DE102010002453B4

DE102010002453B4 - Verfahren und Messystem zur Bewertung der Metallstapelintegrität in komplexen Halbleiterbauelementen durch mechanisches Verspannen von Chipkontakten

Info

Publication number: DE102010002453B4
Application number: DE102010002453.8A
Authority: DE
Inventors: Holm Geisler; Matthias Lehr; Frank Kuechenmeister; Michael Grillberger
Original assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: US8479578B2; US20110209548A1; CN102194723A; SG173970A1; TWI534921B; DE102010002453A1; TW201135859A; CN102194723B

Abstract

Verfahren mit:Hervorrufen einer mechanischen Belastung in einem dielektrischen Material (252) eines Metallisierungssystems (220) eines Halbleiterbauelements (200) durch Ausüben einer lateralen mechanischen Kraft (F) auf ein einzelnes Chipkontaktelement (210), das in dem Metallisierungssystem (220) ausgebildet ist und sich über eine Oberfläche des dielektrischen Materials (252) hinaus erstreckt; undBestimmen mindestens eines Parameterwertes, der eine Antwort des dielektrischen Materials (252) auf die hervorgerufene mechanische Belastung angibt.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung integrierte Schaltungen und betrifft insbesondere komplexe Metallisierungssysteme mit empfindlichen dielektrischen Materialien und bleifreien Lothöckern oder Metallsäulen, um einen Chip an ein Gehäuse anzuschließen.
Beschreibung des Stands der Technik
Zum Stand der Technik wird auf die Druckschriften US 7 973 547 B2 und US 7 923 849 B2 verwiesen.
Halbleiterbauelemente, etwa Mikroprozessoren, SRAM's, ASIC's (anwendungsspezifische IC's), Systeme auf einem Chip (SOC) und dergleichen werden typischerweise auf geeigneten Substratmaterialien, etwa Silizium und dergleichen, hergestellt, wobei die einzelnen integrierten Schaltungen in einem Array auf einer Scheibe angeordnet sind, so dass die meisten Fertigungsschritte, die sich auf mehrere 100 und mehr einzelne Prozessschritte in komplexen integrierten Schaltungen belaufen können, gleichzeitig für alle Chipbereiche auf dem Substrat mit Ausnahme von Photolithographieprozessen, Messprozessen und das Einbringen in ein Gehäuse der einzelnen Bauelemente nach dem Zerteilen des Substrats ausgeführt werden. Somit zwingen ökonomische Rahmenbedingungen die Halbleiterhersteller dazu, ständig die Substratabmessungen zu vergrößern, um damit auch die verfügbare Fläche zu vergrößern, um somit die eigentlichen Halbleiterbauelemente herzustellen und die Produktionsausbeute zu steigern.
Zusätzlich zum Vergrößern der Substratfläche ist es auch wichtig, die Ausnutzung der Substratfläche bei einer vorgegebenen Substratgröße zu optimieren, um damit möglichst viel Substratfläche für Halbleiterbauelemente und/oder Teststrukturen, die zur Prozesssteuerung verwendet werden, zu nutzen. In dem Versuch, die nutzbare Oberfläche bei einer vorgegebenen Substratgröße zu maximieren, werden die Strukturgrößen von Schaltungselementen ständig verringert. Auf Grund dieser beständig bestehenden Forderung für die Verringerung der Strukturgrößen in sehr komplexen Halbleiterbauelementen wurde Kupfer in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε eine häufig eingesetzt Alternative für die Herstellung sogenannter Verbindungsstrukturen, die Metallleitungsschichten und dazwischen liegende Kontaktdurchführungsschichten enthalten, die Metallleitungen als Verbindungen innerhalb von Schichten und Kontaktdurchführungen als Verbindungen zwischen den Schichten aufweisen, die somit gemeinsam die individuellen Schaltungselemente verbinden, um damit die erforderliche Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung sicherzustellen. Typischerweise ist eine Vielzahl an Metallleitungsschichten und Kontaktdurchführungsschichten, die aufeinander angeordnet sind, notwendig, um die Verbindungen zwischen allen inneren Schaltungselementen und I/O- (Eingabe/Ausgabe) Anschlussflächen, Leistungs- und Masseanschlussflächen des betrachteten Schaltungsaufbaus zu implementieren.
Für extrem größenreduzierte integrierte Schaltungen ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Schaltungselemente selbst, etwa durch Feldeffekttransistoren, und dergleichen, begrenzt, sondern diese ist auf Grund der zunehmenden Dichte an Schaltungselementen, die eine noch größere Anzahl an elektrischen Verbindungen fordert, durch die geringen Abstände der Metallleitungen beschränkt, da die Kapazität zwischen den Leitungen erhöht wird, und dazu auch eine geringere Leitfähigkeit der Leitungen auf Grund der reduzierten Querschnittsfläche zu. Aus diesem Grunde wurden übliche Dielektrika, etwa Siliziumdioxid (ε > 4) und Siliziumnitrid (ε > 7) durch dielektrische Materialien mit einer geringeren Permittivität ersetzt, die daher auch als Dielektrika mit kleinem ε bezeichnet werden und die eine relative Permittivität von 3 oder weniger aufweisen. Jedoch ist die Dichte und die mechanische Stabilität oder Festigkeit der Materialien mit kleinem ε deutlich geringer im Vergleich zu gut bewährten Dielektrika wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Während der Herstellung des Metallisierungssystems und jeglicher nachfolgender Fertigungsprozesse für integrierte Schaltungen hängt somit die Produktionsausbeute von den mechanischen Eigenschaften dieser empfindlichen dielektrischen Materialien und ihrer Haftung an anderen Materialien ab.
Zusätzlich zu den Problemen der geringeren mechanischen Stabilität moderner dielektrischer Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder deutlich geringer wird die Bauteilzuverlässigkeit auch durch diese Materialien während des Betriebs komplexer Halbleiterbauelemente auf Grund einer Wechselwirkung zwischen dem Chip und dem Gehäuse beeinflusst, wobei diese Wechselwirkung durch eine thermische Fehlanpassung der entsprechenden thermischen Ausdehnung unterschiedlicher Materialien hervorgerufen wird. Beispielsweise wird bei der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen zunehmend eine Kontakttechnologie eingesetzt, um den Gehäuseträger mit dem Chip zu verbinden, wobei diese Kontakttechnologie als „Flip Chip“ Gehäusetechnik bekannt ist. Im Gegensatz zu den gut etablierten Drahtverbundtechniken, in denen geeignete Kontaktanschlussflächen am Rand der letzten Metallschicht des Chips angeordnet sind, und wobei diese Anschlussflächen mit entsprechenden Anschlüssen des Gehäuses über einen Draht verbunden werden, wird in der Flip-Chip-Technologie eine entsprechende Höckerstruktur auf der letzten Metallisierungsschicht hergestellt, beispielsweise unter Anwendung von Aluminium als ein Abschlussmetall in Verbindung mit einem Lotmaterial, das mit entsprechenden Kontaktanschlussflächen des Gehäuses in Kontakt gebracht wird. Nach dem Wiederaufschmelzen des Lotmaterials wird somit eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Abschlussmetall, das auf der letzten Metallisierungsschicht ausgebildet ist, und den Kontaktanschlussflächen des Gehäuseträgers erzeugt. Auf diese Weise kann eine sehr große Anzahl an elektrischen Verbindungen über die gesamte Chipfläche der letzten Metallisierungsschicht hinweg mit einem geringeren Kontaktwiderstand und geringerer parasitärer Kapazität geschaffen werden, wodurch die I/O- (Eingabe/Ausgabe-) Kapazitäten bereitgestellt werden, die für komplexe integrierte Schaltungen, etwa CPU's, Speicherbauelemente und dergleichen erforderlich sind. Während der entsprechenden Prozesssequenz zum Verbinden der Höckerstruktur mit einem Gehäuseträger muss ein gewisser Grad an Druck und/oder Wärme auf das Verbundbauelement angewendet werden, um damit eine zuverlässige Verbindung zwischen jedem der Höcker, die auf dem Chip ausgebildet sind, und den Höckern oder Anschlussflächen, die auf dem Gehäusesubstrat ausgebildet sind, einzurichten. Die thermisch oder mechanisch hervorgerufene Verspannung kann jedoch auch auf die tiefer liegenden Metallisierungsschichten einwirken, die typischerweise Dielektrika mit kleinem ε oder sogar dielektrische Materialien mit sehr kleinem ε (ULK) aufweisen, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Defekten in Form von Rissen, Materialablösungen und dergleichen auf Grund der geringen mechanischen Stabilität und Haftung an anderen Materialien deutlich erhöht wird.
