Zuverlässigkeit von Halbleitersystemen sichern | Über Analyse, Test und Fehlerdiagnostik von heterogenen Systemen

Wir analysieren vor allem prozessbedingte Defektausprägungen und anwendungsspezifische Versagensmechanismen in elektronischen Bauelementen und Systemen. Unser Ziel ist es, die Ursachen für Ausfälle zu verstehen und der Industrie gezieltes Feedback zur Verbesserung ihrer Herstellungstechnologien und für Bauteil-Designs zu geben, um eine hohe funktionelle Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Im Geschäftsfeld »Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik« betrachten wir die gesamte Bandbreite von nanometerskaligen Transistortechnologien über integrierte Schaltkreise bis hin zu elektronischen Bauelementen, Leiterplatten und ganzen elektronischen oder mechatronischen Systemen. Hierbei liegt ein zentraler Schwerpunkt auf der Automobilelektronik, insbesondere in der Zusammenarbeit mit Zulieferern und großen Industrieunternehmen in Deutschland. Hier gibt es besonders anspruchsvolle Fragestellungen wegen der sehr hohen Qualitätsansprüche und harschen Umgebungen, in der die Elektronik im Einsatz zuverlässig funktionieren muss.

Seit diesem Jahr übernehme ich zudem die administrativen Aufgaben des Instituts als stellvertretender Institutsleiter.

Das Institut hat historisch eine sehr hohe Expertise im Bereich der Elektronenmikroskopie aufgebaut – einer hochauflösenden Mikroskopietechnik, die es erlaubt, bis in die atomare Struktur von Materialien hineinzuschauen. Mittlerweile ist unser Methodenspektrum allerdings deutlich breiter. Wir verfügen über zahlreiche Analysetechniken zur mikroskopischen Lokalisierung von Defekten, aufeinander abgestimmte Präparationstechniken, mikroskopische Abbildungstechniken samt Bestimmung von Elementzusammensetzungen bis hin zur Spurenanalytik. Das Portfolio wird ergänzt durch zahlreiche mikromechanischen Prüfverfahren und abgerundet mit Simulationskompetenzen zur Modellierung von Bauteilverhalten und Versagensmechanismen.

Eine Besonderheit des Instituts im Verbund der FMD ist, dass wir im Bereich der Elektronik selbst keine Technologien entwickeln, sondern die Technologieentwicklung anderer Forschungsinstitute und Industriepartner begleiten. Vorrangig betreiben wir Fehlerdiagnostik, um zu verstehen, warum Bauteile in der praktischen Anwendung ausfallen. So analysieren wir beispielsweise Elektronikkomponenten in Fahrzeugen, wenn durch deren Fehlfunktion das Fahrverhalten beeinträchtigt ist.

Unsere Arbeit hat dabei auch international eine hohe Sichtbarkeit. Wir veranstalten schon seit vielen Jahren einen Industrie-Workshop im Bereich Fehlerdiagnostik, der stets zahlreiche Teilnehmer:innen aus ganz Europa anzieht.

Eine Besonderheit ist zudem: Obwohl das Institut selbst nur eine Abteilung mit Fokus auf die Mikroelektronik hat, sind wir seit kurzem Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Hier sind wir mit unserer Abteilung natürlich sehr aktiv und bringen unsere geballte Expertise im Bereich Zuverlässigkeitsforschung und Fehlerdiagnostik ein.

Die CTR-Plattform steht für Characterization, Test und Reliability – also Charakterisierung, Test und Zuverlässigkeit. Sie legt einen starken Fokus auf die Analyse und die Bewertung von Bauelementen und greift dabei auf Methoden zurück, die unser Institut bereits in anderen Bereichen einsetzt.

Charakterisierung umfasst dabei eine Vielzahl von Methoden. Bauelemente müssen während der gesamten Prozessentwicklung schrittweise untersucht werden, um sicherzustellen, dass sie die gewünschten Funktionen und Performances liefern. Dazu gehören elektrische Funktionstest auf Wafer- und Bauelementebene – je nach Anwendung auch bis in den Hochfrequenzbereich – sowie mikroskopische Analyseverfahren, die dazu dienen, Prozessabweichungen zu untersuchen, zu verstehen und abzustellen. Die Prozesscharakterisierung erfolgt innerhalb oder nahe der Fertigungslinien. Wir unterstützen die Prozessentwicklung und -qualifizierung mit zusätzlichen, insbesondere sehr hochauflösenden Techniken, die in den Technologie-Instituten oder der Industrie nicht verfügbar sind.

