Für zuverlässige Elektronik – Experten der Fehleranalytik treffen sich in Halle

Um die Packungsdichte und Leistung von mikroelektronischen Bauteilen weiter zu erhöhen, setzen viele Hersteller auf die Ausnutzung der dritten Dimension mit gestapelten Chipaufbauten.

»Diese neuen Bauteil-Architekturen mit neu entwickelten Verbindungstechnologien bringen enorme technische Herausforderungen für die Herstellung entlang der Produktionskette mit sich. Dabei sind auch zahlreiche neue Fehlerbilder aufzuklären«, sagt Frank Altmann vom Center für angewandte Mikrostrukturdiagnostik (CAM) am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Halle.

Mit seiner Gruppe hat er sich auf die Fehlersuche an mikroelektronischen Bauteilen spezialisiert und entwickelt geeignete Analysetechniken. Zu seinen Kunden gehören namhafte Halbleiterfirmen wie Infineon, BOSCH und Micronas in Deutschland oder Freescale, IBM und Intel in den USA.

Besonderes Augenmerk legt Altmanns Gruppe auf die so genannten TSVs (through silicon vias), eine innovative Verbindungstechnik, die gerade aus der Forschung in die Massenproduktion überführt wird. Bei diesen vertikalen Durchkontaktierungen zwischen übereinander liegenden Halbleiterchips sind die Bauelemente über sehr kurze Signalwege miteinander verbunden, was die Performance gegenüber bisherigen Drahtbondverbindungstechniken deutlich erhöht.

»Die TSV-Technologie birgt viele Fehlerquellen, die aber nicht so leicht zu finden sind«, so Altmann weiter. Der Unterschied in der thermischen Ausdehnung von Kupferfüllung und umgebenden Silizium des Chips verursacht enorme mechanische Spannungen, die zu inneren Schäden führen können. Aber auch die großflächigen ultradünnen Isolierungen der TSV-Wände sind bei nur geringsten Produktionsabweichungen häufige Ursachen für elektrische Kurzschlüsse.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik mit seinem Center für angewandte Mikrostrukturdiagnostik (CAM) begleitet seit Jahrzehnten die großen Chiphersteller bei der Umstellung von Produktionsprozessen und erarbeitet mit namhaften Geräteherstellern wie ZEISS und PVA Tepla in Deutschland oder den US-amerikanischen Firmen FE und DCG Systems die notwendigen Diagnostiktechniken, um eine präzise und hochgenaue Fehleranalytik auf kleinstem Raum möglich zu machen.

»Diese Verfahren müssen geeignet kombiniert werden, um erfolgreich Fehler finden und deren Ursachen ermitteln zu können«, sagt Altmann. Zum Beispiel entwickeln die Forscher hochsensitive Wärmebildtechniken wie die Lock-in-Thermographie, die das Auffinden von Kurzschlüssen über deren minimale widerstandsbedingte Aufheizung im Bereich von weniger als einem Tausendstel Grad ermöglichen.

Danach greifen die Wissenschaftler des CAM sinnbildlich zum Nanoskalpell: mit fokussierten Laser- und Ionenstrahlen wird der Fehlerbereich im Mikrometerbereich chirurgisch heraus getrennt und für die elektronenmikroskopische Analyse zugänglich gemacht. Die Forscher des IWM verfügen dazu über eine beispiellose Ausstattung an modernen Diagnostikverfahren.

Mit einem der weltweit besten Durchstrahlungs-elektronenmikroskope schauen sich Altmann und seine Kollegen die gefundenen Defektstellen in Nanometerauflösung an und analysieren anhand von charakteristischer Röntgenstrahlung deren chemische Zusammensetzungen. So können sie beispielsweise sehen, ob das Leitermaterial des TSV durch die Isolationsschicht gedrungen ist und für den Kurzschluss verantwortlich ist.

Seine Arbeiten stellt Altmann am Mittwoch auf dem diesjährigen Workshop des Fraunhofer CAM vor. Unter dem Titel »Advanced Failure Analysis and Reliability Assessment in 3D and Heterogenous Microelectronic Integration« findet diese Veranstaltung bereits zum 3. Mail unter der Leitung von Professor Matthias Petzold, dem Leiter des IWM/CAM, in Halle statt.

Am 9. und 10. April 2014 treffen sich dort über 130 Wissenschaftler und Entwickler aus unterschiedlichen Branchen der Halbleiterindustrie. Das Workshopprogramm mit Beiträgen von international renommierten Forschungsinstituten wie IMEC in Belgien, RTI International in den USA und LETI in Frankreich sowie namhaften Halbleiter- und Geräteherstellern wie Global Foundries, Infineon, ZEISS-XRADIA aus Deutschland, FEI aus Niederlanden und Neocera aus USA wird ergänzt durch eine Messeausstellung.

Thematisch bietet der CAM-Workshop damit vor allem der Industrie eine Plattform für den Informationsaustausch zu den Themen der Fehleranalyse in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Bereits jetzt steht fest, dass dem diesjährigen Fokus dreidimensionaler Chip-Architekturen und ihren Herausforderungen im folgenden Jahr ein Schwerpunkt-Programm zur Fehleranalyse für die Automobilelektronik folgen wird.

http://www.cam.fraunhofer.de/events/fraunhofer-cam-workshop-2014/ – offizielle Webseite des Workshops
http://www.iwm.fraunhofer.de/geschaeftsfelder/komponenten-der-mikroelektronik-un… – Mehr zum Thema