DRAM 소자의 PCT 신뢰성 측정 후 비정상 AlXOY 층 형성에 의해 발생된 불량 연구 A Study of Failure Mechanism through abnormal AlXOY Layer after pressure Cooker Test for DRAM device원문보기
본 연구에서는 DRAM 소자의 Pressure Cooker Test (PCT) 신뢰성 평가 후 발생한 불량 원인에 대한 연구를 진행하였다. 불량 시료의 물리적 관측 결과 변색, Al의 부식 및 손실, 그리고 금속 간 중간 절연막 박리 등이 관측되었다. 추가 물리적 화학적 분석 결과 비정상적인 물질인 $Al_XO_Y$ 층을 발견하였다. 불량 원인을 파악 하기 위해 package ball 크기 실험 및 보호막 pin hole 등의 연관성 실험을 진행하였으나 원인으로 판명되지 않았다. 또한 EMC 물질에 포함되어 있는 Cl에 의한 Al 할로겐화 평가를 진행하였다. 진행 결과 약간의 개선 효과를 보였지만 완벽한 문제 해결을 이루어 내지 못했다. Galvanic corrosion 가능성 가설을 세웠고, 면밀한 분석 결과 pad open 지역에서 Ti 잔존물을 발견할 수 있었다. 검증 실험으로 repair 식각 분리 실험을 진행하여 개선 효과를 보았다. 개선 된 조건에서 PCT 신뢰성 기준치를 만족 하는 결과를 얻었다. 금번 PCT 불량 메카니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다. 공정 repair etch시 Ti 잔류물이 남아 Galvanic 메커니즘에 의해 Al이 이온화 된다. 이온화 된 Al이 후속 PCT 신뢰성 측정 시 $H_2O$와 반응하여 비 정상 물질인 $Al_XO_Y$를 생성하였다.
본 연구에서는 DRAM 소자의 Pressure Cooker Test (PCT) 신뢰성 평가 후 발생한 불량 원인에 대한 연구를 진행하였다. 불량 시료의 물리적 관측 결과 변색, Al의 부식 및 손실, 그리고 금속 간 중간 절연막 박리 등이 관측되었다. 추가 물리적 화학적 분석 결과 비정상적인 물질인 $Al_XO_Y$ 층을 발견하였다. 불량 원인을 파악 하기 위해 package ball 크기 실험 및 보호막 pin hole 등의 연관성 실험을 진행하였으나 원인으로 판명되지 않았다. 또한 EMC 물질에 포함되어 있는 Cl에 의한 Al 할로겐화 평가를 진행하였다. 진행 결과 약간의 개선 효과를 보였지만 완벽한 문제 해결을 이루어 내지 못했다. Galvanic corrosion 가능성 가설을 세웠고, 면밀한 분석 결과 pad open 지역에서 Ti 잔존물을 발견할 수 있었다. 검증 실험으로 repair 식각 분리 실험을 진행하여 개선 효과를 보았다. 개선 된 조건에서 PCT 신뢰성 기준치를 만족 하는 결과를 얻었다. 금번 PCT 불량 메카니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다. 공정 repair etch시 Ti 잔류물이 남아 Galvanic 메커니즘에 의해 Al이 이온화 된다. 이온화 된 Al이 후속 PCT 신뢰성 측정 시 $H_2O$와 반응하여 비 정상 물질인 $Al_XO_Y$를 생성하였다.
This research scrutinizes the reason of failure after pressure cooker test (PCT) for DRAM device. We use the physical inspecting tools, such as microscope, SEM and TEM, and finally find the discolor phenomenon, corrosion of Al and delamination of inter-metal dielectric (IMD) in the failed devices af...