Das elektrische Testen bezieht sich auf die Überprüfung der Funktionalität und Performance der Bauelemente. Entsprechende Tests beginnen bereits auf der Ebene einzelner Teststrukturen und Chips unter Verwendung von Kontaktstiften und Prüfkarten. Zusätzlich wird nach der Kontaktierung und Verhausung das gesamte Bauelement getestet, was bei komplexen 3D-integrierten Bauelementen sehr aufwendig werden kann, insbesondere wenn z.B. noch photonische Komponenten dazu kommen. Diese Tests, insbesondere auf Waferebene, erfordern einen hohen Durchsatz, was sehr hohe Anforderungen an die Kontaktierungstechnik und Messtechnik mit sich bringt.

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit schließlich betrifft die Absicherung der Funktionalität über die spezifizierte Lebensdauer der Bauteile, besonders unter anwendungsrelevanten Einsatzbedingungen. Besonders deutlich wird das im Automobilbereich: Elektronische Komponenten müssen in Fahrzeugen zuverlässig funktionieren, auch wenn sie wechselnden Temperaturen, Feuchtigkeit oder mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Um dies zu bewerten, werden beschleunigte Zuverlässigkeitstests mit entsprechend festgelegten Belastungsparametern durchgeführt, um Lebensdauervorhersagen zu treffen und Alterungsprozesse zu untersuchen. Anschließend werden entsprechende Degradationsmechanismen der Bauelemente hochauflösend analysiert, um deren Ursachen auf die Spur zu kommen. Hier spielt auch die Fehlerdiagnostik eine zentrale Rolle, die am Institut intensiv betrieben wird und direkt Rückschlüsse auf die Verbesserung von Bauteil-Designs und die Optimierung von Herstellungsprozessen erlaubt.

Bei der APECS-Pilotlinie geht es um die Entwicklung sehr komplexer heterogener Bauelemente, die verschiedene Technologievarianten und Chips miteinander in einem Package verbinden. Ein Schlüssel für die Attraktivität der CTR-Plattform für die Industrie ist, dass die gesamte Herstellungskette bis hin zur Qualitätssicherung umfassend mit einer sehr hohen Kompetenz und hochmodernen Ausstattung im Bereich der Charakterisierung, Tests und Fehlerdiagnostik unterstützt wird. So können z.B. bereits frühzeitig die Herausforderungen für die Zuverlässigkeit identifiziert und bewertet werden, die später in der Anwendung auftreten könnten. Dadurch werden Qualitäts- und Zuverlässigkeitsfragen gleich zu Beginn der technischen Entwicklung berücksichtigt. Das reduziert Qualitätsrisiken, beschleunigt die erfolgreiche Markteinführung und schafft damit Wettbewerbsvorteile für die europäische Industrie.

Die CTR-Plattform ist dabei für alle Technologieblöcke innerhalb von APECS relevant, denn die heterogene Integration ist auch im Hinblick auf Fehlerdiagnostik besonders anspruchsvoll. Unterschiedliche Technologien werden in sehr kompakten, komplexen Bauelementen miteinander verbunden. Dabei entstehen zahlreiche Kontaktflächen, etwa für Signalwege zwischen Chips, und die eingesetzten Materialien müssen optimal zusammenspielen. Aufgrund dessen ergeben sich besondere Herausforderungen an Qualitätssicherung und Zuverlässigkeit, ebenso werden noch effizientere Test- und Analyse-Methoden nötig.

Durch das Stapeln von Chips – also die 3D-Integration – testet man nicht mehr nur einen einzelnen Chip, der anschließend in einem Gesamtpackage noch einmal funktional geprüft wird. Stattdessen werden verschiedene Chips oder standardisierte Chip-Lösungen, sogenannte Chiplets, miteinander verbunden und gemeinsam in einem Bauelement integriert.

Dabei kommen auch neue Herstellungsverfahren zum Einsatz, etwa das hybride Waferbonden. In diesem Prozess muss sichergestellt werden, dass eine sehr große Anzahl von mikrometerskaligen Kontaktpunkten zwischen den einzelnen Chips zuverlässig realisiert wird – insbesondere bei Hochleistungsanwendungen mit hoher Funktionsdichte. Allein das erhöht die technologische Komplexität erheblich.

Hinzu kommt, dass bei der Heterointegration nicht nur Siliziumchips mit vergleichbarer Technologie kombiniert werden. Vielmehr werden ganz unterschiedliche Halbleiterbauelemente in einem Package zusammengeführt. Beispielsweise ein in Siliziumtechnologie gefertigter Controller für die Steuerung, ein MEMS-Sensor oder auch Galliumnitrid-Bauelemente für die Hochfrequenzsignalverarbeitung. Diese Material- und Technologievielfalt innerhalb eines einzigen hochintegrierten Systems stellt eine besondere Herausforderung dar und bringt zusätzliche Zuverlässigkeitsrisiken mit sich, die gezielt untersucht und bewertet werden müssen.