Während des Betriebs des fertig gestellten Halbleiterbauelements, das mit einem entsprechenden Gehäusesubstrat verbunden ist, kann ebenfalls eine ausgeprägte mechanische Belastung auf Grund eines deutlichen Unterschieds in thermischen Ausdehnungsverhalten des siliziumbasierten Halbleiterchips des Gehäusesubstrats auftreten, da bei der Massenherstellung von komplexen integrierten Schaltungen ökonomische Bedingungen typischerweise die Verwendung von speziellen Substratmaterialien für das Gehäuse erfordern, etwa in Form von organischen Materialien, die typischerweise eine andere thermische Leitfähigkeit und einen unterschiedlichen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung im Vergleich zum Siliziumchip besitzen.
Mit Bezug zu den 1a und 1b wird ein typischer Aufbau eines Halbleiterbauelements mit einer Lothöckerstruktur für die Flip-Chip-Verbindung nunmehr detaillierter beschrieben.
1a zeigt schematisch eine Draufsicht des Aufbaus oder der geometrischen Gestaltung eines Halbleiterbauelements 100, in welchem die mechanische und elektrische Verbindung zwischen einem Gehäuse und dem Bauelement 100, d. h. einem speziellen Chip oder Chip-Bereich 101, auf der Grundlage einer Lothöckerstruktur, oder in komplexen Fällen mittels einer Metallsäulenstruktur einzurichten ist. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Verteilung an Kontaktelementen 110, die im Weiteren auch als Chip oder Chipbereichkontaktelemente bezeichnet werden, über die gesamte Fläche des Chips 101 hinweg vorgesehen, wobei, wie zuvor erläutert ist, nahezu die gesamte Fläche des Chips 101 für das geeignete Anordnen der Kontaktelemente 110 zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine sehr komplexe Chip-Gehäuse-Kontaktstruktur erhalten werden, wobei jedes der Kontaktelemente 110 mit einer komplementären Kontaktanschlussfläche oder Lothöcker eines entsprechenden Gehäusesubstrats während eines einzelnen Fertigungsprozesses in Kontakt gebracht wird, im Gegensatz zu entsprechenden Drahtverbundtechniken, in denen ein Verbindungsdraht mit Anschlussflächen des Chips und des Gehäuses in einer im Wesentlichen sequenziellen Weise verbunden wird.
1b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements 100 gemäß der Schnittlinie lb in 1a. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 den Chip 101, der als das grundlegende Substrat zu verstehen ist, um darauf Schaltungselemente und dergleichen herzustellen. Das Substrat 101 ist typischerweise in Form eines isolierenden Substrats, eines Halbleitermaterials und dergleichen vorgesehen. Zu beachten ist, das in und über dem Substrat 101 typischerweise eine Vielzahl an Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen gemäß der Schaltungsfunktion vorgesehen ist, die in dem Bauelement 100 zu implementieren ist. Der Einfachheit halber sind derartige Schaltungselemente, die Elemente mit kritischen Abmessungen von 50 nm und weniger in komplexen Bauelementen enthalten, in 1b nicht gezeigt. Wie zuvor erläutert ist, ist auf Grund des komplexen Aufbaus elektronischer Schaltungen, die in dem Halbleiterbauelement 100 implementiert sind, auch ein komplexes Metallisierungssystem 100 typischerweise erforderlich, das mehrere Metallisierungsschichten aufweist, die aufeinander gestapelt sind, wobei der Einfachheit halber eine Metallisierungsschicht 130 und eine Metallisierungsschicht 140 dargestellt sind. Beispielsweise ist die Metallisierungsschicht 130 aus einem dielektrischen Material 131, etwa einen dielektrischen Material mit kleinem ε, einem ULK-Material und dergleichen, aufgebaut, in welchem Metallleitungen und Kontaktdurchführungen 132 eingebettet sind, die typischerweise aus Kupfer in Verbindung mit geeigneten leitenden Barrierenmaterialien aufgebaut sind, um damit einen zuverlässigen Einschluss von Kupfer zu ermöglichen. Es sollte beachtet werden, dass nicht notwendigerweise jede Metallisierungsschicht des Systems 120 ein empfindliches dielektrisches Material mit kleinem ε aufweist, da unterschiedliche Metallisierungsebenen häufig unterschiedliche Leistungscharakteristiken erfordern, beispielsweise im Hinblick auf die Stromleitfähigkeit und die Signalausbreitungsverzögerung. Jedoch ist in jedem Fall typischerweise eine Vielzahl an Metallisierungsschichten vorhanden, die ein empfindliches dielektrisches Material mit kleinem ε aufweisen, wodurch die gesamte mechanische Stabilität verringert wird, wie dies zuvor erläutert ist. Die Metallisierungsschicht 140 repräsentiert die „letzte“ Metallisierungsschicht und umfasst ein geeignetes dielektrisches Material 141 mit Metallgebieten 142, die Kontaktanschlussflächen repräsentieren, um eine Verbindung zu einer Kontaktstruktur oder Höckerstruktur 150 herzustellen, die tatsächlich die Schnittstelle repräsentiert, um das Bauelement 100 mit einem Gehäusesubstrat (nicht gezeigt) zu verbinden. Die Kontakt- oder Höckerstruktur 150 umfasst typischerweise eine Passivierungsschicht 151, die damit das Metallisierungssystem 120 „passiviert‟, wobei typischerweise mehrere dielektrische Materialien, etwa Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumnitrid, so verwendet werden, dass die gewünschten Eigenschaften im Hinblick auf die chemische und mechanische Stabilität erhalten werden. Ferner ist ein weiteres dielektrisches Material, etwa ein Polyimid 152, auf dem Passivierungsmaterial 151 ausgebildet. Die Materialien 151 und 152 sind so strukturiert, dass eine Öffnung 150a zu mindestens einem Teil der Kontaktanschlussfläche 142 der letzten Metallisierungsschicht 140 ausgerichtet ist. Wie zuvor erläutert ist, ist in komplexen Metallisierungssystemen, etwa dem System 120 Kupfer vorzugsweise verwendet, das jedoch nicht mit gut etablierten Prozesstechniken und Materialien kompatibel ist, wie sie in komplexen Metallisierungssystemen verwendet wurden, die auf Grundlage von Aluminium hergestellt sind. Aus diesem Grunde wird häufig ein weiteres Metallmaterial 153, das auch als ein Abschlussmetall bezeichnet wird, in Form von Aluminium vorgesehen, um damit als eine Schnittstelle zwischen dem empfindlichen Kupfermaterial der Anschlussfläche 142 und dem Kontaktelement 110 zu dienen. Auf diese Weise können gut etablierte Materialien und Techniken zur Herstellung des Kontaktelements 110 eingesetzt werden, beispielsweise durch Vorsehen eines effizienten Höckerunterseitenmetallisierungssystems 154, beispielsweise auf der Grundlage von Chrom, Kupfer, Wolfram und dergleichen.