This research scrutinizes the reason of failure after pressure cooker test (PCT) for DRAM device. We use the physical inspecting tools, such as microscope, SEM and TEM, and finally find the discolor phenomenon, corrosion of Al and delamination of inter-metal dielectric (IMD) in the failed devices after PCT. Furthermore, we discover the abnormal $Al_XO_Y$ layer on Al through the careful additional measurements. To find the reason, we evaluate the effect of package ball size and pinhole in passivation layer. Unfortunately, those aren't related to the problems. We also estimate halide effect of Al. The halogens such like Cl are contained within EMC material. Those result in the slight improving of PCT characteristics but do not perfectly solve the problems. We make a hypothesis of Galvanic corrosion. We can find the residue of Ti at the edge of pad open area. We can see the improving the PCT characteristics by the time split of repair etch. The possible mechanism of the PCT failure can be deduced as such following sequence of reactions. The remained Ti reacts on the pad Al by Galvanic corrosion. The ionized Al is easily react with the $H_2O$ supplied under PCT environment, and finally transfers to the abnormal $Al_XO_Y$ layer.
This research scrutinizes the reason of failure after pressure cooker test (PCT) for DRAM device. We use the physical inspecting tools, such as microscope, SEM and TEM, and finally find the discolor phenomenon, corrosion of Al and delamination of inter-metal dielectric (IMD) in the failed devices after PCT. Furthermore, we discover the abnormal $Al_XO_Y$ layer on Al through the careful additional measurements. To find the reason, we evaluate the effect of package ball size and pinhole in passivation layer. Unfortunately, those aren't related to the problems. We also estimate halide effect of Al. The halogens such like Cl are contained within EMC material. Those result in the slight improving of PCT characteristics but do not perfectly solve the problems. We make a hypothesis of Galvanic corrosion. We can find the residue of Ti at the edge of pad open area. We can see the improving the PCT characteristics by the time split of repair etch. The possible mechanism of the PCT failure can be deduced as such following sequence of reactions. The remained Ti reacts on the pad Al by Galvanic corrosion. The ionized Al is easily react with the $H_2O$ supplied under PCT environment, and finally transfers to the abnormal $Al_XO_Y$ layer.
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문제 정의
본 연구는 DRAM 공정 기술을 적용하여 완성된 소자를 패키지 후공정까지 진행하여 제조한 완제품에 대한 PCT 신뢰성 평가를 진행하고 평가 기준을 통과하지 못하고 fail 처리된 시료에 대한 원인 파악 연구 결과이다. PCT 처리 후 전기적 측정에 의해 오동작 시료를 판별하였고, 이를 불량 분석 하기 위해 광학 장비를 통해 평면, 단면 촬영하여 불량 양상을 파악 하였다.
본 연구는 반도체 소자의 신뢰성 검사 중 하나인 PCT 검사 후 발생되는 불량에 대한 원인을 파악하고 개선 방법을 제안하는 연구를 수행하였다. PCT 후 발생된 불량시료에 대해 시각적, 물리적 관찰 결과는 변색, Al의 부식 및 손실, 그리고 스트레스에 의한 중간 절연막 융기 등이 발생하였다.
제안 방법
본 연구는 DRAM 공정 기술을 적용하여 완성된 소자를 패키지 후공정까지 진행하여 제조한 완제품에 대한 PCT 신뢰성 평가를 진행하고 평가 기준을 통과하지 못하고 fail 처리된 시료에 대한 원인 파악 연구 결과이다. PCT 처리 후 전기적 측정에 의해 오동작 시료를 판별하였고, 이를 불량 분석 하기 위해 광학 장비를 통해 평면, 단면 촬영하여 불량 양상을 파악 하였다. 또한 화학적 측정을 통해 불량 발생 지역에 대해 성분 분석을 진행 하였다.
Pad 주위의 TEM 관측 결과 Al grain boundary와 Al의 부식이 발생하는 사실을 발견하였고, 또한 불량률이 증가한 실험 시료군에 대해 Al의 부식이 매우 심한 현상을 관측 하였다. Al 부식관련 원인은 일반적으로 Galvanic corrosion을 메커니즘으로 생각할 수 있다.
이 가능성 파악을 위해 mass spectroscope를 이용하여 공정이 완료된 시료에 대해 성분 분석을 진행 하였으나 웨이퍼 내의 박막에 잔존하는 Cl, F 원소를 발견할 수 없었다. 다른 가능성으로 추가 연구를 진행하였는데 후 공정인 패키지 공정에서 사용하는 EMC 물질에 대한 성분 분석 결과 EMC 물질에서 Cl 원소가 함유 되어 있다는 사실을 발견하여 두 가지 EMC 종류에 대해 Cl 원소 함유량을 mass spectroscope를 이용하여 측정하여 Fig. 5에 나타내었다.