Im Bereich Testen und Zuverlässigkeit sind vor allem das Fraunhofer ENAS – mit dem European Test and Reliability Center – und das Fraunhofer IMWS vertreten. Wir teilen uns hier auch die Projektleitung und bringen unsere jeweiligen Kompetenzen in die Plattform ein. Das EMFT ist ein wichtiger Partner im Bereich der Zuverlässigkeitsprüfung bezüglich elektrostatischer Entladungen (ESD).

Darüber hinaus spielt auch das Thema Testen auf Hardwaresicherheit eine wichtige Rolle. Dabei geht es um die funktionale Sicherheit von Bauelementen gegenüber gezielten Angriffen, etwa durch Hardware-Trojaner oder das gezielte Auslesen von Daten. Für diese Fragestellungen gibt es spezielle Prüf- und Analysemethoden, die vom Fraunhofer AISEC eingebracht werden. Auch dieser Aspekt ist ein zentraler Bestandteil der CTR-Plattform.

Darüber hinaus sind viele weitere Institute mit spezifischen Charakterisierungskompetenzen für die eigenen Technologielinien beteiligt.

Die vorhandenen Kompetenzen der Institute müssen koordiniert und gebündelt werden. Unterschiedliche Technologieplattformen, die an verschiedenen Instituten entwickelt werden, müssen nach dem Prinzip der Heterointegration für die Bauelementherstellung zusammengeführt werden. Dafür brauchen wir standardisierte Abläufe mit klar definierten Schnittstellen und eine gemeinsame Datenbasis. Es ist eine der zentralen Aufgaben beim Aufbau der APECS-Pilotlinie, die Prozesse so aufeinander abzustimmen, dass sie über Institutsgrenzen hinweg kompatibel sind. Dafür werden im Rahmen des Projektes unterschiedliche Demonstratoren entwickelt und ihre Einsatztauglichkeit getestet.

Ein zweiter, ebenso wichtiger Aspekt ist die Qualitätssicherung. Die CTR-Plattform ist hier bewusst als Querschnittsplattform angelegt. Sie ist nicht isoliert an einem einzelnen Institut angesiedelt, sondern begleitet die Technologieentwicklung übergreifend. Ziel ist es, entsprechende Prüf-, Test- und Analyseleistungen dort bereitzustellen, wo sie benötigt werden, und die Funktionalität und Zuverlässigkeit komplexer heterointegrierter Bauelemente zu gewährleisten. Dafür erweitern wir unsere Test- und Analyseinfrastrukturen. Diese nutzen wir, um Bauelemente aus der APECS-Pilotlinie zu prüfen und zu bewerten. Zugleich können wir unsere erweiterten Kompetenzen auch Industriepartnern für deren Qualitätssicherung anbieten. So erweitern wir das Pilotfertigungsportfolio der FMD um Angebote an die Industrie für das funktionale Testen mit hohem Durchsatz, Testen auf elektrostatische Festigkeit, spezifische anwendungsspezifische Stresstests und die Aufklärung von Ausfallursachen mittels Fehlerdiagnostik und Überprüfung der Hardwaresicherheit.

Insgesamt versteht sich die CTR-Plattform also als Angebot in zwei Richtungen. Nach innen, um Technologieentwicklung innerhalb von APECS zu unterstützen und eine hohe Fertigungsqualität und Einsatztauglichkeit abzusichern, und nach außen, um der Industrie ein qualifiziertes Angebot zur Qualitätssicherung ihrer Produkte zu machen.

Wenn Bauelemente auf den Markt kommen, müssen sie klar definierten Qualitätsanforderungen entsprechen und hinsichtlich möglicher Risiken so umfassend wie möglich analysiert worden sein. Idealerweise werden potenzielle Schwachstellen bereits vor dem Markteintritt identifiziert und entsprechende Optimierungen im Design oder in den Herstellungsprozessen vorgenommen. Gleichzeitig ist es in der Praxis kaum möglich, alle Zuverlässigkeitsrisiken vollständig im Voraus aufzudecken – insbesondere bei hochkomplexen Systemen. In solchen Fällen treten Probleme oft erst während der Anwendung, quasi im Feld auf. Das können beispielsweise Ausfälle von Steuergeräten im Fahrzeug oder Defekte in leistungselektronischen Komponenten sein. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie z.B. in der Automobilelektronik sind solche Feldausfälle sehr kritisch und kostenintensiv, wenn man an Rückrufaktionen denkt. Hier besteht ein hoher Druck, die Ausfallursachen schnell und tiefgreifend aufzuklären. Besser ist es jedoch, schon vor der Markteinführung alles dafür zu tun, dass die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Bauelementen im jeweiligen Anwendungsfeld abgesichert ist.

