Quality evaluation of new thick copper metallization layer and copper wires in smart power integrated circuits

This thesis work has been developed during an internship for STMicroelectronics s.r.l, in Reliability and Failure Analysis laboratory sited in Cornaredo plant (Milan, Italy). The aim of the work is the validation of quality of both a new industrial process and thick copper wires in Smart Power integrated circuits for Automotive purposes. Devices are produced due to BCD technology, a longestablished industrial process to produce integrated circuits with both power electronics and logical control electronics. The most recent wafer production process introduces a new type of top layer copper metal interconnection, called Re-Distribution Layer (RDL). During the internship, a very in-depth study about compatibility between RDL and assembly process was carried out, focusing on the resistance of passivation and intermediate insulating layers against cracks, both caused by thermoelastic coupling and by stresses during wire bonding process. Devices were submitted to thermal cycles tests, up to very advanced wear-out conditions; then, they were submitted to electrical failure analysis. After that, devices were decapped and passivation layer was inspected by optical microscope and SEM, also introducing some innovations in the physical analysis methods. Moreover, some FIB cross-sections of the interconnection layers were performed. At the end of tests, reliability of new production process has been verified, as like thick copper wires' one. On the contrary, thin copper wires did not comply with reliability requirements and caused several electrical failures.

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato durante uno stage svolto presso STMicroelectronics s.r.l, nei laboratori di Affidabilità e Failure Analysis dello stabilimento di Cornaredo (MI). Lo scopo del lavoro è la qualifica di un nuovo processo produttivo e dell'impiego di fili in rame di grande calibro per circuiti integrati della famiglia Smart Power dedicati al segmento Automotive. I dispositivi sono prodotti mediante tecnologia BCD, un processo produttivo consolidato in grado di unire in un solo circuito integrato l'elettronica di potenza e di controllo. Il nuovo processo di produzione dei wafer prevede l'impiego di un nuovo tipo di metallizzazioni in rame per l'ultimo livello di interconnessione, chiamato Re-Distribution Layer (RDL). In questa tesi è stato eseguito uno studio approfondito della compatibilità tra l'RDL e il processo di assemblaggio, concentratosi sulla resistenza ai cracks degli strati di passivazione e di intermedi isolanti, siano essi indotti da sforzi termoelastici o dalla procedura di bonding dei fili. I dispositivi sono dunque stati sottoposti a prove di cicli termici fino a portarli in condizioni di usura molto avanzata, quindi sottoposti all'analisi di eventuali fallimenti elettrici. I dispositivi sono poi stati aperti ed ispezionati mediante microscopio ottico e SEM, introducendo anche alcune innovazioni nelle procedure di analisi fisica. Sono inoltre state eseguite alcune microsezioni mediante il FIB. Al termine delle prove si è potuta accertare la qualifica dell'RDL e quella del filo di rame di calibro maggiore. Sono invece stati squalificati i fili di rame di piccolo calibro, in quanto causa di numerosi fallimenti elettrici.