In anderen Fällen ist die Kontaktstruktur 150 auf der Grundlage von Kupfermetallen aufgebaut, wobei geeignete Barrierematerialien enthalten sind, ohne dass spezielle „Abschlussmetalle“, etwa das Material 153, erforderlich sind.
Das Halbleiterbauelement 100 mit dem Metallisierungssystem 120 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach der Fertigstellung jeglicher halbleiterbasierter Schaltungselemente, etwa von Transistoren, und dergleichen, werden die eine oder die mehreren Metallisierungsschichten 130, 140 hergestellt, indem eine Materialschicht und ein Schichtstapel bereitgestellt werden, die, wie zuvor erläutert ist, äußert empfindliche Materialien aufweisen können, die dann auf der Grundlage komplexer Lithographietechniken und anisotrope Ätzprozesse Strukturiert werden. Daraufhin werden geeignete Barrierenmaterialien und kupferbasierte Materialien abgeschieden, beispielsweise in komplexen Einlegetechniken, in denen Kontaktdurchführungen und Metallleitungen in einem gemeinsamen Abscheideprozess gefüllt werden. Daraufhin wird überschüssiges Material entfernt, beispielsweise durch CVD (chemisch-mechanisches Polieren), wobei eine gewisse mechanische Belastung auf die empfindlichen dielektrischen Materialien ausgeübt wird, was auch zu einem gewissen Grad an Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität dieser Materialien führt. Nach der Fertigstellung der Metallisierungsschichten 130, 140 werden weitere komplexe Prozesstechniken angewendet, um die Kontaktstruktur 150 vorzusehen, wozu das Abscheiden und Strukturieren der diversen Materialien gemäß den Bauteilerfordernissen gehört. Nach dem Vorsehen der Öffnung 150a wird typischerweise eine Abscheidemaske aufgebracht und es wird ein geeignetes Lotmaterial und geeignet behandelt, um das Kontaktelement 110 zu bilden. In anderen Prozessstrategien wird eine geeignete Metallsäule in der Öffnung 150a so vorgesehen, dass diese sich über die dielektrische Schicht 152 mit einer gewünschten Höhe und lateralen Abmessungen hinaus erstreckt, wobei typischerweise eine größere Kontaktdichte möglich ist, indem geeignete Metallsäulen in Vergleich zu Lothöckern angewendet werden.
Nach dem Vereinzeln des Halbleiterbauelements 100 in individuelle Chips oder Chipgebiete 101 wird eine Verbindung zu einem geeigneten Gehäusesubstrat bewerkstelligt, indem ein individuelles Bauelement 101 und das entsprechende Gehäusesubstrat miteinander mechanisch gekoppelt werden und indem die Kontaktelemente 110 aufgeschmolzen werden, wodurch die gewünschte intermetallische Verbindung zwischen den Kontaktelementen 110 und den jeweiligen Anschlussflächen des Gehäusesubstrats geschaffen wird, wobei das Gehäusesubstrat ebenfalls eine Höckerstruktur aufweisen kann, abhängig von der gesamten Prozessstrategie. Schließlich wird ein geeignetes Füllmaterial zwischen dem Chip 101, d. h. der Kontaktstruktur 150 und dem Gehäusesubstrat so vorgesehen, dass die mechanische, chemische und thermische Stabilität des zusammengesetzten Bauelements verbessert werden.
Wie zuvor erläutert ist, wird während der Herstellung des Halbleiterbauelements 100 auch während des Prozesses zum Verbinden der einzelnen Chips 101 mit einem Gehäusesubstrat und insbesondere während des Betriebs des im Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelements eine ausgeprägte mechanische Verspannung auf das Metallisierungssystem 120 über die Kontaktstruktur 150, d. h. über die Kontaktelemente 110, ausgeübt. In vergangenen Kontakttechnologien führte ein gewisser Grad an Nachgiebigkeit der Kontaktelemente 110 zu einem gewissen Grad an „Pufferwirkung“ auf Grund einer ausgeprägten Menge an Blei in dem gemeinsamen Lotmaterial. Bei der Einführung sogenannter bleifreier Lotmaterialien, beispielsweise im Hinblick auf Umweltauflagen und dergleichen, und auch in dem Versuch, die thermische und elektrische Leistungsfähigkeit der Kontaktstruktur 150 weiter zu verbessern, beispielsweise durch Vorsehen von Kupfersäulen anstelle von Lothöckerstrukturen, wird jedoch die mechanische Belastung in dem Metallisierungssystem 120 deutlich erhöht, da typischerweise diese Materialien und insbesondere die Säulenstrukturen steifer sind im Vergleich zu bleienthaltenden Lotmaterialien, wodurch deutlich höhere Schärungskräfte in das Metallisierungssystem 120 und insbesondere in die letzte Metallisierungsschicht 140 übertragen werden. Aus diesen Gründen erfordert in vielen konventionellen Vorgehensweisen die Zunahme der mechanischen Belastung in dem Metallisierungssystem 120 eine Verringerung der Komplexität etwa im Hinblick auf das Vorsehen dielektrischer Materialien mit besserer mechanischer Stabilität, wodurch jedoch typischerweise die Dielektrizitätskonstante erhöht und somit das gesamte elektrische Leistungsvermögen des Metallisierungssystems 120 verringert wird. Daher ist die Überwachung der mechanischen Eigenschaften der komplexen dielektrischen Materialien mit kleinem ε ein wichtiger Aspekt für komplexe Halbleiterbauelemente, so dass konventioneller Weise eine entsprechende Prozesssteuerung eingerichtet wird, in der insbesondere die Eigenschaften von Materialien mit kleinem ε überwacht werden, beispielsweise indem mehrere Materialeigenschaften nach der Abscheidung dieser Materialien bestimmt werden.
Wie zuvor erläutert ist, repräsentieren die Materialeigenschaften von dielektrischen Materialien mit kleinem ε an sich lediglich einen Aspekt, der die schließlich erreichten mechanischen Eigenschaften eines komplexen Metallisierungssystems beeinflusst. Ein weiterer Faktor wird in der Prozessgeschichte bzw. dem Prozessverlauf gesehen, d. h. in den diversen komplexen Fertigungsprozessen, die ebenfalls die Haftung und andere Eigenschaften der empfindlichen Materialien beeinflussen, was schließlich zu einer Beeinträchtigung der gesamten mechanischen Stabilität komplexer Metallisierungssysteme führen kann. Des weiteren wird die komplexe Wechselwirkung der diversen Schichten und Materialien in einem komplexen Metallisierungssystem nicht in geeigneter Weise beim Überwachen der Materialeigenschaften einzelner dielektrischer Materialschichten mit kleinem ε berücksichtigt, woraus sich eine weniger zuverlässige Bewertung von Metallisierungssystemen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit beim Verbinden von Halbleiterbauelementen mit einem Gehäuse und bei Betreiben des im Gehäuse befinden Halbleiterbauelements ergeben.
Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme zum Einschätzen bzw. Bewerten der mechanischen Eigenschaften von Metallisierungssystemen, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
Überblick über die Erfindung
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Testsysteme und Testverfahren bereit, um die mechanischen Eigenschaften komplexer Metallisierungssysteme von Halbleiterbauelementen zu bewerten, indem einzelne Chipkontaktelemente mechanisch belastet werden, etwa Lothöcker, Metallsäulen und dergleichen, und indem die „Antwort“ des Metallisierungssystems bestimmt wird. Die Antwort des Metallisierungssystems kann auf der Grundlage eines geeigneten Parameters bestimmt werden, etwa die mechanische Antwort, die Antwort auf beliebige extern zugeführte Sondierungsstimuli, etwa in Form von Elektronenmikroskopie, akustischer Mikroskopie oder allgemein die Bestimmung von Materialeigenschaften bei Einwirkung von Ultraschall, elektrischen Signalen, die von dem Metallisierungssystem während oder nach der mechanischen Belastung erhalten werden, und dergleichen. Folglich kann durch Ausüben einer mechanischen Kraft individuell auf Kontaktelemente typischerweise ein Beeinträchtigungsmechanismus stimuliert werden und kann somit überwacht und in quantitativer Weise gemessen werden, wodurch eine Einschätzung oder Bewertung des mechanischen Status des Metallisierungssystems möglich ist, wobei die Materialeigenschaften empfindlicher dielektrischer Materialien mit kleinem ε sowie die Prozessgeschichte und die komplexe Wechselwirkung der diversen Materialien und Materialsysteme der Metallisierungsschicht ebenfalls zur Antwort des Metallisierungssystems beitragen. Folglich kann in einigen anschaulichen offenbarten Aspekten ein kritischer Wert für eine oder mehrere Parameter ermittelt werden, um damit die Eigenschaften eines komplexen Metallisierungssystems qualitativ zu bewerten. Zum Beispiel können ein oder mehrere Parameter mit bauteilspezifischen Eigenschaften, etwa dem Verhalten von in Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelementen unter Belastungsprüfungen, gewissen Materialeigenschaften, etwa irreversiblen Deformationen in Form von Rissen und dergleichen in Korrelation gesetzt werden, so dass bei Bedarf Metallisierungssysteme und entsprechende Fertigungsstrategien nicht nur als „zulässig“ oder „unzulässig“ bezeichnet werden, sondern indem diese auch in einer feiner aufgelösten Weise überwacht werden.
Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Hervorrufen einer mechanischen Verspannung in einem dielektrischen Material eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements durch Anwenden einer mechanischen Kraft individuell auf einem Chipkontaktelement, das in dem Metallisierungssystem ausgebildet ist und sich über eine Oberfläche des dielektrischen Materials hinaus erstreckt. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen mindestens eines Parameterwertes, der eine Antwort des dielektrischen Materials auf die hervorgerufene mechanische Verspannung kennzeichnet.
Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bestimmen einer kritischen Kraft, die zum Erzeugen einer nicht reversiblen Information eines dielektrischen Materials eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements erforderlich ist, indem eine Kraft auf ein Chipkontaktelement ausgeübt wird, das in dem Metallisierungssystem ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Verwenden der kritischen Kraft zur Bewertung einer mechanischen Stabilität des Metallisierungssystems.
Ein anschauliches hierin offenbartes Messsystem umfasst eine Sonde, die ausgebildet ist, individuell eine Kraft auf ein Chipkontaktelement auszuüben, das in einem Metallisierungssystem eines Halbleiterbauelements ausgebildet ist. Das Messsystem umfasst ferner ein Detektionssystem, das ausgebildet ist, mindestens einen Parameterwert bereitzustellen, der eine mechanische Antwort des Metallisierungssystems auf die auf das Chipkontaktelement ausgeübte Kraft auszugeben.
Figurenliste
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:

1a schematisch eine Draufsicht auf einen Halbleiterchip mit mehreren Chipkontaktelementen in Form von Lothöckern oder Metallsäulen zeigt;
1b schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einem Metallisierungssystem zeigt, das auf der Grundlage empfindlicher dielektrischer Materialien mit kleinem ε und einer Chipkontaktstruktur gemäß einer geeigneten Prozessstrategie hergestellt ist;
2a schematisch eine Querschnittsansicht eines Messsystems zum Bewerten des mechanischen Zustands eines Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements zeigt, indem zumindest eine mechanische Antwort eines Metallisierungssystems gemäß anschaulicher Ausführungsformen überwacht wird;
2b und 2c schematisch Messergebnisse zeigen, die einen Vergleich zwischen einer mechanischen Antwort eines Metallisierungssystems darstellen, um eine irrverisible mechanische Deformation eines Risses und dergleichen gemäß anschaulicher Ausführungsformen zu ermitteln;
2d schematisch ein Messsystem gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen ein Parameter, der die mechanische Antwort kennzeichnet, auf der Grundlage der Elektronenmikroskopie bestimmt wird;
2e schematisch das Messsystem gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen ein elektrischer Parameter in Reaktion auf eine mechanische Verspannung bestimmt wird, die an ein einzelnes Chipkontaktelement ausgeübt wird;
2f schematisch das Messsystem gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen eine oder mehrere Materialeigenschaften des Metallisierungssystems auf der Grundlage akustischer Energie bestimmt werden, die dem Bauelement gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zugeführt wird;
2g schematisch das Messsystem mit einer speziellen Umgebung für das Metallisierungssystem zeigt, beispielsweise in Form von Flüssigkeiten und dergleichen, gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen; und
2h und 2i schematisch Messsysteme mit einer unterschiedlichen Art des Ausübens mechanischer Kraft individuell auf ein Chipkontaktelement gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigen.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Messsysteme und Techniken bereit, in denen eine mechanische Kraft effizient auf individuelle Chipkontaktelemente angewendet wird, um damit „Antwort“ des Metallisierungssystems auf die angewendete mechanische Kraft zu überwachen. Wie zuvor erläutert ist, können ausgeprägte Scherungskräfte während des Einbringens in ein Gehäuse eines kompletten Halbleiterbauelementes und während des Betriebs des im Gehäuse befindlichen Bauelements auftreten, insbesondere, wenn Lothöckerstrukturen oder Säulenstrukturen verwendet werden, die eine höhere Steifigkeit im Vergleich zu moderat weichen Lotmaterialien, etwa bleienthaltenden Lotmaterialien, aufweisen. Durch geeignetes individuelles Beaufschlagen von Chipkontaktelementen kann eine gut definierte und reproduzierbare mechanische Belastung auf das Metallisierungssystem und insbesondere auf die unmittelbare Nachbarschaft des Kontaktelements ausgeübt werden, wodurch beispielsweise typische Spannungsbedingungen erzeugt werden, die eine qualitative und quantitative Abschätzung eines mechanischen Status des Metallisierungssystems als Ganzes ermöglichen. Beispielsweise kann durch Ausüben einer lateralen Soll-Kraftkomponente, beispielsweise durch „Neigen“ von Metallsäulen oder anderen Lothöckern, eine kompressive Verspannungskomponente und eine Zugverspannungskomponente in dem Passivierungsmaterial des Metallisierungssystems hervorgerufen werden und kann somit in tieferliegende Metallisierungsschichten übertragen werden. Unter derartigen Verspannungs- oder Belastungsbedingungen treten häufig Risse in dem zugverspannten Bereich des dielektrischen Materials auf und diese repräsentieren somit einen zuverlässigen Indikator zur qualitativen Bewertung des Status des Metallisierungssystems. Beispielsweise repräsentiert in einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen die direkte mechanische Antwort des Kontaktelements daher einen Indikator zum Bewerten des mechanischen Status des Metallisierungssystems, da das Auftreten eines Risses in der Nähe des Chipkontaktelements zuverlässig erfasst werden kann, in dem die Antwort für einen variierenden Grad an Deformation des Kontaktelements überwacht wird. Da der Status des Metallisierungssystems durch die komplexen Materialien und ihre Wechselwirkung einschließlich der komplexen Prozessgeschichte zur Herstellung der diversen Materialsysteme bestimmt ist, bietet die Bewertung der mechanischen Antwort des Metallisierungssystems als Ganzes bessere Möglichkeiten zum Bewerten des Status eines Metallisierungssystems im Vergleich zu konventionellen Strategien, in denen lediglich die Materialeigenschaften kritischer Materialien, etwa von Materialien mit kleinem ε oder ULK-Materialien überwacht werden.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Konzept der mechanischen Belastung einzelner Chipkontaktelemente kombiniert mit mehreren Mechanismen zum Bestimmen einer oder mehrerer Eigenschaften des Metallisierungssystems. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird zusätzlich oder alternativ zur Überwachung der direkten Kraftantwort des Kontaktelements die Nähe des Kontaktelements auf der Grundlage von Elektronenmikroskopie überwacht, wodurch zusätzliche Informationen im Hinblick auf die Materialeigenschaften und dergleichen gewonnen werden. Des weiteren können Beeinträchtigungsmechanismen überwacht werden, während gleichzeitig die mechanische Belastung auf das Kontaktelement ausgeübt wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Metallisierungssystem auf der Grundlage akustischer Energie sondiert, d. h. mit Ultraschallenergie, beispielsweise in sehr lokaler Weise, indem etwa die akustische Energie auf die unmittelbare Nähe des betrachteten Kontaktelements beschränkt wird, während in anderen Fällen eine globale Sondierung angewendet wird, um einen globaleren Überblick über die Antwort des Metallisierungssystems auf die individuelle Belastung eines Kontaktelements zu erhalten. In noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen wird eine elektrische Antwort des Metallisierungssystems bestimmt, beispielsweise durch Überwachen eines elektrischen Parameters, etwa des Widerstands der Kapazität und dergleichen, beim Ausüben oder nach dem Ausüben einer mechanischen Belastung auf das betrachtete Kontaktelement.
