Temperaturänderungen bewirken erhebliche mechanische Spannungen in einem mikroelektronischen Chip. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Chip im Allgemeinen aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut ist: einem Halbleitersubstrat sowie mehreren Schichten individuell strukturierter Dielektrika und Metallisierungen. Während des Betriebs können Chips in leistungselektronischen Anwendungen Hochleistungspulsen ausgesetzt sein, die extremes Aufheizen bewirken. Innerhalb einer Zeitspanne von weniger als einer Millisekunde ist ein Temperaturanstieg von einigen Hundert Kelvin möglich, was einer Heizrate in der Größenordnung von 10⁶ K/s entspricht. Es ist bekannt, dass wiederholende Belastungen dieser Art zu thermo-mechanischer Ermüdung der integrierten Metallisierungen führen. Dies stellt ein ernstzunehmendes Zuverlässigkeitsproblem dar.
In der Vergangenheit wurde mittels unterschiedlicher Ansätze versucht, die oben genannten thermischen Belastungszustände nachzuahmen, indem einfachere Teststrukturen wie zum Beispiel Waferstücke mit einer Metallisierungsbeschichtung anstelle von aktiven mikroelektronischen Chips beheizt wurden. Durch die Kombination solcher thermischen Wechselbelastungsexperimente mit unterschiedlichen intermittierenden oder In-situ-Charakterisierungsmethoden wurden das thermo-mechanische Ermüdungsverhalten sowie die Degradationsentwicklung in umfassender Weise bewertbar, um vorherrschende Ermüdungsmodi zu identifizieren. In Bezug auf das Ziel, unter anwendungsrelevanten Bedingungen zu testen, sind die in der Literatur verwendeten Heizkonzepte entweder hinsichtlich der erreichbaren Heizraten oder des strukturellen Aufbaus der zu untersuchenden Metallisierung stark eingeschränkt.
Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung neuartiger Methoden für die umfassende Bewertung des thermo-mechanischen Ermüdungsverhaltens einer 20 µm dicken Kupfermetallisierung unter Bedingungen, die für Leistungshalbleiteranwendungen relevant sind. Als Mittel für die Replikation solcher Bedingungen werden speziell entwickelte, aktiv beheizte Testchips, sogenannte Poly-Heizer, als Testobjekte eingesetzt und ein dazugehöriger Versuchsaufbau für deren Ansteuerung eingeführt. Neben der Ansteuerung ermöglicht der Versuchsaufbau den Aspekt der umfassenden Charakterisierung in zweierlei Hinsicht. Erstens bietet er die Möglichkeit, einzelne Parameter des automatisierten Belastungstests zu variieren, nämlich (i) den Temperaturhub und (ii) die Dauer eines thermischen Pulses sowie (iii) die Wiederholungsfrequenz der Pulse und (iv) die Anzahl der insgesamt aufzubringenden Pulse. Zweitens ermöglicht der Versuchsaufbau die In-situ-Überwachung des fortschreitenden Degradationsprozesses mittels automatisierter rasterelektronenmikroskopischer Bildaufnahmen und elektrischer Widerstandsmessungen, die während des Verlaufs eines Belastungstests durchgeführt werden. Durch solche Untersuchungen werden die Auswirkungen der Parameter Basistemperatur und Heizrate auf das Ermüdungsverhalten der untersuchten Kupfermetallisierung erforscht. Da Ermüdung im Frühstadium in Form von innerer Porenbildung sowohl anhand rasterelektronenmikroskopischer Bilder als auch elektrischer Widerstandsmessdaten kaum detektierbar ist, wird eine Methode für ihre quantitative Auswertung ausgearbeitet. Elektropolieren wird im innovativen Kontext einer Präparationsmethode verwendet, bei der Material entlang lateraler Richtung der Metallisierung abgetragen wird und dadurch im Inneren befindliche Degradationserscheinungen für die nachfolgende Charakterisierung freigelegt werden. Speziell für die Untersuchung des Ermüdungsmodus Delamination wurde ein neuartiger Sensor entworfen und auf einem Poly-Heizer-Testchip realisiert. In Verbindung mit dem vorgestellten Versuchsaufbau ermöglicht der Sensor die Überwachung des zyklischen Delaminationsfortschritts während eines thermo-mechanischen Ermüdungsversuchs durch Messungen des Delaminationssensorwiderstands.
Daten, die durch Anwendung der innerhalb dieser Arbeit entwickelten Methoden gewonnenen wurden und das thermo-mechanische Ermüdungsverhalten der untersuchten Kupfermetallisierung quantifizieren, können für die Kalibrierung verschiedener Material- und Degradationsmodelle verwendet werden. Dazu gehören thermo-kinetische Modelle, numerische Ermüdungsschädigungsmodelle und zyklische Kohäsivzonenmodelle, die für die Simulation von Porenbildung, Rissentstehung und -ausbreitung bzw. Delamination verwendet werden können.