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Bewertung der Zuverlässigkeit von Gold-Mikrokontakten in Bezug auf die Schädigung durch Elektromigration
Bewertung der Zuverlässigkeit von Gold-Mikrokontakten in Bezug auf die Schädigung durch Elektromigration
Kleff, Jessica
Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien
Die Elektromigration ist ein Fehlermechanismus, dessen Bedeutung aufgrund anhaltender Miniaturisierung zunimmt. Aufgrund eines Impulsübertrags des sogenannten Elektronenwindes auf aktivierte Metallionen kommt es zu einem Materialtransport in stromdurchflossenen Leitern. Die Materialcharakterisierung bezüglich der Elektromigrationsbeständigkeit wird somit immer wichtiger. Aufgrund der Materialeigenschaften von Gold im Vergleich zu Kupfer wäre es wahrscheinlich, dass Gold eine ähnliche oder sogar eine höhere Elektromigrationsbeständigkeit als Kupfer besitzt. Zusätzlich hat Gold eine Reihe von Vorteilen in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Die in der Literatur vorhandenen Ergebnisse von Untersuchungen an Gold-Dünnfilmschichten können nicht auf Mikrokontakte übertragen werden. Es wurde daher in dieser Arbeit eine vollständig neue Teststruktur entwickelt, die Elektromigrationsuntersuchungen an freistehenden Mikrokontakten ermöglicht. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit neu entwickelte Struktur beinhaltet zwei Bumps, die mittels Leiterbahnen substratseitig kontaktiert sind und deren Oberseiten elektrisch verbunden sind. Die komplette Struktur wird auf einem Siliziumwafer galvanisch abgeschieden, sodass der Einfluss eines Bondinterfaces ausgeschlossen werden kann. Um das Migrationsverhalten der Struktur beurteilen zu können, wurde eine thermoelektrische Simulation zur Ermittlung der Temperaturverteilung, des Temperaturgradienten, der Stromdichte sowie der Materialflussdichten der Elektromigration und der Thermomigration durchgeführt. Es wurden die Ableitungen bzw. Divergenzen der Materialflussdichten bestimmt. Die galvanisch hergestellten Proben wurden mit unterschiedlichen Stromdichten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen betrieben. Der Ausfall und somit die Lebensdauer wurde mittels einer Vierdraht-Widerstandsmessung der Kontakte festgestellt. Des Weiteren wurden zur genaueren Untersuchung des Ausfallorts und der Porenverteilung Rasterelektronenmikroskopaufnahmen gemacht. Zur Beurteilung des Einflusses der Vorbehandlung auf die Lebensdauer wurden in dieser Arbeit erstmalig Messungen an galvanisch abgeschiedenen Proben, die unterschiedlich ausgelagert wurden, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der gewählte Auslagerungsprozess sehr großen Einfluss auf die Lebensdauer hat. Aufgrund der Ergebnisse der höher getemperten Proben konnte mithilfe der Blackschen Gleichung eine Aktivierungsenergie der Elektromigration von 1,36 eV bestimmt werden. Unter Berücksichtigung weiterer Effekte ergibt sich eine Aktivierungsenergie der Korngrenzendiffusion von 1,46 eV. Es wurde ein stark vereinfachtes Modell für das Porenwachstum im Mikrokontakt entwickelt. Der daraus abgeleitete Verlauf der Widerstandsänderung stimmt sehr gut mit dem Experiment überein. Auch der aus der Simulation bestimmte Ausfallort ist bis auf wenige Proben korrekt. Des Weiteren wurde eine mathematische Beschreibung entwickelt, die die experimentell ermittelten Lebensdauern nachbildet. Mögliche physikalische Prozesse zur Erklärung der mathematischen Beschreibung werden genannt. Die Ergebnisse zeigen, dass die alleinige Berücksichtigung des Porenwachstums nicht ausreicht, um den Ausfall zu beschreiben. Weitere Effekte wie Porennukleation, Ausgasen und Ausheilen müssen berücksichtigt werden. Das Modell verbindet zwei Prozesse, die sich überlagern und deren Einfluss vor allem durch die vorhergehende Auslagerung bestimmt wird. Des Weiteren ist der aus dem Blackschen Modell geläufige Zusammenhang von Lebensdauer und Stromdichte nicht anwendbar: Es existiert eine Stromdichteabhängigkeit, die aus der Literatur nicht bekannt ist und im Rahmen dieser Arbeit wegen fehlender umfangreicherer Messungen noch nicht erklärt werden konnte. Durch den in dieser Arbeit vorgestellten Vergleich der Lebensdauer von galvanisch abgeschiedenen Goldkontakten bei unterschiedlichen Auslagerungsprozessen konnte gezeigt werden, dass viele Einflüsse und Bedingungen die Lebensdauerergebnisse verändern. Die möglicherweise beteiligten physikalischen Prozesse lassen darauf schließen, dass experimentelle Ergebnisse nur für ein bestimmtes Goldbad, einen bestimmten Abscheideprozess und einen bestimmten Auslagerungsprozess Gültigkeit haben. Insgesamt liefert die Arbeit wesentliche Resultate, die bei der Verwendung von Gold-Mikrokontakten bezüglich der Migrationsbeständigkeit jetzt berücksichtigt werden müssen. Die neuen Erkenntnisse aus dieser Arbeit stellen damit eine wertvolle Basis für weitere notwendige Untersuchungen dar.
