Semiconductor technology & processingHeterogeneous integrationProbing

10 min

Nieuwe techniek speurt naar fouten in 3D-chips

Imec-onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld, LICA, waarmee je snel fouten kan opsporen én lokaliseren in de ‘through-silicon vias’ (TSVs), de verbindingen tussen chips in een 3D-chip.

Scroll

Inleiding

Dankzij 3D-chips kunnen we onze elektronica veel compacter, slimmer en goedkoper maken. Maar, zoals elke nieuwe technologie, komt ook deze met een nieuwe set betrouwbaarheidsproblemen en falingsmechanismen. Zo kunnen er bv. kortsluitingen optreden in de ‘through-silicon vias’ (TSVs), de verbindingen tussen de chips.

Imec-onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee je snel deze fouten kan opsporen én lokaliseren, en dit terwijl de chips nog op de siliciumschijf zitten. Bovendien is de techniek niet-destructief en vereist het geen speciale apparatuur.

Postdoctoraal onderzoeker Kristof J.P. Jacobs vertelt ons meer over deze techniek en licht ook al een tipje van de sluier op over een tweede – gerelateerde – techniek waarmee je nog dieper in de chips kan kijken. 

‘Through-silicon vias’ in het hart van 3D-chips

Het stapelen van chips is een steeds meer gebruikte techniek om compacte krachtige systemen te maken. Bovendien heb je het voordeel dat je verschillende technologieën kan gebruiken voor elke chip (bv. geheugenchips, logische chips, ...). 3D-chips worden o.a. gebruikt voor grote geheugens in spelconsoles. 

Als je binnen in een 3D-chip zou kunnen kijken, zie je dat heel smalle buisjes de gestapelde chips onderling verbinden. Het zijn de zogenaamde through-silicon vias (TSVs). Het maken van die TSVs is geen sinecure. Het vereist meerdere complexe processen zoals: deep Si etch, CVD oxide insulation, metal barrier & seed deposition, copper electroplating en CMP. 

Het stapelen van chips tot 3D-chips

Het nieuwe ‘recept’ dat werd opgesteld voor het maken van de TSVs zorgt ook voor nieuwe betrouwbaarheidsproblemen en falingsmechanismen. En dit vereist dan weer het uitwerken van nieuwe methoden voor falingsanalyse (FA). FA is een belangrijke tool voor procesingenieurs omdat ze zo inzicht krijgen in de mogelijke fouten die optreden tijdens de processen en hoe die te voorkomen. Deze informatie is onmisbaar om betrouwbare 3D-chips te maken. 

Vandaag zijn er maar een beperkt aantal technieken beschikbaar die niet destructief zijn en fouten in de chipverbindingen van 3D-chips kunnen lokaliseren. Hiervan zijn magnetisch veld tomografie, lock-in thermografie, en elektro-optisch terahertz puls reflectometrie  de meest gebruikte. Elk van deze technieken heeft specifieke voor- en nadelen, maar wat ze gemeenschappelijk hebben is dat ze allemaal zeer gespecialiseerde en dure apparatuur vereisen. Apparatuur die niet vaak beschikbaar is in vele labo’s. 

Er is dus zeker een nood aan snelle en relatief goedkope technieken voor foutanalyse bij 3D-chips, en daarom ontwikkelde imec-onderzoekers een nieuwe techniek. De techniek noemt LICA en is in staat om fouten in de verbindingen tussen 3D-chips zeer precies te lokaliseren. Het is gebaseerd op de invloed die licht heeft op de TSV-capaciteit. Bovendien vereist de techniek enkel een scanning laser microscoop, een probing station, en een capaciteitsmeter, allemaal standaard tools voor FA-labo’s.  

figure one

Through-silicon vias vormen het hart van 3D-chips. TSV falingsanalyse is onmisbaar als je de productie van 3D-chips wil optimaliseren. 

LICA – fouten lokaliseren dankzij licht

LICA staat voor ‘light-induced capacitance alteration’. Het verwijst naar het feit dat de elektrische capaciteit van een TSV verandert wanneer het belicht wordt (fotocapaciteit). 

Echter, wanneer er een fout aanwezig is in de TSV, en het licht schijnt op deze plaats op de TSV, zal de capaciteit niet veranderen omdat de elektrische verbinding met de meter onderbroken is. Op deze manier kan de fout gelokaliseerd worden. De techniek bouwt verder op de capaciteit-spanning (C-V) meetmethode met een aanpassing zodat de meting heel lokaal kan uitgevoerd worden. In tegenstelling tot scanning capaciteit microscopie (SCM), waar de lokale capaciteit gemeten wordt tussen het staal en de kleine meetprobe die over het oppervlak beweegt, wordt hier een gefocuseerde laserstraal gebruikt om de verandering in TSV-capaciteit te induceren.

