(完整word版)Al焊盘表面氧化膜对金丝键合的影响(图)(精).doc

Al焊盘表面氧化膜对金丝键合的影响(图)摘要:在半导体制造工艺中，Al焊盘表面的氧化膜会阻碍金丝键合。针对某公司新半导体工艺中出现键合失效问题的芯片，采用SEM，EDS和AES对切片前后的芯片进行了分析。结果发现，切片前后Al焊盘表面的元素成分基本一致，可以认为清洗工艺对金丝键合基本没有影响，它不是导致金丝键合失效的原因；通过AES对焊盘进行深度剖析，在深度接近Al焊盘高度的一半时，氧的含量仍然高达40%左右，如此高含量的氧已经足以将Al完全氧化，其所形成的氧化膜阻碍了金丝键合所必需的金属连接和扩散过程，从而导致键合质量差，甚至无法实现键合关键词:晶圆；Al焊盘；金丝键合；氧化膜中图法分类号：TN304.1文献标识码：A文章编号：1002-185X(2005)01-0143-031引言在半导体制造工艺中，晶圆完成后，使用金刚石刀具将其切割成独立的芯片。在切割的同时，使用清水冲洗，既达到冷却的目的，更主要的是冲洗掉切割时产生的污染颗粒，清洁表面。接着在电子封装中使用Au/Al键合（即金丝键合）实现芯片和基板的电连接[1，2]。键合方法采用超声压焊。超声压焊受到许多不同因素的影响，包括键合机参数设置、金丝质量、不同材料的性能等[3]。从材料科学的观点来说，金丝键合是1种基于金丝和Al金属化直接微焊接工艺。Al焊盘表面生成的氧化膜会阻碍金丝和Al之间的结合。因此，超声压焊需要去除Al焊盘表面的氧化膜。然而，键合之前的工艺步骤，例如等离子刻蚀，化学清洗残余的卤化物（F，Br，Cl等）或者不良的储藏条件都可能导致Al氧化膜厚度增加[4]。由于Al2O3具有较高的强度和硬度，在键合中去除掉是比较困难的，从而导致可靠性降低，甚至无法实现键合。某电子产品公司采用了新的半导体制作工艺制作晶圆，在切片时也采用了1种新的清洗工艺。但是在对芯片进行金丝键合时，发现金丝无法与Al焊盘结合；即使采用大电流超声焊接勉强焊上后，结合强度也非常低，很容易开裂，断线率竟然高达40%～70％，可靠性太差。采用SEM和AES对该公司8?晶园的多个切片前后的芯片（Al焊盘尺寸为100€€m×70€€m，金丝直径为25€€m）进行了分析，找到了其难以键合的原因；并证明了新的清洗工艺并不会影响Al焊盘表面。2实验过程使用扫描电子显微镜（SEM）观察了芯片外观及Al焊盘表面形貌，同时使用能谱（EDS）分析了其成分。接着使用俄歇电子能谱（AES）分析了Al焊盘表面成分，并进行了深度分析。AES的型号为PHI-660，采用Ar+离子束进行溅射，溅射速率大约为16nm/min。3分析与讨论3.1清洗工艺的影响首先对切片后的芯片进行了分析。图1所示为芯片的部分区域，其中的几个方块就是Al焊盘，尺寸为100€€m×70€€m。上面的划痕为探针探测时留下的痕迹。图1芯片外观图在SEM下可以看到Al焊盘表面有很多的小颗粒和凸起，如图2所示。越靠近边缘四周颗粒越多。采用低电压，对颗粒进行EDS成分分析。结果发现这些颗粒基本成分是Al和O，个别含有少量的Ti和Si。接着对切片前的芯片也进行了成分分析，所得结果与前者相同。两者的具体成分如表1所示。图2Al焊盘表面的颗粒表1切片前后Al焊盘表面成分没有清洗和清洗之后芯片表面的成分基本一致，并没有太多的变化。因此可以认为清洗工艺对金丝键合基本没有影响，它不是导致金丝键合失效的原因。3.2氧化膜的影响金丝键合是1种基于金丝和Al金属化直接微焊接工艺，Al焊盘表面生成的氧化膜会阻碍金丝和Al之间的结合。因此，针对Al焊盘表面是否存在有影响金丝键合的氧化膜进行了分析。Al焊盘的尺寸很小，一般生成的氧化膜也很薄，采用AES对切片前的芯片的Al焊盘表面的元素含量进行了测量。图3中的白色矩形区域就是AES分析时的取样区。在AES测量中，首先对Al焊盘表面进行预处理，即Ar+离子溅射0.2min，深度大约为3.2nm，以便排除样品暴露在空气中时Al焊盘表面吸附的杂质对分析结果的影响。紧接着分析Al焊盘表面成分，主要元素为Al；O；Si和C，如图4所示。向下溅射80nm后，得到的主要元素仍然是Al，O，Si和C。接着又分别对芯片溅射了10min，15min，20min，深度已经达到0.3€€m。测量得到的主要元素以及原子百分比含量如表2所示。结果发现，Al焊盘中氧的含量非常高，即使到大约0.32€€m的深度，氧的含量仍然高达35%以上。如此高含量的氧已经足以将