Folglich kann eine quantitative Korrelation ermittelt werden, beispielsweise in Form des einfachen „gut/schlecht“ Kriteriums für ein betrachtetes Metallisierungssystem, wodurch eine zuverlässige Bewertung der Metallisierungssysteme und entsprechender Materialien und Fertigungsstrategien, die dafür verwendet werden, ermöglicht wird, während in anderen Fällen eine Korrelation in Bezug auf die gesamte Zuverlässigkeit über die Lebensdauer von in Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelementen ermittelt wird, wodurch eine Bewertung des Einflusses gewisser Materialien und Fertigungsprozesse auf das endgültige Verhalten der im Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelemente ermöglicht wird.
Mit Bezug zu den 2a bis 2i werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, wobei auch auf die 1a und 1b verwiesen wird, beispielsweise im Hinblick auf die Struktur eines Metallisierungssystems, und dergleichen.
2a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 200 mit einem Metallisierungssystem 200, das ein komplexes Materialsystem aufweist, beispielsweise auf der Grundlage dielektrischer Materialien mit kleinem ε, ULK-Materialien und dergleichen, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. Folglich enthält das Metallisierungssystem 220 typischerweise mehrere Metallisierungsschichten, wobei eine abschließende Metallisierungsschicht mit einer Kontaktstruktur verbunden ist, die ausgebildet ist, so dass diese direkt mit einer entsprechenden Kontaktstruktur eines Trägergehäuses verbunden wird, wie dies auch zuvor erläutert ist. Somit umfasst das Metallisierungssystem 220 ein dielektrisches Material 252, das als eine abschließende Passivierungsschicht und dergleichen betrachtet werden kann, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist. Ferner ist ein Repräsentant einer Chipkontaktstruktur, der ein Chipkontaktelement 210 angegeben ist, vorgesehen und steht in Verbindung mit einem Metallgebiet, das in dem Metallisierungssystem 220 ausgebildet ist, wobei dieses der Einfachheit halber nicht in 2a gezeigt ist. Somit erstreckt sich das Kontaktelement 210 über das dielektrische Material 252 hinaus und ist auch mechanisch damit verbunden, so dass entsprechende mechanische Kräfte, die auf das Kontaktelement 210 einwirken, auch in das dielektrische Material 252 und somit auch die Tiefe des Metallisierungssystems 220 zu einem gewissen Grade übertragen werden, wie dies auch zuvor erläutert ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Kontaktelement 210 ein „Lothöcker“ mit einem bleifreien Lotmaterial, während in anderen Fällen eine Metallsäule (nicht gezeigt) vorgesehen wird, beispielsweise in Form einer Kupfersäule, möglicherweise mit weiteren Deckmaterialien und dergleichen, wie sie häufig in modernsten Chip-Gehäuse-Kontaktstrukturen verwendet werden. Um die mechanischen Eigenschaften des Metallisierungssystems 220 zu bewerten, ist ein Messsystem 200 vorgesehen, das in geeigneter Weise ausgebildet ist, um eine mechanische Verspannung individuell auf das einzelne Kontaktelement 210 auszuüben, um damit eine mechanische Verspannung in dem Metallisierungssystem 220 hervorzurufen. Das Messsystem 200 ist ferner geeignet ausgebildet, um mindestens einen Parameter in quantitativer Weise zu erfassen, d. h. einen Wert für den betrachteten Parameter so zu erfassen, dass eine Bewertung einer Antwort des Systems 220 auf die in dem Messsystem 220 ausgeübte mechanische Verspannung bzw. Belastung ermöglicht wird. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Messsystem 200 eine Sonde 291, die ein mechanisches Element repräsentiert, das geeignet so dimensioniert ist, dass es das Element 210 direkt kontaktieren kann. Zu diesem Zweck besitzt die Sonde 291 eine geeignete Spitze, beispielsweise in Form eines Diamantmaterials, eines Halbleitermaterials, eines elektrisch leitenden Materials und dergleichen, das das Kontaktieren des Elements 210 ohne eine wesentliche Deformation der Spitze der Sonde 291 ermöglicht. Beispielsweise sind viele Nano-Indenter- bzw. Tastanlagen verfügbar, die den mechanischen Kontakt von Halbleiterstrukturelementen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern ermöglichen, wobei der Grad an „Einbuchtung“ auf einen Mikrometer oder weniger gesteuert werden kann. Die Eigenschaft, eine gut definiert Bewegung der Sonde 219 bereitzustellen, beispielsweise in einer Richtung, die durch Z gekennzeichnet ist, d. h. in 2a der vertikalen Richtung, ist durch das Bezugszeichen 295 gekennzeichnet, das somit jegliche Komponenten repräsentiert, um eine spezielle Bewegung in dieser Richtung zu ermöglichen, wobei möglicherweise ein gewisser Grad an Deformation oder eine Einbuchtung in dem Element 210 hervorgerufen wird, wobei eine entsprechende Kraft, die zum Kontaktieren des Elements 210 erforderlich ist, auf der Grundlage geeigneter Kraftsensoren und dergleichen überwacht werden kann, die in ähnlicher Weise als 293 bezeichnet sind. Somit ermöglicht die Sonde 291 eine gesteuerte Bewegung entlang der Z-Richtung und ermöglicht gleichzeitig die Überwachung der erforderlichen Kraft, um damit die spezifizierte Bewegung dieser Richtung zu erzeugen.
In ähnlicher Weise umfasst das Messsystem 290 einen Mechanismus 294, der in geeigneter Weise so ausgebildet ist, dass eine Relativbewegung zwischen dem Halbleiterbauelement 200 und der Sonde 291 erzeugt werden kann. Beispielsweise wird eine bewegbare Aufnahme oder Substrathalterung, die eine gesteuerte Bewegung zumindest in einer Richtung, die durch X angegeben ist, d. h. in 2a die horizontale Richtung, verwendet, um eine Relativbewegung von mehreren Mikrometern hervorzurufen, wodurch eine gewisse mechanische Verspannung in dem Kontaktelement 210 und somit in dem Metallisierungssystem 220 hervorgerufen wird. In anderen Fällen ist die Sonde 291 so ausgebildet, dass eine Bewegung in der X-Richtung ermöglicht wird, während das Bauelement 200 fest einer Substrathalterung verbunden ist. Folglich können jegliche bekannte mechanische Komponente und Systeme zum Erzeugen einer Relativbewegung im Bereich von ungefähr 0 bis 100 µm für die Komponente 294 verwendet werden. Ferner ist das Messsystem 290 ausgebildet, eine Kraftkomponente in der X-Richtung zu bestimmen, was allgemein auf der Grundlage eines Kraftsensors oder eines anderen Indikators bewerkstelligt werden kann, der mit der resultierenden Kraft in Korrelation steht, etwa einer Energie, die Aktuatoren zugeführt wird, und dergleichen. Ein entsprechendes Krafterfassungssystem ist generell als 292 gekennzeichnet.
