test and measurement challenges for 3d ic development

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Test and Measurement Challenges for 3D IC Development R. Robertazzi IBM Research

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Test and Measurement Challenges for 3D IC Development

R. Robertazzi IBM Research

Page 2

Acknowledgements PFA

– Bill Price.– Pete Sorce.– John Ott.– David Abraham.– Pavan Samudrala

Digital Test– Kevin Stawaisz.

TEL P12 Prober– Glen Lansman, TEL USA.

Probing– Jerry Broz

Page 3

Outline Motivation For 3D Integration 3D Technology 3D Test in a Research Environment

– Instrumentation– Supporting Test at Different Stages in The Build – Probing Challenges– Probe Over Active for KGD Screen– Diced Chip Test

Conclusions

Page 4

Moore’s Law

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Historically, IC performance improvements have depended on scaling planar device structures.

3D 2D 3D

Page 5

Why 3D? Scaling of transistors and other 

circuit elements is becoming more difficult.– Approaching fundamental physical 

limitations on device size. Interconnect latency is beginning 

to limit IC performance.– Vertical connections allow shorter 

connections (50 m vs. 10 mm).– Expansion of  numbers of 

interconnects through compact vertical connections.

Easier to include disparate technologies.– Logic, EDRAM, opto‐electronics, non‐

silicon based…

!

Page 6

Challenges For 3D Integrated Circuits

Design– Timing analysis, clocking.– DFT.

Process– Functionality / yield at single stratum.– Characterization of 3D building blocks (TSV, bonding process).

Test– Definition of test points: Where and what to set, KGD strategy.

– How to test, probing.

Page 7

3D Technology Test Site

Face to back stacking scheme. Cu TSV on small pitch, C4 

inter‐strata interconnect. Package pitch Std  C4 for 

package interconnect and final SP layer probing.

Thin

Small

Std Pitch

TSV

C4

Std. C4

SPSNS0

Stacked Chip Nomenclature

Page 8

Test Site Probing

Design “A”, pad cage macros, cantilever probes.

Design “B”, “C”, area array probe set, need to support KGD for base and upper level die, parametric content on both designs.

Reticule

Design A

Design B Design C

Area Array Probe Image

Design “B ” & “C” images interleaved.

Common package used for space transformer.

Test set up changed by changing probe head.

Page 9

3D Process Characterization

3D process characterization requires measuring resistances from 1m Y 1G (>12 orders of magnitude).

True 4 point SMUs will be required to cover the low impedance range.

Resistive -C4

Bridge FaultOpen TSV

Leaky TSV

TSV Failure Modes -C4 Failure Modes

Page 10

Interfacing To The Probe Card

Cable‐to‐board signal modules

Clock / 3 GHz Ports Parametric– Agilent 34980A interface for 

2&4 point resistance measurements, leakage.

Modular Probe Interface

Parametric

High Speed

Std I/O

Page 11

Test Points During Build(Probe Options & Risk Assessment )

Build Level VLSI Technology DUT

SP (Thick)

SP (Thin)

SN

Assembled, pre-packagedAssembled, packaged

No loss of yield observed PFA in progress

Assumed OK

Cantilever probes

Pointed vertical, probe over active

Flat vertical, chip tray

Page 12

Single Stratum Probing Options Single stratum test required:

– Design verification.– Known good die (KGD) prior to 3D 

stacking. Current injection over full area 

of the chip for cache. Major issues for area array 

probing for single layer:– No qualified probe technology for 

fine pitch uC4 probing.

Drives choice to area array probe card, pointed probes contacting Al TD landing pads.

Areas of concern:– Pad placement, where to probe.– Damage introduced through 

probing process.

Probe Pad

Power Grid

Al Pad Probing, Pointed Probes

Option #2

C4 Cluster Probing, Flat Probes

Option #1

Page 13

Probing / Damage Experiments: Test Vehicle Top level film stacks similar to 

3D test chips. Area array probe card used 

with 4/9 image.– ~ 100 Power/ground contacts 

measured in parallel for leakage.– ~ 40 signal contacts measured 

individually.– ~ 100 sites probed/die.

Contactor– 5 mil Palinaey‐7 probe.– Probe tip diameter 10 m – Overdrive 0‐160 m (0‐6.5 mils).

Electrical leakage and SEM cross‐sections evaluated after probing.

Probe Image

Electrical Set UpPG Set Signal Set

Test Vehicle

Page 14

Probing / Damage Experiments: Test Vehicle Top Layer Dielectric Investigations

Stack “A” dielectric fails at first probe contact. Stack “A” + “B” dielectric fails after 120 m – 170 m overdrive. 

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1801E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1000 Å"A"

Max

imum

Num

ber o

f Sig

nal P

ins

Mak

ing

Con

tact

Max

imum

Pow

er /

Gro

und

Leak

age

(A)

Overdrive From 50% Contact Point (m)

P/G Pins, Leakage

First Fail

Cu

Dielectric "A"100 Sites ~10,000 Touchdowns1 Volt

Au Reference Plate S/G Pins, Punch Thru

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1801E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2000 Å "B"1000 Å "A"

Max

imum

Num

ber o

f Sig

nal P

ins

Mak

ing

Con

tact

Max

imum

Pow

er /

Gro

und

Leak

age

(A)

Overdrive From 50% Contact Point (m)

P/G Pins, Leakage

First Fail Cu

Dielectric "A" + "B"100 Sites ~10,000 Touchdowns1 Volt

Au Reference Plate S/G Pins, Punch Thru

Page 15

Probe Scratch Test

Stack “A” dielectric fails  with minimal probe scrub.

Stack “A”+“B” fails at moderate probe force.

Stack “A”+“B” +”C” shows no visual signs of failure, even with application of high probe force.Dielectric “A” + “B”

Dielectric “A” Dielectric “A” + “B” + ”C”

Page 16

Probing / Damage Experiments: Test Vehicle Full Pad Stack

Experiments done with and without Al pad layer.  No fails observed for 10,000 probe/pad touchdowns. No observations of cracking from cross‐sections*.

Electrical Leakage Film Stack Damage Assessment

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1801E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

6500 Å"C"2000 Å"B"1000 Å"A"

Num

ber o

f Sig

nal P

ins

Mak

ing

Con

tact

Max

imum

Pow

er G

roun

d Le

akag

e (A

)

Overdrive From 50% Contact Point (m)

P/G Pins, Leakage

All Pass

Bare or Al Pad

Dielectric "A"+"B"+"C"100 Sites ~10,000 Touchdowns1 Volt

Cu

Au Reference Plate S/G Pins, Punch Thru

*N. B. J. Yorita, SWT 2004 !

Page 17

3D Test Site Probe Pads

Sn: No C4 on probe pad, full pad available for probing.

Sp: Std. C4 on each probe pad, probing zone offset from contact via / C4  attachment zone. 

3 mil probes.

SP, SN

Via

Al Pad

SP Probing Area 90

130

S0 Pad

SP Pad

AlCu

Dielectric

Page 18

Top Down SEM on Pads

Sequential etch of top pad metallization.1. Al/Cu/Dielectric.2. Cu/Dielectric.3. Adhesion Layer/Dielectric. Top down SEM reveals some disturbance of interfacial region. 

1. Al Probe Mark

2. Cu

3. Interface

Page 19

AFM  On Probe Marks

AFM reveals 30 nm depression in top adhesion layer.

= 31 nm

Page 20

TEM Cross Sections on Probed Pads

No evidence of damage or crack propagation in top insulating layer stack.

Pad

Interface Layer

Insulator Stack

3 m

200 nm

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Screen Yield, Design “B”, Using Probe Over Active

Wafer screen data shows no increased yield fallout over standard C4 probing using pointed probe over active probing strategy.

-5 0 5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4 F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

S0 wafer SOC3

F

F

F

F

F

-1

0.1

1.2

2.3

3.4

4.5

5.6

6.69

7.8

8.9

10

IDD

Q (A

)

Page 22

In the research environment, we employed a chip to chip bonding strategy for 3D IC assembly.

Supporting single die test of complex area array chips has always been problematic:– Vision systems in advanced probers not 

designed to work with single die efficiently.

– Chip transfer to chuck requires attachment to handler wafer, with adhesive.

3D chip bonding process development greatly benefits from pre‐packaged test:– Does the chip work, is it worth 

packaging?– Does the packaging process affect chip 

yield?– What does the chip look like visually after 

test?

Diced Chip TestDouble Layer, 3D Chip

SpS0

Page 23

TEL custom build chip tray for diced chip designs “B” &”C”.

Clean, vacuum hold down technology which works with standard “Table Load” P12 wafer transfer procedure.

Two piece design allows easily changing to another chip size, requires only replacing top guide.

Alignment marks included for automated load, alignment and wafer scan.

Diced Chip TrayChip Tray

Design “B”

Page 24

Thermal resistance (RT) measurements for chips in tray show resistance RT ~4.6 x higher than measured with full wafer in contact with a Cu chuck.

For VLSI designs “B” &”C”, no problem encountered in running low speed functional screen tests, or performance tests for brief periods.

Chip Tray Thermal Resistance

0 2 4 6 8 10 12 14 1624

26

28

30

32

34

36

38

40

TChuck = 25oC

RT(Chuck) = 0.56 oC/W

Chi

p Te

mpe

ratu

re (o C

)

Chip Power (W)

RT(Tray) = 2.6 oC/W

Tray

Chuck

Page 25

Conclusions

3D introduces a number of new challenges in chip test, probing in particular.

A hierarchical test strategy has proven essential in 3D bonding process development learning.– Accessibility of test at all points in the build.– Access to on‐board parametrics.– Ability to test diced, bonded chips, pre‐packaged.

Fine pitch vertical probe/prober technology required to support current and future 3D fabrication technologies.