IMEC Defekte in 3D-Chips lokalisieren

Mit Lichtwellen die Fehler lokalisieren.
Mit Lichtwellen die Fehler lokalisieren.

Forscher am Imec haben eine Technik entwickelt, mit der sich Verbindungsfehler in 3D-ICs zerstörungsfrei und kosteneffektiv auf Wafer-Ebene lokalisieren lassen.

An 3D-Chips mit Through-Silicon-Vias (TSVs) wird schon lange gearbeitet, denn zum einen bietet diese Integrationsform die Möglichkeiten, die Baugröße klein zu halten, dank kürzerer Verbindungswege die Geschwindigkeit deutlich zu steigern und Komponenten, die mit unterschiedlichen Fertigungstechnologien zu kombinieren. Und auch wenn schon lange an dieser Technologie entwickelt wird, zählt sie dennoch zu einer eher jungen Technik, die neue Probleme mit der Zuverlässigkeit aufwerfen. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass die TSVs (Durchkontaktierungen), mit denen die gestapelten Chips miteinander verbunden werden, offene Verbindungen oder Kurzschlüsse aufweisen können. Denn die Herstellung dieser TSVs ist alles andere als trivial und umfasst Prozesse wie tiefes Si-Ätzen, Abscheidung von Metallbarrieren, Kupfergalvanisierung oder CMP (Chemical Mechanical Polishing: chemisch-mechanisches Polieren).

Diese 3D-spezifischen Prozesse bringen Probleme mit der Zuverlässigkeit und neue Fehlermechanismen mit sich, die neue Methoden der Fehleranalyse (FA) benötigen, welche wiederum notwendig ist, um wertvolle Informationen zu erhalten, um das Verfahren zu verbessern oder zu korrigieren, um die Qualität und Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Laut Imec gibt es bislang nur wenig zerstörungsfreien Techniken, mit denen Verbindungsfehler in 3D-Chips lokalisiert werden können. Dazu zählen Magnetfeld-Imaging (MFI), Lock-in-Thermographie und EOPTR (Electro Optical Terahertz Pulse Reflectometry), die alle Vor- und Nachteile aufweisen, die aber vor allem hochspezialisierte und teure FA-Vorrichtungen benötigen, die in vielen Labors gar nicht zur Verfügung stehen.

Um also eine schnelle, kosteneffektive und skalierbare Fehleranalyse zu realisieren, hat das Imec mit LICA eine neue Methode entwickelt, um Verbindungsfehler in 3D-Chips zu lokalisieren. LICA steht für Light Induced Capacitance Alteration (eine durch Licht induzierte Kapazitätsänderung), und nutzt die Photokapazität von TSVs zur Lokalisierung von Fehlern. Denn fällt Licht auf ein TSV – das Imec nutzt einen fokussierten Laserstrahl, um die TSVs zu illuminieren, ändert sich die elektrische Kapazität des funktionierenden TSVs. Ist das TSV allerdings fehlerhaft und das Licht scheint auf diese Position, wird keine Kapazitätsänderung detektiert, weil die elektrische Verbindung zum Messgerät unterbrochen ist. Ergo: der Fehler ist lokalisiert. Und dieses Verfahren hat noch einen weiteren Vorteil: Es sind nur ein Laser-Scanning-Mikroskop, eine Probing-Station und ein Kapazitätsmessgerät notwendig.

Die Lichtempfindlichkeit der TSV-Kapazität hängt von Faktoren wie Lichtwellenlänge und Messfrequenz ab. Die Forscher vom Imec haben die Auswirkungen dieser Faktoren untersucht, um die optimalen Messbedingungen für eine maximale Signalstärke zu bestimmen. Es hat sich herausgestellt, dass bis zu 70 Prozent der TSV-Kapazität unter optimalen Bedingungen lichtempfindlich gemacht werden kann. Nachdem das Signal typischerweise in einem Bereich von 10 bis 15 F liegt, könnten kommerziell verfügbare Kapazitätsmessgeräte genutzt werden. »Könnten«, weil die Empfindlichkeit dieser Messgeräte zwar für einzelne Die-Messungen ausreicht, die Messzeit für ein Screening auf Wafer-Ebene aber viel zu hoch ausfällt. Deshalb hat das Imec auch noch ein empfindliches Messgerät entwickelt, mit dem sich die Messzeit von Stunden auf Minuten reduzieren lässt.

Das Imec hat seine Technik bereits evaluiert und getestet. Dafür wurde eine 3D-Struktur mit 650 TSVs und einem Pitch von 20 µm und einer offenen Verbindungen untersucht, und: die offene Verbindung konnte mit einem Laserstrahl und differenzieller Kapazitätsmessung lokalisiert werden. Die benötigte Messzeit, um den Fehler zu lokalisieren, betrug weniger als fünf Minuten, wobei die Forscher überzeugt sind, sich diese Zeit mithilfe einer Optimierung der Geräte bis auf weniger als eine Minute reduzieren lässt.

Die LICA-Technik hat allerdings eine Einschränkung: Der interessierte Bereich muss für den Laser zugänglich sein, denn Metalllagen, Underfill und Epoxy-Materialien blockieren den Weg des Lichts. Das wird genau dann zum Problem, wenn die Fehler in den mittleren oder untersten Chips auftreten. Deshalb entwickelt das Forscher-Team derzeit eine zweite, ähnliche Technik, die auf thermischen und nicht auf Lichtwellen basiert. Damit wäre dieses Problem behoben, denn thermische Wellen können die oben genannten Materialien problemlos durchdringen und somit also alle Defekte lokalisieren, egal wo sie liegen.