Beim Betreiben des Messsystems 290 wird die Sonde 291 in mechanischen Kontakt mit dem Kontaktelement 210 an einer vordefinierten Position gebracht, d. h. einer vordefinierten Position, entsprechend der X-Richtung. Zum Kontaktieren des Elements 210 wird eine vordefinierte Deformation oder Einbuchtung erzeugt, wie dies beispielsweise durch Z_x angegeben ist, wobei dies durch das System 295 überwacht werden kann. Daraufhin wird das System 294 so aktiviert, dass eine laterale Bewebung erzeugt wird, beispielsweise entlang einer vorbestimmten Strecke, wie dies beispielsweise durch ΔX gekennzeichnet ist. Während der entsprechenden lateralen Bewegung wird Bedarf eine vertikale Kraft durch 293 erfasst und die vertikale Position wird durch 295 gemessen, wodurch Information im Hinblick auf eine Deformation des Kontaktelements 210 bereitgestellt wird. Die aktuelle Position der X-Richtung wird durch 294 überwacht, während gleichzeitig die zum Initiieren der lateralen Bewegung in der X-Richtung erforderliche Kraft durch 292 überwacht wird. Folglich wird ein gewisser Grad an Deformation in dem Kontaktelement 210 hervorgerufen, was auch zu einer mechanischen Verspannung in der dielektrischen Schicht 252 führen kann, wodurch ein Bereich mit kompressiver Verspannung 252 an der Seite des Elements 210 hervorgerufen wird, die der Bewegungsrichtung zugewandt ist, während ein Zugverspannungsbereich 252t auf der gegenüberliegenden Seite hervorgerufen wird, was, wenn eine ausreichend hohe Verspannung erreicht wird, zu der Ausbildung eines Risses 252c in unmittelbarer Nähe zu dem Kontaktelement 210 führen kann. Es sollte beachtet werden, dass, wie zuvor erläutert ist, die mechanische Verspannung in der Schicht 252 von dem gesamten Aufbau des Metallisierungssystems 220 abhängen kann, so dass beispielsweise das Auftreten des Risses 252c somit den mechanischen Status des Metallisierungssystems 220 als Ganzes gibt. D. h., das Auftreten des Risses 252c ist wesentlich durch den mechanischen Status des Systems 220 bestimmt und kann damit unter verschiedenen mechanischen Bedingungen für unterschiedliche Metallisierungssystems 220 in Erscheinung treten.
2b zeigt schematisch einen Graphen, der Messergebnisse schematischer Weise darstellt, die von dem System 292 erhalten werden, wenn dieses zumindest die laterale Kraftkomponente F_x bestimmt. Wie gezeigt, beschreibt die vertikale Achse diese Kraftkomponente, die beispielsweise auf der Grundlage mehrerer unterschiedlicher Kraftsensoren ermittelt wird, während die horizontale Achse die Strecke entlang der X-Richtung repräsentiert, die als ΔX angegeben ist, d. h. die Größe der Relativbewegung, die auf der Grundlage des Systems 294 erzeugt wird. Wie angegeben, steigt die zum Bewirken der Relativbewegung ΔX erforderliche Kraft rasch an bis zu moderat hohen Werten und nimmt dann langsam mit zunehmenden Abstand ΔX ab. Beispielsweise repräsentiert die in 2b gezeigte Kurve das Metallisierungssystem 220, wenn es einen Zustand besitzt, der als ein zulässiger mechanischer Zustand betrachtet wird.
2c repräsentiert andererseits die Kurve oder Kurven der lateralen Kraftkomponenten für ein Metallisierungssystem 220, in welchem eine irrverisible Deformation, beispielsweise in Form des Risses 252c stattfindet. Wie gezeigt, kann ein signifikanter Abfall der lataralen Kraftkomponente F_x in einem gewissen kleinen Bereich der Relativbewegung ΔX erkannt werden, wodurch eindeutig das Auftreten des Risses 252c angezeigt wird. Auf der Grundlage mehrerer Messkurven können somit geeignete Referenzdaten ermittelt werden, um damit ein gewünschtes quantitatives Kriterium zum Bewerten des mechanischen Zustands eines Metallisierungssystems von Halbleiterbauelementen zu definieren. Beispielsweise wird eine kritische Kraft innerhalb eines speziellen Bereichs an lateraler Bewegung ermittelt, die somit ein „zulässiges“ Metallisierungssystem kennzeichnet. Für das in den 2b und 2c gezeigte Beispiel kann eine entsprechende kritische Sollkraft innerhalb eines Bereichs ΔX von 10 bis 20 µm ermittelt werden, wobei dies die Grenze für zulässige Metallisierungssysteme repräsentiert, solange ein entsprechendes Messergebnis über einer entsprechenden kritischen Kraft bleibt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass andere geeignete Korrelationen und Kriterien auf der Grundlage der mechanischen Antwort des Metallisierungssystems 220 in Bezug auf mechanische Verspannungsbedingungen, die durch das Messsystem 290 hervorgerufen werden, ermittelt werden können.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Kontaktelement 210 in Form einer Metallsäule, etwa einer Kupfersäule vorgesehen, die eine höhere Steifigkeit im Vergleich zu Lothöckern besitzt, wodurch eine höhere mechanische Verspannung in das Metallisierungssystem 220 für ansonsten identische Messbedingungen einführt, so dass auch in diesem Falle die resultierende Bewertung des mechanischen Status für zusätzliche Toleranzbereiche in den Metallisierungssystemen sorgt, in denen Lothöcker anstelle von Metallsäulen vorgesehen sind. Durch Vorsehen einer Metallsäule als Kontaktelement 210 kann ferner eine sehr gut definierte Oberfläche für die Kontaktierung durch die Sonde 291 bereitgestellt werden, wodurch auch ein geringer Grad an Deformation durch die vertikale Kraft F_z hervorgerufen wird.
2d zeigt schematisch das Messsystem 290 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen zusätzlich zu der Sonde 291 und dem entsprechenden Mechanismus (nicht gezeigt) zum Betreiben der Sonde 291 ein Überwachungssystem eingerichtet wird, beispielsweise in Form eines sondierenden Strahles, etwa eines Elektronenstrahles 296, in Form eines Strahldetektors 297 und einer Überwachungs- und Steuereinheit 298. Beispielsweise sind die Komponenten 297, 298 Teil eines Systems, das ausgebildet ist, Elektronenmikroskopie durchzuführen, wobei dies in einigen anschaulichen Ausführungsformen beim Ausüben der mechanischen Verspannung auf das Metallisierungssystem 220 erfolgt. Folglich können zusätzliche Informationen im Hinblick auf die Materialbeeinträchtigung und dergleichen aus dem System 220 vorzugsweise in der Nähe des Kontaktelements 210 unter Anwendung des Überwachungssystems 297, 298 gewonnen werden. Beispielsweise kann das Auftreten von jeglichen Rissen zuverlässig auf der Grundlage von Elektronenmikroskopie detektiert werden, so dass entsprechende von dem System 298 erfasst Daten zum Ermitteln einer geeigneten Korrelation zwischen der mechanischen Belastung, die auf das Kontaktelement 210 ausgeübt wird, und der entsprechenden mechanischen „Antwort“ des Systems 220 verwendet werden können. Ferner können bei Bedarf auch im Wesentlichen kontinuierliche Materialmodifizierungen durch das Messsystem 290 beim Ausüben einer mechanischen Belastung auf das System 220 beobachtet werden, so dass eine Korrelation mit einer gewünschten feinen Auflösung im Hinblick auf eine gewisse Eigenschaft des Systems 220 ermittelt werden kann. Beispielsweise kann eine Änderung in der Materialdichte in der Nähe des Kontaktelements 210 beobachtet und als eine Angabe der mechanischen Antwort des Systems 220 in Bezug auf den angewendeten mechanischen Stimulus, der durch die Sonde 291 bereitgestellt wird, verwendet werden.
