本文選題：銅引線鍵合　切入點：鈀包覆銅　出處：《東南大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在摩爾定律的驅(qū)使下,半導(dǎo)體器件的特征尺寸越來越小、芯片集成密度越來越高。在該趨勢下,芯片級互連結(jié)構(gòu)尺寸不斷縮小、密度不斷增加,芯片中互連鍵合的可靠性等問題開始日益突出。在構(gòu)建芯片互連結(jié)構(gòu)的材料中,銅線因其價格便宜、電導(dǎo)高、熱導(dǎo)率高、機械性能強等優(yōu)勢,是公認可替代傳統(tǒng)互連金線的材料。然而,純銅易氧化、硬度高等缺點一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。為了解決該缺陷,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界近年來嘗試引進鈀包覆銅(palladium-coated copper,簡稱PCC)來代替銅線,用以克服純銅易氧化的問題。然而,由于芯片后續(xù)封裝工藝中需經(jīng)受高溫退火等處理步驟,并且某些芯片在未來服役中會承受高溫環(huán)境,而退火處理和高溫環(huán)境均可能導(dǎo)致鍵合界面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,因而,深入研究銅基引線鍵合結(jié)構(gòu)在高溫條件下的可靠性和結(jié)構(gòu)演化是一個重要課題。目前,無論是純銅引線鍵合還是PCC引線鍵合,在退火處理過程中其界面微觀結(jié)構(gòu)演變的機理都尚不清楚。特別是PCC引線鍵合中Pd元素的擴散行為和大量空洞的形成等機制,都沒有獲得清楚的理論解釋。透射電子顯微鏡擁有較高的空間分辨率和能量分辨率,搭載快速相機,透射電子顯微鏡還可以實時觀察材料結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化。通過結(jié)合多功能樣品桿(對樣品進行多外場負載、力電性能測試等),透射電子顯微鏡還可以對材料實現(xiàn)原位處理和同步觀測。因而,原位透射電子顯微技術(shù)是研究互連結(jié)構(gòu)界面在多種處理環(huán)境中結(jié)構(gòu)演化過程和機制的先進方法。本課題通過聚焦離子束顯微鏡在銅引線鍵合和PCC引線鍵合塊材中制備了厚度小于100 nm、適合透射電鏡觀測的樣品,通過原位透射電子顯微技術(shù)研究了上述不同引線鍵合體系在原位退火條件下的結(jié)構(gòu)演變。主要得到了以下結(jié)論：1、銅引線鍵合界面原位退火實驗研究：(1)界面結(jié)構(gòu)演變的成分分析。退火前顆粒狀的Cu-Al金屬間化合物(intermetallic compound,簡稱IMC)分布在鍵合界面,主要成分為Cu9Al4,次要成分為CuAl2。50～220℃下退火處理24小時后,Cu-Al IMC的成分是：靠近Cu一端為Cu9Al4,遠離Cu的一端為CuAl2。(2)IMC反應(yīng)速率計算。基于原位觀測Cu-Al IMC的動態(tài)生長過程,計算得到了Cu-Al IMC不同溫度下的反應(yīng)速率和激活能,修正了Cu-Al IMC生長公式。(3)熱可靠性分析。Cu-Al引線鍵合界面由于鍵合之前Al焊盤表面被氧化,在Cu-Al引線鍵合界面存在一層氧化鋁,導(dǎo)致退火處理后鍵合界面處空洞的產(chǎn)生�？斩吹男纬山档土随I合強度并增加了接觸電阻,成為銅引線鍵合熱失效點。同時,在50～220℃下退火24個小時后,Cu-Al IMC層中沒有形成空洞。2、鈀包覆銅引線鍵合界面原位退火實驗研究：(1)界面結(jié)構(gòu)演變的成分分析。退火前顆粒狀的Cu-Al IMC分布在鍵合界面,成分為Cu9Al4。250℃下退火15個小時后Cu-Al IMC的成分是,靠近Cu一端為Cu9Al4,另一端為CuAl2,該結(jié)果與銅引線鍵合原位退火實驗研究一致。同時,在IMC層中沒有探測到Pd原子信號,因而認為Pd原子不參與鍵合界面IMC的形成。(2)熱可靠性分析。250℃下退火15個小時后,銅層中形成了一個直徑約3μm的空洞。分析認為,PCC引線鍵合由于外層100～200 nm厚的Pd層的存在,在形成銅球(free air ball,簡稱FAB)的過程中形成了多種銅晶粒。晶粒的連接處晶體的缺陷比較多,在高溫下金屬更容易融化和擴散。這導(dǎo)致了退火條件下PCC引線鍵合中大量空洞的形成,降低了PCC引線鍵合的熱可靠性。本論文認為,盡管PCC引線鍵合可以有效地解決銅易氧化的缺陷,卻引入了新的缺陷。本論文研究了銅及鈀包覆銅鍵合結(jié)構(gòu)在退火條件下的成分相和結(jié)構(gòu)演化,所獲得的研究結(jié)果對優(yōu)化銅及鈀包覆銅引線鍵合工藝和提高芯片封裝引線可靠性具有一定的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN405

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本文編號：1613797