Abstract
Copper metallizations used in modern power semiconductors have to withstand cyclic thermo-mechanical loading over the full operational life-time. Hence, detailed knowledge about the microstructural changes is required to better understand ongoing fatigue mechanisms and specifically to enable improvement of the fabrication process. Therefore, a microstructural characterization method was applied which combines a site-specific analysis using atomic force microscopy (AFM) and electron backscatter diffraction (EBSD) throughout thermal cycling. Studying the same surface area with AFM and EBSD enables a determination of global microstructural parameters, such as surface roughness, grain size, and grain boundary characteristics with cycling, and hence exhibits a great potential for universal microstructural analysis regardless of the loading process. We report about combining topographical and crystallographic information by tracking the identical surface area. Our observations indicate diffusional mass transport at grain boundaries, quantified by height profile evolution, grain growth, and twin boundary migration.
Zusammenfassung
Kupfermetallisierungen, welche in modernen Hochleistungshalbleitern eingesetzt werden, müssen zyklischen thermomechanischen Belastungen während der Einsatzzeit standhalten. Ein detailliertes Wissen über die mikrostrukturellen Änderungen ist notwendig, um ein besseres Verständnis über die ablaufenden Ermüdungsmechanismen zu erhalten und eine gezielte Verbesserung des Fabrikationsprozesses zu ermöglichen. Daher wurde eine mikrostrukturelle Charaktersierungsmethode angewendet, welche eine ortsspezifische Analyse mittels Elektronen-Rückstreu-Beugung (EBSD) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) während des thermischen Zyklierprozesses kombiniert. Die Untersuchung des identen Oberflächenausschnitts mit AFM und EBSD ermöglicht es, globale Aussagen über die Schichtrauigkeit, Korngröße und Korngrenzcharakteristiken mit fortlaufender Zyklenanzahl zu treffen, was großes Potential als universell einsetzbare mikrostrukturelle Analysemethode unabhängig vom jeweiligen Belastungsregime zeigt. Die Kombination topographischer und kristallographischer Informationen auf demselben Oberflächenabschnitt erlaubt zusätzlich die Untersuchung spezieller mikrostruktureller Bestandteile während des Zyklierprozesses, beispielsweise diffusionsgesteuerten Massentransport an den Korngrenzen, quantifiziert durch Höhenprofilevolutionen sowie Kornwachstum und Zwillingskorngrenzbewegung.
Similar content being viewed by others
References
Bose, B. K.: Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters, Industry Applications, IEEE Transactions on, 28 (1992), no. 2, 403–413
Nix, W. D.: Mechanical Properties of Thin Films, Metallurgical transactions A, 20 (1989), no. 11, 2217–2245.
Vinci, R.; Zielinski, E.; Bravman, J.: Thermal Strain and Stress in Copper Thin Films, Thin Solid Films, 262 (1995), no. 1, 142–153
Flinn, P. A.; Gardner, D. S.; Nix, W. D.: Measurement and Interpretation of Stress in Aluminum-Based Metallization as a Function of Thermal History, Electron Devices, IEEE Transactions on, 34 (1987), no. 3, 689–699
Zhang, G. P.; Volkert, C. A.; Schwaiger, R.; Mönig, R.; Kraft, O.: Fatigue and Thermal Fatigue Damage Analysis of Thin Metal Films, Microelectronics Reliability, 47 (2007), no. 12, 2007–2013
Evans, A. G.; Hutchinson, J. W.: The Thermomechanical Integrity of Thin Films and Multilayers, Acta Metallurgica et Materialia, 43 (1995), no. 7, 2507–2530
Robl, W.; Melzl, M.; Weidgans, B.; Hofmann, R.; Stecher, M.: Last Metal Copper Metallization for Power Devices, Semiconductor Manufacturing, IEEE Transactions on, 21 (2008), no. 3, 358–362
Lloyd, J. R.; Clemens, J.; Snede, R.: Copper Metallization Reliability, Microelectronics Reliability, 39 (1999), no. 11, 1595–1602
Heinz, W.; Dehm, G.: Grain Resolved Orientation Changes and Texture Evolution in a Thermally Strained Al Film on Si Substrate, Surface and Coatings Technology, 206 (2011), no. 7, 1850–1854.
Lita, A. E.; Sanchez Jr, J. E.: Characterization of Surface Structure in Sputtered Al Films: Correlation to Microstructure Evolution, Journal of applied physics, 85 (1999), no. 2, 876–882
Necˇas, D.; Klapetek, P.: Gwyddion: An Open-Source Software for Spm Data Analysis [In English], Central European Journal of Physics, 10 (2012/02/01 2012), no. 1, 181–188
Chavez, K.; Hess, D.: A Novel Method of Etching Copper Oxide Using Acetic Acid, Journal of The Electrochemical Society, 148 (2001), no. 11, G640-G643
Field, D. P.; True, B. W.; Lillo, T. M.; Flinn, J. E.: Observation of Twin Boundary Migration in Copper During Deformation, Materials Science and Engineering: A, 372 (2004), no. 1–2, 173–179
Acknowledgements
The work was performed in the project EPPL, financially supported by grants from Austria, Germany, The Netherlands, France, Italy, Portugal, and the ENIAC Joint Undertaking (ENIAC JU Grant Agreement no. 325608). This project is co-funded within the programme “Forschung, Innovation und Technologie für Informationstechnologie” by the Austrian Ministry for Transport, Innovation and Technology.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Bigl, S., Wurster, S., Cordill, M. et al. Site Specific Microstructural Evolution of Thermo-mechanically Fatigued Copper Films. Berg Huettenmaenn Monatsh 160, 235–239 (2015). https://doi.org/10.1007/s00501-015-0355-4
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s00501-015-0355-4
Keywords
- Atomic force microscopy (AFM)
- Electron backscatter diffraction (EBSD)
- Cu films
- Thermo-mechanical behaviour
- Microstructural evolution
- Twin boundary migration