Hier setzt das Angebot von APECS und der CTR-Plattform an. Wir unterstützen Industriepartner auf international anerkanntem Niveau. Dafür setzen wir sehr ausgereifte und hochentwickelte Test- und Analysemethoden ein, die wir kontinuierlich weiterentwickeln und gezielt für neue Herstellungstechnologien und Bauelement-Designs adaptieren. Das konkrete Angebot an die Industrie besteht darin, Entwicklungsprozesse und Technologielinien fundiert zu begleiten und belastbare Aussagen zur Einsatztauglichkeit und Zuverlässigkeit von elektronischen Bauelementen abzuleiten. Auf diese Weise können Unternehmen Ausfallrisiken minimieren, Entwicklungszeiten verkürzen und die Qualität ihrer Produkte gezielt absichern.

Schauen wir uns gern ein typisches Szenario an, um das zu skizzieren.  Zum Beispiel elektrische Überbelastungen durch kurze Hochspannungspulse, verursacht durch plötzliche Entladungsvorgänge oder elektrische Fehlfunktionen, die auf elektronische Bauelemente einwirken können. In der Folge entstehen Kurzschlüsse in Isolationsschichten, die Leckströme verursachen. Solche Defekte führen häufig zu lokalen Bereichen mit erhöhtem elektrischem Widerstand. Fließt dort Strom, entsteht lokal Wärme – sogenannte Hotspots.

Diese Hotspots können wir mit mikroskopischen Wärmebildtechniken detektieren. Solche Wärmebildverfahren sind vielen aus dem Alltag bekannt, am Fraunhofer IMWS haben wir sie jedoch bis an die physikalischen Auflösungsgrenzen weiterentwickelt. Mit diesen sehr empfindlichen Techniken lassen sich selbst kleinste Wärmequellen präzise lokalisieren und direkt auf die entsprechende Defektstelle im Bauelement zurückführen. Gerade bei dreidimensionalen Chip-Aufbauten in hochintegrierten Bauelementen, wie sie in APECS entwickelt werden, ist es zudem entscheidend, die exakte Position in allen drei Raumrichtungen zu bestimmen und damit auch die Tiefe des Defekts im Chip-Stapel zu lokalisieren. Dafür haben wir ein patentiertes Verfahren entwickelt, dass die Wärmeausbreitung bis zum Ursprung zurückrechnet und so den Hotspot sehr genau erkennbar macht. Unsere Verfahren sind inzwischen so ausgereift, dass sie auch kommerziell in entsprechenden Analysegeräten genutzt werden können. Im Rahmen von APECS arbeiten wir derzeit daran, die nächste Generation dieser Messtechniken zu entwickeln, um noch präzisere und sensitivere Messungen zu ermöglichen.

Ist die Position des Hotspots ermittelt, folgt die gezielte Präparation zur Freilegung der Defektstelle. Dafür setzen wir verschiedene Verfahren zu Entfernung der Einhausungsmaterialien, Rückpräparation von Schichten und der präzisen Querschnittspräparation mittels Laser- und fokussierender Ionenstrahltechniken ein. Anschließend wird die Defektstruktur wenn nötig bis auf die atomare Skala mit hochauflösender Elektronenmikroskopie oder anderen mikroskopischen Analyseverfahren untersucht. Erst mit dieser tiefgreifenden Analyse lässt sich die Fehlerursache im Detail verstehen und ableiten, ob die Defektbildung durch prozess- oder strukturbedingte Schwachstellen begünstigt wurde und welche Technologieverbesserungen vorgenommen werden könnten.

Die enge Vernetzung mit den anderen Pilotlinien ist von Anfang an mitgedacht. Wir haben zum Beispiel sehr viel Interaktion mit den Pilotlinien am CEA-Leti und am imec, die sich stark auf Chiptechnologien konzentrieren. In APECS liegt der Fokus dagegen auf der Heterointegration, also auf dem Zusammenbringen von Chips oder Chiplets unterschiedlicher Halbleitertechnologien zu komplexen hochintegrierten Bauelementen. Daraus ergibt sich eine natürliche Verbindung: Chips oder Chiplets, die in den anderen Pilotlinien entwickelt und hergestellt werden, werden in der APECS-Pilotlinie zu einem komplexen System integriert. Damit wird ein sehr weitreichendes, miteinander verzahntes Technologieportfolio als Angebot an die europäische Mikroelektronikindustrie aufgebaut und zusammengeführt.

