Ottimizzazione di processo per l’aumento della capacità produttiva di un impianto industriale di elettro-deposizione di rame per dispositivi elettronici su wafer di silicio

This thesis project was conducted in the ST Microelectronics production plant in Agrate Brianza, in the context of the plant industrial step of Metal Layer Plating for electronic devices on silicon wafers. The aim of the work was the qualification of a Through Mask Electrochemical Copper Deposition process upgrade, in order to improve the plant production capacity. The purpose of the qualification work was to prove that increasing the plating deposition rate lead to products with aligned characteristics with those obtained using the current deposition rate. This work is split in two parts. For the first part, the goal was to design the new process, including a new calibration line, electrical current and operating conditions settings. Different products with various open area values were used to measure Cu layer thickness uniformity and mechanical stress on wafers. In the second part, reliability of recipes obtained from the new calibration line was tested as follows: products with different transmission factors were tested in order to ensure compliance for production functional parameters within specification limits and aligned with hystorical data; also reliability and device proper functioning during use was tested. Conformity trials included: plated Cu morphology study, Cu thickness and Cu uniformity check on single wafer and on single die, before and after structure finishing; critical structures fill check through cross sections SEM images and electrical tests; mechanical properties analysis, grain size measurements using cross sections SEM images, Young Modulus and Cu hardness measurements with nanoindenter, before and after annealing. Reliability trials included HTS tests to get information on electromigration and downgrading phenomena by electrical parameters drift as a result of annealing; bonding and cratering tests to ensure the packaging final performance. The qualification work has verified that, using the new deposition rate, product properties remain aligned with those previously obtained, allowing production upgrade implementation in the future.

Il progetto esposto in questo lavoro di tesi è stato svolto presso lo stabilimento produttivo di STMicroelectronics ad Agrate Brianza, nell’ambito del processo industriale di deposizione di layer metallici su dispositivi elettronici su wafer di silicio. Il lavoro ha riguardato la qualifica di un upgrade per il processo di deposizione di rame Through Mask Electrochemical Deposition, per aumentare la capacità produttiva. Il lavoro di qualifica ha avuto l’obbiettivo di provare che un passaggio ad una velocità di deposizione più alta porti ad ottenere prodotti con caratteristiche allineate a quelle finora ottenute con quella attualmente in uso. Il lavoro è stato articolato in due parti. La prima parte ha avuto come obbiettivo il design del nuovo processo, quindi la ricerca di una nuova retta di taratura, set di correnti elettriche, condizioni al contorno dell’attrezzatura. Sono stati utilizzati diversi prodotti a diversa area esposta, sui quali sono state fatte indagini di spessore di rame deposto ed uniformità dello stesso, misura dello stress meccanico sui wafer. Nella seconda parte è stata confermata la validità delle ricette ricavabili dalla nuova retta di taratura: sono state fatte prove deponendo su diversi prodotti così da garantire sia la conformità a parametri funzionali di produzione, rispetto ai limiti di specifica ed allineamento con lo storico, sia l’affidabilità e il corretto funzionamento del prodotto durante il suo impiego. Le indagini di conformità hanno compreso: studio della morfologia del rame deposto attraverso misure con profilometro, di spessore ed uniformità intra wafer e intra die, anche dopo finitura; verifica riempimento delle strutture più soggette a criticità con immagini SEM di sezioni e test elettrici; analisi delle proprietà meccaniche, dimensione dei grani tramite immagini SEM, misura del modulo di Young e della durezza con nanoindetatore, anche a seguito di annealing termico. Le prove di affidabilità hanno compreso: test HTS di electromigration e downgrading, studio della deriva dei parametri elettrici a seguito di annealing prolungato; prove di bonding e cratering, per garantire l’efficienza del packaging finale, che assicura al singolo dispositivo di essere protetto dall’ambiente esterno durante l’utilizzo. Il lavoro di qualifica ha verificato che con la nuova velocità di deposizione sia possibile ottenere prodotti con le stesse proprietà finora ottenute, permettendo la futura implementazione dell’upgrade a livello di fabbrica.