollkommen neuartige Prozessschritte werden eingeführt, wie die Herstellung von zylindrischen Hohlräumen mit großem Aspektverhältnis bis in ca. 50 µm Tiefe und deren Füllung mit Metallen, das Abdünnen von Wafern auf 50 µm Dicke und darunter sowie deren temporäre Klebung auf Trägerwafern für das Handling. Diese Schritte erfordern prozessbegleitende Analysen mit neuen Ansätzen. Die Fehleranalyse steht vor einigen völlig neuen Herausforderungen, z. B. dass vermutete Fehler im Innern eines Chipstapels liegen können. Klassische Verfahren wie die Querschnittsanalyse mittels FIB (Focused Ion Beam) erfordern einen Zeitaufwand, der ökonomisch nicht mehr vertretbar ist.

Abb. 2: Schematische Darstellung eines 3-D-Bauelements mit Umverdrahtungsebene (grün) und Lötkugel-Anschlüssen auf der Unterseite.

Durchführung

Das IZFP Dresden unterstützt das ASSID mit der Adaption von bestehenden und der Entwicklung von neuen Analyseverfahren, wobei verschiedene Verfahren auch sinnvoll kombiniert werden. Diese sind im Einzelnen:

  • Ultraschall-Mikroskopie (Scanning Acoustic Microscopy – SAM); Schwerpunkte:
    • Inspektion der Klebung von Wafern (abgedünnter Wafer auf Trägerwafer),
    • Prüfung der Tiefe von geätzten Vias und deren Gleichmäßigkeit,
  • Rasterelektronenmikroskopie und FIB-Bearbeitung‚ beispielsweise REM-Aufnahmen an durch TSV-Felder gebrochenen Wafern und FIB-Aufnahmen von kupfergefüllten Vias,
  • Laser-Bearbeitung mit den Hauptanwendungen:
    • Probenpräparation zur Freilegung großer und tiefer Bereiche in 3-D-Aufbauten; hier ist eine FIB-Nachpräparation erforderlich,
    • Präparation von Proben für die Röntgen-Nanotomographie,
  • Röntgen-Nanotomographie zum Studium von Prozessen auf der Nanometerskala an »kleinen« (sub-mm) Proben. Beispiele sind Stressmigration und »Pop-Out-Effekte« von TSV.

Abb. 3: FIB-Querschnitte von Kupfer-Vias mit drastischen Füllfehlern.

Ergebnisse

Eine Reihe von Verfahren und Prozeduren werden routinemäßig angewendet und unterstützen die Prozesseinführung bei ASSID. Dies betrifft REM/FIB-Untersuchungen z. B. an Querschnitten mit fehlerhaft gefüllten TSV (Abbildung 3). Andere befinden sich in Entwicklung und zeigen bereits einen Stand, bei dem schon nutzbare Aussagen für die 3-D-Integration gewonnen werden können. So weisen SAM-Aufnahmen auf unzulässig große Schwankungen der Ätztiefe von ungefüllten TSV hin (Abbildung 4) oder zeigen unvollständige Klebungen gedünnter Wafer auf Trägerwafern auf.

Abb. 4: Messprinzip für die SAM-Abbildung geätzter TSV von der Rückseite eines gedünnten Wafers (oben) und Messung (C-Scan) eines TSV-Arrays, welche auf schwankende Ätztiefen hinweist.

Auftraggeber/Kooperation

Die Untersuchungen und Entwicklungen werden für die beim Fraunhofer IZM-ASSID auftretenden Aufgabenstellungen durchgeführt. Sie erfolgen in enger Kooperation mit den Geräteherstellern PVA Tepla (SAM), X-Radia (Nano-XCT) und Carl Zeiss (FIB/SEM).