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2005年9月号
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CMPやRIEを駆使し裏面故障解析を行う |
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Laura Peters |
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ダイサイズの縮小は、補強するためのレイヤーを追加せずにパッド下への能動回路の数を増加させている。Cu/Low-k多層配線と組み合わされ、このパッド下の回路（CUP：Circuit-under-pad）構造は、電気欠陥・故障解析（FA：Failure Analysis）を行う上での課題となっている。この場合、ドライエッチング（RIE：Reactive Ion Etch）とCMP（Chemical Mechanical Planarization）、ウェットエッチング、FIB（Focused Ion Beam）とSEMによる裏面FAの方が表面FAより容易となる。米Agere Systems社のHuixianWu氏らは、2005年4月に米カリフォルニア州サンノゼで開催されたInternational Reliability Physics Symposiumにおいて5つのケーススタディで信頼性の問題に関するさまざまな方法を報告した。
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CMPとアニールは、プロセス中に大きな歪みエネルギーを発生させる。この歪みエネルギーは、パッケージ工程でダイシングやワイヤボンディング、フリップチップ、リードフレームの封止工程などを経ることでさらに悪化する。蓄積された歪みエネルギーにより信頼性ストレス試験を行っている間に剥離や損傷が発生する。
CUP構造では、Auボールがボンドパッド上に配置されているので、熱および光の透過を阻み、裏面の欠陥を特定することが可能となる。また、通常Auボールの除去に使用される薬液はCu配線とバリア層をエッチングする。Auボールの平行研磨はひびや剥離を引き起こす場合がある。RIEを使用したCu/Low-k膜の除去には、エッチング選択比の最適化が必要で、RIEによりウェーハ表面を荒さないようにしなければならない。
裏面FAには、裏面試料調製、裏面欠陥の発生場所の特定および裏面物理分析の主要な3ステップがある。
この研究では、AgereのエンジニアはプラスチックBGAのSiの薄型化に米Hypervision社の「Chip Unizip」で機械的なミリングを行い、RIEと組み合わせて100μmまで薄くした。ピンからピンへの曲線追跡を行う間に裏面にFMI（Fluorescent Microthermal Imaging）を使用し欠陥を特定した。裏面の液晶分析においても同じ熱放射が検出された。
周囲のパッケージからのSiチップの取り出しには、RIEと平行研磨（Si 5μm以下）を適用した。そして、70℃のTMAH 20％で選択的にエッチングを行い、ゲート酸化膜からSiを均一に取り除いた。ゲートレベルの物理FAは、超薄膜の酸化膜破壊やストレス起因のリーク電流やトラップによるトンネル結合などを明らかにすることができる。 |
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蓄積された歪みエネルギーにより
信頼性ストレス試験を行っている間に
剥離や損傷が発生する |
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表面のFAと同様のCMP、RIEおよびウェットエッチングを行えば、裏面メタル配線層の解析することが可能になる。マルチステップCMPでスラリー、パッドタイプ、圧力または回転速度を最適化することで結果を最適化できる。
Cuバリア膜と絶縁膜との界面は、腐食や割れと同様に除去し易い。また、湿気も界面の接着性に影響する。
Low-k膜の弱い機械的性質と不十分な密着性が、割れや界面破損の原因となる。主な故障原因は、バリア/絶縁膜界面の剥離や機械的な故障である。故障モードは、プロセス条件と強く関係しており、興味深いことにストレステストの条件とはあまり関連していなかった。
ケーススタディ#1では、ゲートレベルの欠陥は全く見つけられなかった。しかし、裏面FMIで欠陥を隔離した後、SEMで分析したところ、第5層のCuでEOS（Electrical Over Stress）ダメージがあったことが示された。一方、ケーススタディ#2でも、ゲートレベル欠陥は全く見つけられなかったが、第5層と第6層メタルに熱放射で異常が見られた。SEMによる分析ではメタル中にひびが発見された。ケーススタディ#3では、CMP時に第4層と第5層で異常が明らかになった。同様にケーススタディ#4では、光学像を見るとCMPとウェットエッチングの後に異常が発見された。蛇行/くし構造のエッジのSEM画像では、ひび、Cuの押出し、およびCuボイドが発生しており、EOSによって引き起こされたと考えられる。ケーススタディ#5では、光学像でメタル第5層の蛇行構造のエッジに欠陥を見つけた。 FIB-SEMで分析を行ったところ、ひびに沿ってチップのひびとCuマイグレーションが見られた。この損傷はEOSによって誘発された熱で発生したと見られる。 |
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