Untersuchungen der Kontakteigenschaft beim Testen von integrierten Schaltungen (PDF)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Kontakteigenschaften beim Testen von integrierten Schaltungen. Der Schwerpunkt liegt darauf, ein besseres Verständnis für die Mechanismen und physikalischen Eigenschaften des elektrischen und mechanischen Kontaktes zwischen den Probing-Nadeln und den Pads zu erhalten. Entscheidend dabei ist der Zusammenhang zwischen elektrischem Kontaktwiderstand und den auftretenden mechanischen Kräften. Um die einwirkenden Kräfte, in normaler und lateraler Richtung, und den elektrischen Widerstand in situ und unter Echtzeitbedingungen zu messen, ist ein spezieller Messplatz entwickelt und aufgebaut worden.

Durch die stetige Erhöhung der Integrationsdichte werden bei aktuellen Produkttechnologien die Probing Pads über aktives Schaltungsgebiet gelegt, um weiter Chipfläche einzusparen. Dadurch kommt es vermehrt zu Ausfällen der getesteten Schaltungen, da die Isolationsschichten zwischen den Metallisierungsebenen aufgrund des Krafteintrages durch die Probing-Nadeln mechanisch zerstört werden. Eine Reduzierung der einwirkenden Kräfte bedingt in der Regel eine Verschlechterung des elektrischen Kontaktwiderstandes. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Messplatz wird der Zusammenhang zwischen mechanischen und elektrischen Kontakteigenschaften untersucht. Dabei hat sich herausgestellt, dass das natürliche Aluminiumoxid auf den Probing Pads nicht den alleinigen Grund für eine Verschlechterung des Kontaktwiderstandes darstellt, wie häufig in Veröffentlichungen nachzulesen. Die Messungen haben gezeigt, dass auf Aluminium ein vergleichbarer elektrischer Kontaktwiderstand wie auf Gold erreicht werden kann. Jedoch sind die auftretenden Kräfte bei gleichen Bedingungen auf Aluminium höher. Mit dem Ziel, den Krafteintrag bei gleich bleibendem Widerstand zu reduzieren, sind verschiedene Reinigungsverfahren zur Entfernung der Aluminiumoxidschicht evaluiert worden. Dabei zeigte sich, dass eine Entfernung des Oxides mit den untersuchten Verfahren nur schwer möglich ist. Ferner haben Messungen gezeigt, dass durch eine Entfernung des Oxides und anschließende “saubere“ Oxidation keine Verbesserung der Kontakteigenschaften erzielt werden kann.

Untersuchungen von Wafern aus der industriellen IC-Produktion haben verdeutlicht, dass aufgrund des Herstellungsprozesses mit zusätzlichen Kontaminationen auf der Padoberfläche zu rechnen ist. Entsprechende XPS-Analysen veranschaulichen, dass ein erheblicher Anteil an Fluorkontaminationen auf der Oberfläche zu finden ist. In Verbindung mit den durchgeführten Probing-Versuchen zur Bestimmung der Parameter, Kontaktwiderstand und Kraft, kann ein direkter Zusammenhang zwischen Fluorkontaminationen und elektrischem Kontaktwiderstand hergestellt werden. Durch die Kontaminationen bildet sich eine isolierende Schicht zwischen Probing-Nadel und Padoberfläche, was zu einem gravierenden Anstiegdes Widerstandes führt. Die Betrachtung der theoretischen Beschreibung des elektrischen Kontaktwiderstandes bestätigt die experimentell erzielten Ergebnisse. Der Widerstandswert wird hauptsächlich durch das Vorhandensein von Verunreinigungen auf der Oberfläche beeinflusst. Aus diesem Grund beschäftigt sich die Arbeit im Weiteren mit möglichen Verfahren zur Entfernung der Kontaminationen.

Ausgehend von den durchgeführten Untersuchungen werden sowohl trockenchemische Plasmaprozesse wie auch nasschemische Prozesse näher betrachtet. Eine Möglichkeit stellt die Zugabe von Wasserstoff direkt zu dem Fluorplasma dar, durch das die Verunreinigungen verursacht werden. Die Wafer werden praktisch während der Prozessierung einem in situ HF-Dip unterzogen, wodurch die Kontaminationen verringert werden und somit eine Verbesserung des Kontaktwiderstandes erzielt wird. Die nachträgliche Behandlung von verunreinigten Proben durch ein Sauerstoffplasma führt zu einer Verbesserung der Kontakteigenschaften, da die Fluorkontaminationen reduziert werden. Zusätzliche Experimente mit einem reinen Wasserstoffplasma zeigen ebenfalls gute Ergebnisse hinsichtlich einer Verbesserung der Probing-Eigenschaften. Durch die nasschemische Reinigung mit Tetrachlorethylen kann ebenfalls eine Verbesserung des Kontaktwiderstandes realisiert werden, jedoch bei ansteigenden Kräften.

Die in dieser Arbeit zusammengefassten Ergebnisse zeigen deutlich, dass ein direkter Zusammenhang zwischen Verschlechterung der Kontakteigenschaften und Fluorkontaminationen besteht. Mit den untersuchten Reinigungsverfahren können diese entfernt und eine Verbesserung der Performance beim Probing erzielt werden.