2e zeigt schematisch das Messsystem 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen zusätzlich oder alternativ zu einer reinen mechanischen Angabe, etwa einer lateralen Kraftkomponente F_x ein elektrischer Parameter als ein Parameter zum Anzeigen des Zustands des Systems 220 verwendet wird. In der gezeigten Ausführungsform enthält die Sonde 291 eine elektrisch leitende Sondenspitze 291a, die mit dem Element 210 in Kontakt ist. Ferner ist das Kontaktelement 210 elektrisch mit einer beliebigen Art an leitendem Gebiet 222 verbunden, etwa einer Kontaktanschlussfläche, einem Kontaktelement ähnlich zu dem Element 210, und dergleichen, wobei dies über einen leitenden Pfad 221 erfolgt, der in dem Metallisierungssystem 220 eingerichtet ist. Ferner umfasst das Messsystem 290 eine Elektrodensonde 291b, die mit dem leitenden Gebiet 222 in Kontakt gebracht wird. Wenn eine mechanische Belastung auf das Kontaktelement 210 erfolgt, kann somit die mechanische „Antwort“ des Systems 220 letztlich Kontaktfehler entlang des Pfades 221 führen, der somit durch das Messsystem 290 erfasst wird. Beispielsweise kann eine Zunahme im Widerstand oder ein vollständiger Kontaktfehler beim mechanischen Belasten des Systems 220 umfasst werden. Auf diese Weise kann auch ein Parameterwert oder ein Parameterbereich als ein kritischer Parameter zum Bewerten des mechanischen Status des Metallisierungssystems 220 verwendet werden.
Es sollte beachtet werden, dass andere elektrische Parameter verwendet werden können, etwa die Kapazität, die Induktivität, wobei etwa eine Modifizierung der dielektrischen Eigenschaften erfasst werden kann, die mit der mechanischen Belastung korreliert sind, die an das System 220 angelegt wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden zwei elektrische Sonden vorgesehen, unabhängig zur Sonde 291, um damit eine elektrische Eigenschaft, etwa Widerstand, Kapazität und dergleichen zwischen entsprechenden Kontaktelementen zu bestimmen, deren elektrische Antwort durch die mechanische Belastung, die über das Kontaktelement 210 hervorgerufen wird, beeinflusst ist. Beispielsweise kann der Abstand zwischen zwei Leiterbereichen durch die mechanische Verspannung beeinflusst werden und die kapazitive Modifizierung, die sich daraus ergibt, kann durch spezielle elektrische Sonden detektiert werden, ohne dass erforderlich ist, dass die Sonde 291 elektrisch leitfähig ist.
2f zeigt schematisch das Messsystem 290 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen das Metallisierungssystem 220 durch einen geeigneten Mechanismus auf der Grundlage akustischer Energie 296b sondiert wird. Die akustische Energie 296b wird auf das System 220 in der Nähe des Kontaktelements 210 übertragen, das mechanisch durch die Sonde 291 beaufschlagt wird. Dazu umfasst das System 290 einen geeigneten Sender/Empfänger akustischer Energie 297b, wie sie auch für akustische Mikroskopieanlagen und dergleichen verwendet werden. D. h., akustische Energie bzw. Schallenergie, beispielsweise in Form von Ultraschall geeignet ausgewählter Frequenzen, wird auf das System 220 übertragen und davon reflektiert, wobei dies von dem Detektor 297b erfasst wird. Beispielsweise wird Ultraschallenergie mit Frequenzen bis zu mehreren Gigahertz verwendet, wobei diese empfindlich ist für Änderungen in der Oberfläche des Systems 220 und auch zu einem gewissen Grade hinein in die Tiefe des Systems 220, wodurch das Bestimmen einer oder mehrerer Eigenschaften des Systems 220 ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Ausbildung von Rissen an und in der Nähe der Oberfläche des Systems 220 effizient auf der Grundlage akustischer Mechanismen erfasst werden, beispielsweise durch Bereitstellen kurzer Ultraschallpulse und durch Analysieren der reflektierten Ultraschallpulse. Durch Bereitstellen der Komponente 297 in unmittelbarer Nähe zu dem Element 210 können insbesondere Risse erkannt werden, die in der Nähe des Elements 210 auf Grund der mechanischen Verspannung dielektrischer Materialien des Systems 220 hervorgerufen wurden. Beispielsweise ist die Komponente 297b mechanisch mit der Sonde 291 gekoppelt und kann somit einen Teil davon repräsentieren, wodurch automatisch die Komponente 297b in geeigneter Weise zu dem interessierenden Bereich des Metallisierungssystems 220 ausgerichtet ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) wird die Komponente 297b individuell über einen Bereich des Systems 220 bewegt, wodurch das interessierende Gebiet zum Erhalten von Informationen über jegliche Modifizierungen des Metallisierungssystems 220 vergrößert wird. Wie gezeigt, kann Ultraschallenergie höhere Frequenzen ein moderat dichtes Medium erfordern, um die akustische Energie zwischen der Komponente 297b und dem System 220 zu übertragen. In diesem Falle kann eine geeignete Flüssigkeit, etwa Wasser, verwendet werden, beispielsweise in lokaler Weise, um damit geeignete Messbedingungen zu schaffen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen überträgt die Komponente 297b die akustische Energie direkt über die Sonde 291 zu dem Kontaktelement 210 und somit in das System 220. In anderen Fällen ist die Komponente 207b direkt mit der Oberfläche 220 so gekoppelt, dass die Oberfläche auf der Grundlage von Ultraschallpulsen angeregt wird, ohne dass ein zusätzliches Zwischenmedium erforderlich ist.
2g zeigt schematisch das Messsystem 290 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, in der das System 290 ausgebildet ist, spezielle Umgebungsbedingungen 299 einzurichten, beispielsweise durch Eintauchen der Sonde 291 und des Metallisierungssystems 220 in eine Flüssigkeit, etwa Wasser und dergleichen, während in anderen Fällen andere Umgebungsbedingungen in Form von erhöhter Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und dergleichen eingerichtet werden. Unter Anwendung von hohen Drucken oder eines flüssigen Mediums in der Umgebung 299 kann beispielsweise eine globale Bestimmung eines Zustands des Metallisierungssystems 220 erreicht werden, beispielsweise durch Ultraschallsondierung des Halbleiterbauelements, wodurch Information in einer globaleren Weise erhalten werden, die ebenfalls als eine Angabe für die Antwort des Metallisierungssystems 220 und somit seines mechanischen Status verwendet werden können.
2h zeigt schematisch das Messsystem 290 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, in der die Sonde 291 ausgebildet und so gesteuert wird, dass im Wesentlichen die laterale Kraftkomponente F_x bereitgestellt wird, ohne dass eine ausgeprägte vertikale Kraftkomponente erforderlich ist. Beispielsweise wird die Form der Sonde 291 an die Form des Kontaktelements 210 so angepasst, dass ein großer zweidimensionaler Kontaktbereich entsteht, wodurch eine ausgeprägte Einbuchtung in dem Kontaktelement 210 vermieden wird. Folglich entspricht die resultierende Kraft des Kontaktelements 210 in präziserer Weise der mechanischen Antwort des Metallisierungssystems 220 als Ganzes.