예를 들면 bonding ball 크기 변화 실험 및 보호막(passivation layer)에 존재하는 홀(hole) 연관성 등을 평가하였다. 또한 패키지 진행된 시료의 reverse engineering을 통해 패키지 물질을 제거하고 불량 지역에 대한 정확한 성분 분석 등을 진행하였다. 최종적인 발생 메커니즘을 제안하고 이를 증명하기 위한 backend 공정 조건 분리실험을 진행하고 이를 평가하였다.
PCT 처리 후 전기적 측정에 의해 오동작 시료를 판별하였고, 이를 불량 분석 하기 위해 광학 장비를 통해 평면, 단면 촬영하여 불량 양상을 파악 하였다. 또한 화학적 측정을 통해 불량 발생 지역에 대해 성분 분석을 진행 하였다. 분석 결과를 통해 발생 원인 메커니즘을 추정하고 이를 추가 실험 진행하여 메커니즘의 타당성 검증을 진행하였다.
PCT 후 나타날 수 있는 각종 불량 사례들을 알아보기 위해 다양한 측정 장비를 사용하였다. 먼저 표면에서 나타나는 변색(discolor), 부식(corrosion), 손상(crack) 등을 관찰하기 위해 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM), 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM)등을 사용하였으며 단면에서 나타날 수 있는 증상 및 각 층의 구성을 관찰하기 위해 질량분석계(mass spectrometer), 집속이온빔(focused ion beam, FIB)등을 활용하여 분석하였다. 또한 분석된 결과의 증명을 위해 Pad 식각 조건 분리 실험을 추가 진행하였다
위 메커니즘에 따라 비정상 물질인 AlXOY를 발생 시키지 않으려면 잔존 Ti를 완전히 제거 하는 것이 문제를 해결하는 근본책으로 생각되어 repair 식각 조건 분리 실험을 추가 진행하였다. 추가 분리 실험 조건 및 결과를 Table 1에 나타내었다.
또한 패키지 진행된 시료의 reverse engineering을 통해 패키지 물질을 제거하고 불량 지역에 대한 정확한 성분 분석 등을 진행하였다. 최종적인 발생 메커니즘을 제안하고 이를 증명하기 위한 backend 공정 조건 분리실험을 진행하고 이를 평가하였다.
대상 데이터
실험을 위한 시료 제작은 표준 CMOS 공정을 채택하여 진행하였다. 소자 분리를 위해서 얇은 트렌치 분리(Shallow Trench Isolation, STI) 기술을 이용하였고 CMOS 소자를 제작하기 위해 Twin well을 형성하였다.
데이터처리
또한 화학적 측정을 통해 불량 발생 지역에 대해 성분 분석을 진행 하였다. 분석 결과를 통해 발생 원인 메커니즘을 추정하고 이를 추가 실험 진행하여 메커니즘의 타당성 검증을 진행하였다. 예를 들면 bonding ball 크기 변화 실험 및 보호막(passivation layer)에 존재하는 홀(hole) 연관성 등을 평가하였다.
성능/효과
1은 패키지(package)까지 진행된 소자(chip)에 온도 120oC의 조건과 상대습도 100%의 조건에서 96시간 PCT 평가 후 오동작을 발생시키는 시료를 리버스 엔지니어링(reverse engineering)을 통해 패키지 물질과 중간 삽입물(intermetallic compound)들을 제거하고 고 배율 광학현미경으로 관측한 결과이다. PCT 결과는 48시간, 96시간 두 조건 모두에서 오동작 소자가 발생하고 PCT 시간이 더 긴 96시간에서 오동작이 발생하는 빈도수가 증가하는 전형적인 신뢰성 측정 결과를 보였다. 오동작 시료의 현미경 관측 결과 금속 패드(pad) 주위에 변색(discolor) 현상이 다수 관찰되나 PCT를 통과한 시료의 경우에는 이러한 변색등이 관찰 되지 않았다.