Wir unterstützen als Institut und im Rahmen der CTR-Plattform die APECS-Pilotlinie und die anderen Pilotlinien mit unserer international anerkannten Expertise im Bereich der Fehlerdiagnostik und Zuverlässigkeitsbewertung. Mit den weiteren Kompetenzen der CTR-Plattform im Bereich Testen bis hin zur Hardwaresicherheit können wir ein sehr umfassendes Portfolio in der Qualitätssicherung  anbieten, das so in den anderen Pilotlinien nicht vorhanden ist, und wir können so auch direkt Industriepartner unterstützen.

Ein zentraler Schwerpunkt in der ersten Phase war der Aufbau der notwendigen Analyse- und Testinfrastruktur. Dafür mussten zunächst geeignete Geräte spezifiziert werden. Welche Analyseverfahren werden benötigt und was lässt sich sinnvoll ergänzend zu bereits vorhandener Ausstattung aufbauen, um die relevanten Fragestellungen bewerten zu können?

In diesem Zusammenhang haben die Kolleg:innen sehr intensiv Analysetechnik evaluiert, die notwendigen Geräteparameter spezifiziert und die Beschaffungen vorangetrieben. Nun werden schrittweise Geräte geliefert und installiert. Erste Systeme sind aufgestellt und in Betrieb genommen. So konnten wir vor Kurzem beispielsweise ein neues hochauflösendes analytisches Transmissionselektronenmikroskop mit einer neuen Detektorgeneration einweihen.

Auch an anderen Instituten geht der Aufbau von Analyse- und Testverfahren voran. Inzwischen sind wir auch schon dabei, erste Analysen durchzuführen: Proben werden untersucht, und die Zusammenarbeit mit den Technologieplattformen innerhalb von APECS nimmt Fahrt auf.

In der nächsten Phase wird der Fokus nun stärker darauf liegen, diese Infrastruktur gemeinsam weiter auszubauen. Ziel ist es, die Verfahren nicht nur im eigenen Forschungsumfeld einzusetzen, sondern sie auch für anwendungsnahe Fragestellungen im Bereich der Qualitätssicherung für die Industrie systematisch verfügbar zu machen.

Europa ist gerade in dem Feld der Leistungselektronik und komplexen hochintegrierten elektronischen Systeme stark und genau hier liegt auch weiteres Ausbaupotenzial. Bei speziellen Technologien, etwa in der Silizium-Chiptechnologie, ist die Situation allerdings differenzierter zu betrachten. Im internationalen Vergleich ist deutlich zu sehen, dass Europa in der Massenfertigung von Halbleitern oft nicht wettbewerbsfähig ist. Große Volumen werden vor allem in den USA und in Asien gefertigt.

Mit APECS und den Pilotlinien verfolgen wir deshalb bewusst das Ziel, Bereiche zu stärken, in denen Europa einen echten Mehrwert bieten kann: die 3D- und Heterointegration, die Beherrschung sehr hoher Technologie- und Materialkomplexität und die Realisierung multipler Funktionalitäten auf kleinstem Raum, wie zum Beispiel die Integration von Sensorik-, Hochfrequenz oder Photonik-Technologien. Hier wollen wir Innovationen gemeinsam mit der Industrie vorantreiben und einen Marktvorsprung für Europa erarbeiten.

Aus meiner Sicht liegt der entscheidende Hebel auf der Systemebene: hohe Kompaktheit, hohe Funktionsdichte, gepaart mit der Fähigkeit, solch komplexe Systeme bis zur Marktreife entwickeln zu können und nicht zuletzt die Zuverlässigkeit im Anwendungsumfeld zu beherrschen. Das ist ein Ansatz, der auf bestehende, sehr breite Technologiekompetenzen der FMD  setzt und nun im Rahmen der APECS-Pilotlinie gezielt weiterentwickelt wird. Natürlich sind wir mit diesem Vorhaben nicht allein. Ähnliche Initiativen gibt es auch in Japan oder in den USA. Ich bin aber überzeugt, dass wir hier in Europa derzeit ein gutes Stück voraus sind.

Ich denke, dass auch unsere vorausschauende Herangehensweise, z. B. Qualitätssicherung als integralen Bestandteil von Technologieentwicklung zu begreifen, eine besondere Stärke der FMD ist und ein Aushängeschild für Europa sein kann. Sie ist damit auch ein wesentlicher Baustein für Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Elektronikindustrie. Genau hier setzt die CTR-Plattform auch strategisch an.