2i zeigt schematisch das Messsystem 200, in welchem die Sonde 291 eine geeignete Konfiguration besitzt, um damit das Kontaktelement 210 zu „ergreifen“, wodurch somit das Ausüben jeglicher Art von mechanischer Belastung möglich ist, etwa von Translationskräften, Drehmomenten, oder einer Kombination davon. Ferner können zusätzlichen zu den abwärts gerichteten Kräften auch aufwärts gerichtete Kräfte angewendet werden, wodurch ein höherer Grad an Flexibilität beim Gestalten geeigneter Teststrategien bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Sonde 291 eine pinzettenartige Konfiguration besitzen, mit beispielsweise mehreren individuellen Komponenten 291e, 291f, die so betrieben werden, dass diese das Kontaktelement 210 fest umschließen und somit das Übertragen des gewünschten mechanischen Stimulus auf das Kontaktelement 210 ermöglichen.
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Messsysteme und Messstrategien bereit, in denen der mechanische Status eines komplexen Metallisierungssystems bewertet werden kann, indem ein mechanischer Stimulus einem einzelnen Chipkontaktelement zugeführt wird und indem zumindest ein Parameterwert für einen Parameter bestimmt wird, der die mechanische Antwort des Metallisierungssystems auf den mechanischen Stimulus angibt. Da die entsprechende mechanische Belastung, die auf das Metallisierungssystems ausgeübt wird, mit hoher Präzision und in reproduzierbarer Weise erzeugt wird, können „standardisierte“ Testprozeduren und Testkriterien ermittelt werden, wodurch eine effiziente Bewertung von Metallisierungssystemen als Ganzes möglich ist. Ferner können die Testprozeduren und Strategien effizient mit Halbleiterbauelementen in weiter fortgeschrittenen Fertigungsphasen in Korrelation gesetzt werden, d. h., wenn diese im Gehäuse sind, wodurch weitere Informationen über die Auswirkungen des mechanischen Status des Metallisierungssystems auf die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und dergleichen des im Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelements bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine Korrelation zwischen der thermischen Belastung während des Betriebs des im Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelements und der mechanischen Antwort des Metallisierungssystems, die durch die zuvor erläuterten Messstrategien gewonnen wurde, ermittelt werden, so dass beispielsweise viele Parameter im Hinblick auf die Relevanz hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Lebensdauer ermittelt werden.

Claims

Verfahren mit: Hervorrufen einer mechanischen Belastung in einem dielektrischen Material (252) eines Metallisierungssystems (220) eines Halbleiterbauelements (200) durch Ausüben einer lateralen mechanischen Kraft (F_x) auf ein einzelnes Chipkontaktelement (210), das in dem Metallisierungssystem (220) ausgebildet ist und sich über eine Oberfläche des dielektrischen Materials (252) hinaus erstreckt; und Bestimmen mindestens eines Parameterwertes, der eine Antwort des dielektrischen Materials (252) auf die hervorgerufene mechanische Belastung angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Chipkontaktelement (210) ein bleifreier Lothöcker ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Chipkontaktelement (210) eine Metallsäule ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Metallsäule Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen mindestens eines Parameterwertes, der eine Antwort des dielektrischen Materials (252) auf die ausgeübte mechanische Belastung angibt, umfasst: Überwachen eines zeitlichen Verlaufs der lateralen Kraft, die auf das Kontaktelement (210) einwirkt, und Verknüpfen des zeitlichen Verlaufs mit einem Zustand des dielektrischen Materials (252).
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bestimmen eines Zustands eines Bereichs (252T) der Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Bestimmen eines Zustands eines Bereichs der Oberfläche umfasst: Absuchen des Bereichs nach einem Riss (252C).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen mindestens eines Parameterwertes, der die Antwort des dielektrischen Materials (252) auf die hervorgerufene mechanische Belastung angibt, umfasst: Übertragen von akustischer Energie in das Metallisierungssystem (2209 und Erfassen einer reflektierten akustischen Energie, die von dem Metallisierungssystem erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen mindestens eines Parameterwertes, der eine Antwort des dielektrischen Materials (252) auf die hervorgerufene mechanische Belastung angibt, umfasst: Bestimmen mindestens einer elektrischen Eigenschaft des Metallisierungssystems (220), wenn die laterale mechanische Kraft (F_x) auf das Kontaktelement (210) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Bestimmen mindestens einer elektrischen Eigenschaft des Metallisierungssystems (220) umfasst: Kontaktieren des Chipkontaktelements (210) durch eine elektrisch leitende Sonde (291) und Erzeugen eines Stromflusses durch das Chipkontaktelement (210).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bestimmen mindestens eines Parameterwertes, der eine Antwort des dielektrischen Materials auf die hervorgerufene mechanische Belastung angibt, umfasst: Überwachen mindestens eines Teils des dielektrischen Materials durch Elektronenmikroskopie beim Ausüben der mechanischen Belastung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bewerten einer mechanischen Stabilität des Metallisierungssystems (220) unter Anwendung des zumindest einen Parameterwertes.
Verfahren mit: Bestimmen einer kritischen Kraft, die zum Erzeugen einer irreversiblen Deformation eines dielektrischen Materials (252) eines Metallisierungssystems (220) eines Halbleiterbauelements (200) erforderlich ist, indem eine laterale Kraft (Fx) auf ein Chipkontaktelement (210) ausgeübt wird, das in dem Metallisierungssystem (220) ausgebildet ist und sich über eine Oberfläche des dielektrischen Materials (252) hinaus erstreckt; und Verwenden der kritischen Kraft zur Bewertung einer mechanischen Stabilität des Metallisierungssystems (220).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Ausüben einer lateralen Kraft auf das Chipkontaktelement umfasst: Anwenden der lateralen Kraft derart, dass eine Zugverspannung und eine kompressive Verspannung in einem Bereich des dielektrischen Materials hervorgerufen werden, der lateral benachbart zu dem Chipkontaktelement vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die laterale Kraft individuell auf das Chipkontaktelement (210) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Bestimmen mindestens einer Materialeigenschaft des dielektrischen Materials beim Ausüben der lateralen Kraft auf das Chipkontaktelement.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei Bestimmen der mindestens einen Materialeigenschaft umfasst: Einwirken mittels eines Elektronenstrahles und/oder mittels akustischer Energie auf zumindest einen Bereich des Metallisierungssystems und Erfassen einer Antwort des mindestens einen Bereichs des Metallisierungssystems auf die Einwirkung durch den Elektronenstrahl und/oder die akustische Energie.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Bestimmen mindestens einer elektrischen Eigenschaft des Metallisierungssystems nach dem Anwenden der lateralen Kraft auf das Chipkontaktelement.
Messsystem (290) mit: einer Sonde (291), die ausgebildet ist, individuell eine laterale Kraft (F_x) auf ein Chipkontaktelement (210) auszuüben, das einem Metallisierungssystem (220) eines Halbleiterbauelements (200) ausgebildet ist und sich über eine Oberfläche eines dielektrischen Materials (252) des Metallisierungssystems (220) hinaus erstreckt; und einem Erfassungssystem (292, 295, 297, 298), das ausgebildet ist, mindestens einen Parameterwert bereitzustellen, der eine mechanische Antwort des Metallisierungssystems (220) auf die auf das Chipkontaktelement (210) ausgeübte laterale Kraft angibt.
Messsystem nach Anspruch 19, wobei der mindestens eine Parameterwert die Größe der lateralen Kraft ist, die auf das Chipkontaktelement (210) einwirkt.
Messsystem nach Anspruch 19, wobei der mindestens eine Parameterwert einen akustischen Signalwert und/oder ein Bild eines Elektronenmikroskops und/oder ein elektrisches Signal umfasst.