이와 신뢰성 불량에 대한 연관성을 증명하기 위해 repair 식각 분리 실험을 진행하여 baseline 식각 보다 추가 식각을 진행한 시료에서 PCT 판정에 통과하는 결과를 보이고 최종적으로 물리적 관찰 결과와 일치함을 발견했다. 결과적으로 본 연구에서 발생된 PCT 불량은 공정 진행에서 repair etch시 Ti 잔류물이 남고 Galvanic 메커니즘에 의해 Al의 이온화 되고 후속 PCT 신뢰성 측정 시 H2O와 반응하면서 비 정상 물질인 AlXOY를 생성한 것이 원인으로 판단한다.
성분 분석 결과 Al, Si은 공정상 예견되는 원소이나 산소는 매우 이례적인 원소로 볼 수 있다. 미 확인 물질의 위치를 감안하여 확인 결과 비정상 물질 구성은 Al과 O로 구성되어 있는 AlXOY 층임을 알 수 있고, 보호막으로 사용된 질화막 아래 산화막인 SiO2 층(first passivationlayer)은 손실 없이 비교적 양호하게 분포되어 있고, 배리어 메탈(barrier metal) 또한 산화가 일어나지 않았음을 알 수 있었다. 물리적으로 큰 부피를 갖고 새롭게 형성되고 성장된 물질 AlXOY 층은 패드 주위에 스트레스를 인가하고 추가적으로 금속간 배선 절연막의 분리 및 융기를 발생한 원인으로 추론된다.
추가로 Ti와 연관된 Galvanic corrosion 메커니즘에 의한 영향을 검증하기 위해 웨이퍼에 Ti 잔류 가능성을 파악하였고, 패드 open 지역의 경계면에서 잔류 Ti를 발견하였다. 이와 신뢰성 불량에 대한 연관성을 증명하기 위해 repair 식각 분리 실험을 진행하여 baseline 식각 보다 추가 식각을 진행한 시료에서 PCT 판정에 통과하는 결과를 보이고 최종적으로 물리적 관찰 결과와 일치함을 발견했다. 결과적으로 본 연구에서 발생된 PCT 불량은 공정 진행에서 repair etch시 Ti 잔류물이 남고 Galvanic 메커니즘에 의해 Al의 이온화 되고 후속 PCT 신뢰성 측정 시 H2O와 반응하면서 비 정상 물질인 AlXOY를 생성한 것이 원인으로 판단한다.
후속연구
그리고 심한 경우 박막 파손을 발생하게 된다. 비 정상 물질인AlXOY 층이 형성되려면 외부에서 산소의 공급이 이루어져야 하는데 이는 PCT 스트레스가 습도가 매우 높은 분위기에서 진행하는 조건이므로 개연성이 있다고 생각 할 수 있다. 다만 후 공정 진행 시 수분의 침투 및 물과의 반응이 용이해지는 환경이 제공되어야 가능한 일이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신뢰성 평가란 무엇인가?
제조된 반도체 소자는 수명 평가를 위해 신뢰성 평가를 수행하게 되는데, 패키지 공정 전인 전 공정에 대한 신뢰성 평가와 더불어 패키지가 끝난 후 공정에 대한 신뢰성 평가도 매우 중요하고 기술 발전과 더불어보다 정밀하게 측정되고 평가되고 있다. 신뢰성 평가는 초기 불량을 제거하거나 고객이 원하는 동작 시간을 보장해 주어 양질의 제품을 고객에게 제공하기 위한 필수적인 항목이다. 신뢰성 평가의 기본적인 원리는 동작 조건을 가속화 시켜 수명을 측정하는 것이 일반적인 방법이다.
온도가 증가하면 계면들 사이에 어떤 일이 발생하는가?
반도체 소자 집적 공정은 전 공정에 의해 절연막-절연막, 절연막-금속막과 후 공정 금속막-wire bonding ball 등 서로 다른 물질로 구성되어 있는 다양한 계면특성들이 존재 한다. 따라서 온도가 증가하면 계면들 사이에 인장력(tensile force)이나 압축력(compressive force)이 작용하고 이로 인해 박막 격리가 발생하고 심한 경우 파손(crack)이 발생한다.7-11) 또한 파손된 부분에 수분이 침투하여 추가 불량을 발생시킬 수 있는 가능성을 제공해 준다.