De fotogevoeligheid van de TSV-capaciteit is afhankelijk van veel factoren, o.a. de golflengte van het gebruikte licht en de meetfrequentie. De invloed van deze twee factoren werd bestudeerd om zo de optimale meetparameters te bepalen en een maximale signaalsterkte te bekomen. Onder optimale condities, kan ongeveer 70% van de TSV-capaciteit gevoelig gemaakt worden voor licht. De signaalsterkte is typisch een tiental femtofarads (10-15 F), gemakkelijk detecteerbaar voor standaard capaciteitsmeters. De gevoeligheid van de meters is voldoende voor metingen van één chip, maar als je een volledige siliciumshijf met honderden chip wil screenen, zal dit te lang duren. Daarom ontwikkelde onderzoekers een ultragevoelig meetinstrument waardoor de meting geen uren, maar slechts enkele minuten duurde voor een chip. 

Figure 2

Tijdens het uitvoeren van de LICA-techniek wordt de licht-geinduceerde verandering van de capaciteit gemeten terwijl een laser de te onderzoeken TSV-structuur belicht. Test probes zorgen voor een elektrische verbinding tussen de TSV-structuur en het meetapparaat. Het defect in de TSV-structuur wordt gelokaliseerd wanneer de gemeten capaciteit plots verandert. 

Demonstratie van de LICA-technologie

De techniek werd aangetoond op een 5x50 micrometer via-middle TSV-ketenstructuur, die gemaakt werd in imecs 300mm cleanroom. Het doel van deze TSV-ketens is om hun elektrische continuiteit aan te tonen. De weerstand van die TSV-ketens meten, geeft een indicatie over hun werking (goede of defecte TSV-keten), maar je krijgt zo geen informatie over de plaats van een defect. Nochtans is het lokaliseren van het defect belangrijk om te begrijpen hoe het ontstaan is. 

Om de toepasbaarheid van de LICA-techniek aan te tonen, werd een open defecte TSV-keten geselecteerd bestaande uit 650 TSVs met een pitch van 20 micrometer. Door het laserlicht over de keten te bewegen, en tegelijkertijd een differentiële meettechniek toe te passen, kon het open defect in de keten gelokaliseerd worden, tot op het niveau van een specifieke TSV. Vandaag wordt de LICA-techniek gebruikt in de imec cleanroom door de onderzoekers van de 3D-chip onderzoeksgroep. 

 

Figure 3

De kaart van de siliciumschijf met goede en slechte chips toont waar de slechte chips zitten. Het bevat echter geen informatie over de exacte lokatie van de fout in de chip. Met de LICA-techniek kunnen deze fouten opgespoord en gelokaliseerd worden, tot op het niveau van through-silicon vias.  

De toekomst: een thermische techniek voor 3D-chips

Een beperking van de LICA-techniek is dat het gebied dat je wil bestuderen bereikbaar moet zijn voor de laser. Diëlektrische passivatielagen zijn geen probleem (want transparant voor laserlicht), maar metaallagen, underfill, en epoxy overmold vormen wel een probleem. Hierdoor kunnen chips die zich in het midden van de 3D-chips bevinden niet onderzocht worden. Daarom ontwikkelen onderzoekers momenteel een tweede – gelijkaardige –techniek die in plaats van lichtgolven thermische golven gebruikt. Deze kunnen wel doorheen de bovengenoemde materiaallagen bewegen. Het is een extra tool voor de studie van 3D-chips, om zelfs fouten die zich diep in de 3D-chip bevinden, op te sporen. 

 

Meer weten?

Lees je graag de technische paper “Light-induced capacitance alteration for non-destructive fault isolation in TSV structures for 3D integration”? Stuur dan een email naar imecmagazine@imec.be.

Biografie Kristof J.P. Jacobs

Kristof J.P. Jacobs is een postdoctorale onderzoeksfellow van KU Leuven, werkzaam bij imec. Hij maakt deel uit van imecs betrouwbaarheids-onderzoeksgroep. Zijn onderzoek focust op falingsanalyse voor 3D-technologieën. Verder gaat zijn interesse ook uit naar karakterisatie van halfgeleidermaterialen en terahertz technologie. Hij heeft een MSc in Electronic Engineering en een PhD in Semiconductor Photonics van de universiteit van Sheffield, UK. Zijn proefschrift handelde over ‘Manufacturability of high current density resonant tunnelling diodes for terahertz (THz) technologies’. Tijdens zijn doctoraat ontwikkelde hij een nieuw fabricageproces en karakterisatiemethode voor het maken van compacte THz-bronnen, in samenwerking met Rohm Semiconductor, Japan.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies