铜及钯包覆铜引线键合界面结构演变的原位实验研究

发布时间：2018-03-15 01:19

  本文选题：铜引线键合　切入点：钯包覆铜　出处：《东南大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在摩尔定律的驱使下,半导体器件的特征尺寸越来越小、芯片集成密度越来越高。在该趋势下,芯片级互连结构尺寸不断缩小、密度不断增加,芯片中互连键合的可靠性等问题开始日益突出。在构建芯片互连结构的材料中,铜线因其价格便宜、电导高、热导率高、机械性能强等优势,是公认可替代传统互连金线的材料。然而,纯铜易氧化、硬度高等缺点一定程度上限制了它的广泛应用。为了解决该缺陷,半导体产业界近年来尝试引进钯包覆铜(palladium-coated copper,简称PCC)来代替铜线,用以克服纯铜易氧化的问题。然而,由于芯片后续封装工艺中需经受高温退火等处理步骤,并且某些芯片在未来服役中会承受高温环境,而退火处理和高温环境均可能导致键合界面结构发生变化,因而,深入研究铜基引线键合结构在高温条件下的可靠性和结构演化是一个重要课题。目前,无论是纯铜引线键合还是PCC引线键合,在退火处理过程中其界面微观结构演变的机理都尚不清楚。特别是PCC引线键合中Pd元素的扩散行为和大量空洞的形成等机制,都没有获得清楚的理论解释。透射电子显微镜拥有较高的空间分辨率和能量分辨率,搭载快速相机,透射电子显微镜还可以实时观察材料结构的动态演化。通过结合多功能样品杆(对样品进行多外场负载、力电性能测试等),透射电子显微镜还可以对材料实现原位处理和同步观测。因而,原位透射电子显微技术是研究互连结构界面在多种处理环境中结构演化过程和机制的先进方法。本课题通过聚焦离子束显微镜在铜引线键合和PCC引线键合块材中制备了厚度小于100 nm、适合透射电镜观测的样品,通过原位透射电子显微技术研究了上述不同引线键合体系在原位退火条件下的结构演变。主要得到了以下结论：1、铜引线键合界面原位退火实验研究：(1)界面结构演变的成分分析。退火前颗粒状的Cu-Al金属间化合物(intermetallic compound,简称IMC)分布在键合界面,主要成分为Cu9Al4,次要成分为CuAl2。50～220℃下退火处理24小时后,Cu-Al IMC的成分是：靠近Cu一端为Cu9Al4,远离Cu的一端为CuAl2。(2)IMC反应速率计算。基于原位观测Cu-Al IMC的动态生长过程,计算得到了Cu-Al IMC不同温度下的反应速率和激活能,修正了Cu-Al IMC生长公式。(3)热可靠性分析。Cu-Al引线键合界面由于键合之前Al焊盘表面被氧化,在Cu-Al引线键合界面存在一层氧化铝,导致退火处理后键合界面处空洞的产生。空洞的形成降低了键合强度并增加了接触电阻,成为铜引线键合热失效点。同时,在50～220℃下退火24个小时后,Cu-Al IMC层中没有形成空洞。2、钯包覆铜引线键合界面原位退火实验研究：(1)界面结构演变的成分分析。退火前颗粒状的Cu-Al IMC分布在键合界面,成分为Cu9Al4。250℃下退火15个小时后Cu-Al IMC的成分是,靠近Cu一端为Cu9Al4,另一端为CuAl2,该结果与铜引线键合原位退火实验研究一致。同时,在IMC层中没有探测到Pd原子信号,因而认为Pd原子不参与键合界面IMC的形成。(2)热可靠性分析。250℃下退火15个小时后,铜层中形成了一个直径约3μm的空洞。分析认为,PCC引线键合由于外层100～200 nm厚的Pd层的存在,在形成铜球(free air ball,简称FAB)的过程中形成了多种铜晶粒。晶粒的连接处晶体的缺陷比较多,在高温下金属更容易融化和扩散。这导致了退火条件下PCC引线键合中大量空洞的形成,降低了PCC引线键合的热可靠性。本论文认为,尽管PCC引线键合可以有效地解决铜易氧化的缺陷,却引入了新的缺陷。本论文研究了铜及钯包覆铜键合结构在退火条件下的成分相和结构演化,所获得的研究结果对优化铜及钯包覆铜引线键合工艺和提高芯片封装引线可靠性具有一定的指导意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN405

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本文编号：1613797