Electromigration is a failure mechanism, whose impact is increasing due to on going miniaturisation. Due to a momentum transfer of the so called electron wind to activated metal ions, material is transported in current flown conductors. The material characterisation in regard to the electromigration withstand becomes more and more important. Due to material properties of gold in comparison to copper it is likely, that gold has a similar or even better electromigration resistance than copper. In addition gold has several advantages regarding packaging technology. Results of investigations done with gold thin-film layers are presented in literature. These cannot be transferred to micro contacts. Therefore a completely new test structure has been developed, which enables electromigration tests on free-standing micro contacts. The test structure, which has been developed within the framework of this work, consists of two micro contacts, which are connected on the substrate side by a conductor path. The top sides of the micro contacts are electrically connected. The whole structure is electroplated on a silicon wafer with under bump metallisation, to eliminate the influence of a bonding interface. To evaluate the migration behaviour of the structure, a thermo electrical simulation has been done: The temperature distribution, temperature gradient, current density as well as the mass flux densities of electromigration and thermomigration have been determined. Mass flux derivations respectively divergences have been calculated. The electroplated samples are stressed with different current densities and different temperatures. The failure and therefore the lifetime has been monitored by a four-terminal sensing of the contacts. Further analyses by scanning electron microscopy as well as focused ion beam have been done to determine the position of the failure as well as the void distribution. To evaluate the impact of a pretreatment on the lifetime, measurements of electroplated structures with different pretreatment profiles have been done for the first time. The results point out that the pretreatment profile has a very big influence on the lifetime results. Due to the results of highly pretreated structures, an activation energy of electromigration of 1.36 eV has been determined by means of Black's equation. Considering further effects, an activation energy of grain-boundary diffusion of 1.46 eV has been calculated. A highly simplified model for the void growth in the micro contact has been developed. The derived resistance change is in good agreement with the results of the experiments. The failure position determined by the simulation is identical with the results of the cross sections except for a few cases. In addition a mathematical description of the lifetime results has been determined. Possible physical processes to explain this description are given. The results show that an exclusive consideration of void growth is not sufficient to describe the degradation. Further effects like void nucleation, outgassing and annealing have to be considered. The model combines two processes which are overlaid and whose impact depends on the pretreatment step. Furthermore the relation of lifetime and current density of Black's equation is not applicable: A dependence of the current density which is not known from literature exists. This dependence has not been clarified in this work due to missing more comprehensive experimental data. Due to the presented comparison of electroplated gold micro contacts regarding different pretreatment profiles, it has been shown that various influences and conditions change the lifetime results. By possibly involved physical processes one can conclude that the experimental results are only valid for a certain plating bath, a certain plating process as well as a certain pretreatment profile. In total, this work provide essential results, which now have to be considered regarding the electromigration reliability of gold micro contacts. This new knowledge represents a valuable basis for further required investigations.