PCT(pressure cooker test)와 uHAST는 어떤 방법인가?
패키지까지 완료된 소자의 신뢰성 검사에 많이 사용하는 방법으로는 PCT(pressure cooker test)와 uHAST(unbiased highly accelerated Temperature and humidity stress test)등의 방법이 있다.4-6) 상기 두 가지 신뢰성 측정 방법은 온도와 습도를 정상적 동작 조건보다 가혹하게 설정하여 두 환경에 대한 반도체 소자 열화 특성을 가속화 하여 평가 하는 방법이다. 패키지까지 진행된 소자에 동작 조건보다 상향된 온도와 습도는 금속의 부식, 물리적 스트레스에 의한 접속 부위들의 파손(crack)이나 박막 격리(delamination) 등을 야기 할 수 있다.
참고문헌 (14)
C. G. Peattie, J. D. Adams and S. L. Carrell, T. D. George, and M. H. Valek, "Elements of semiconductor-device reliability", Proc. IEEE, 62(2), 149 (1974).
C. L. Gan, and U. Hashim, "Reliability assessment and mechanical characterization of Cu and Au ball bonds in BGA package", Journal of materials Science:Materials in Electronics, 24(8), 2803 (2013).
K. Ogawa, J. Suzuki, and K. Sano, "Automatically controlled 2-vesel pressure-cooker test-equipment", IEEE Transactions on reliability, 32(2), 164 (1983).
J. E. Gunn, S. K. Malik, P. M. Mazumdar, and P. Elmer, "Highly accelerated temperature and humidity stress test technique (HAST)", Proc. 19th International Reliability Physics Symposium, Las Vegas, 48 (1981).
P. Nemeth, "Accelerated life time test methods for new package technologies", Proc. 24th International Spring Seminar on Electronics Technology, Calimanesti-Caciulata, Romania, 215 (2001).
C. F. Yu, C. M. Chan, L. C. Chan, and K. C. Hsieh, "Cu wire bond microstructure analysis and failure mechanism", Microelectronics Reliability, 51(1), 119 (2011).
C. W. Tan, A. R. Daud, and M. A. Yarmo, "Corrosion study at Cu-Al interface in microelectronics packaging", Applied Surface Science, 191(4), 67 (2002).
W. S. Lee, M. G. Park, and I. W. Cho, "Reliability issues on the high speed DRAM flip-chip package using gold stud bump, lead free solder, and underfill", Electronic Components and Technology Conference, IEEE, 1776 (2008).
H. Abe, D. C. Kang, T. Yamamoto, T. Yagihashi, and Y. Endo, H. Saito, T. Horie, H. Tamate, Y. Ejiri, N. Watanabe, and T. Iwasaki, "Cu Wire and Pd-Cu Wire Package Reliability and Molding Compounds", Proc. Electronic Components and Technology Conference, IEEE, San Diego, CA, USA, 1117 (2012).
I. Singh, J. Y. On, and L. Levine, "Enhancing fine pitch, high I/O devices with copper ball bonding", Proc. Electronic Components and Technology Conference, IEEE, 843 (2005).
T. Uno, and T. Yamada, "Improving humidity bond reliability of copper bonding wires", Proc. Electronic Components and Technology Conference, IEEE, 1725 (2010).
B. Grosgogreat, L. Reclaru, M. Lissac, and F. Dalard, "Measurement and evaluation of galvanic corrosion between titanium/Ti6Al4V implants and dental alloys by electrochemical techniques and auger spectrometry", Biomaterials, 20(10), 933 (1999).
T. Rodopoulos, L. Smith, M. D. Horne, and T. Ruther, "Speciation of Aluminium in mixtures of the ionic liquids [ $C_3mpip$ ][ $NTf_2$ ] and [ $C_4mpyr$ ][ $NTf_2$ ] with $AlCl_3$ : an electrochemical and NMR spectroscopy study", Chemistry a European Journal, 16(12), 3815 (2010).
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