半導體集成電路的發(fā)展及封裝工藝面臨的挑戰

　　5 焊線(xiàn)工藝中焊線(xiàn)區金屬層與ILD層的剝離　

　　由于低k材料質(zhì)地相對較軟，在焊線(xiàn)過(guò)程中，由焊線(xiàn)機對焊線(xiàn)墊（Bonding Pad）施加的壓力和超聲波能量會(huì )使焊線(xiàn)墊及其下方金屬/ILD層產(chǎn)生杯狀變形（Cupping Deformation）（圖5）,這種杯狀變形減弱了超聲波能量到焊線(xiàn)區的有效傳輸，從而阻止了金鋁兩種原子的相互擴散，導致斷焊（Non Stick）,或弱焊（Weak Bond）。當有意識地增大超聲波能量來(lái)彌補因杯狀變形造成的超聲波能量損失時(shí)，又會(huì )因為ILD層與金屬層較弱的粘接力及低k 材料的脆性而產(chǎn)生焊線(xiàn)區下方金屬層與ILD層的剝離[8]。

 　　初始的低k芯片的焊線(xiàn)評估顯示，低k芯片對焊線(xiàn)程序參數（焊線(xiàn)能量- Bonding Power，焊線(xiàn)力- Bondinge）十分敏感，較小的焊線(xiàn)參數設置會(huì )導致斷焊或弱焊，而較大的焊線(xiàn)參數設置又會(huì )容易產(chǎn)生金屬-ILD層的剝離（圖6）。而焊線(xiàn)區尺寸（BPO- Bond Pad Opening）及焊線(xiàn)區間距（BPP Bond Pad Pitch）的不斷縮小使得焊線(xiàn)工藝窗口變得更窄。對于 65nm技術(shù)的芯片設計，其焊線(xiàn)區寬度只有40um，使得低k焊線(xiàn)墊的結構及焊線(xiàn)墊下方的低k材料對焊線(xiàn)質(zhì)量和可靠性的影響更加顯著(zhù)。這些問(wèn)題要求對低k 材料的焊線(xiàn)工藝進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，以提高其可制造性和可靠性[9-11]。

圖6焊線(xiàn)過(guò)程中的NonStick和金屬層與ILD層的剝離

　　6 封裝工藝對低k產(chǎn)品可靠性的影響

　　實(shí)驗與數據證明，金鋁焊線(xiàn)界面的完整性（Integrity）在長(cháng)時(shí)間的溫度應力作用下會(huì )逐漸下降，直至電性開(kāi)路[10]。這種失效主要是由于金-鋁間化合物（IMC Intermetallic Compound）隨時(shí)間歷程其化和物相態(tài)逐漸發(fā)生改變，最終形成Kirkendall 空洞并出現IMC分層而造成的。在研究中發(fā)現，金屬間化合物的這種失效模式與其初始的焊線(xiàn)狀況有很大聯(lián)系，比如不連續的T0 IMC（如圖7所示）。初始焊線(xiàn)狀況包括焊線(xiàn)墊及其下方的材料和結構，焊線(xiàn)墊表面的清潔狀況，使用的焊線(xiàn)材料及工具以及焊線(xiàn)參數等．而當低k銅工藝技術(shù)與細間距焊線(xiàn)（Fine Pitch Wire Bonding）相結合時(shí)，金鋁金屬間化合物對封裝的可靠性的影響就更大了。對細間距焊線(xiàn)而言，變形后的焊球尺寸不能很大，因而形成的IMC的面積也受到了制約。在如此小面積的焊線(xiàn)區中，由于厚的氧化鋁薄膜或前道工序在焊線(xiàn)區表面遺留的化學(xué)污染都會(huì )造成焊線(xiàn)區域的局部非潤濕（Non Wetting），又因為超聲波能量受低k材料影響而不能有效傳輸，所有這一切都會(huì )阻礙金鋁金屬間化合物的充分形成。一個(gè)觀(guān)察到的現象是低k材料芯片的金屬間化合物占變形金球面積的比例要小于非低k材料焊線(xiàn)形成的金屬間化合物（圖8）。這也就意味著(zhù)低k材料的焊線(xiàn)具有更 多的初始空洞／非潤濕區域。當焊線(xiàn)區內含有針測的印跡（Probe Mark）時(shí)，這種現象就更加明顯。在隨后的可靠性測試中，含有空洞的表面提供了一個(gè)供金屬間化合物擴散的途徑，結果是空洞尺寸沿空洞界面不斷增大，最終會(huì )導致金屬間化合物的分層（圖9），電路不再導通，電性失效。

圖7在T0時(shí)刻不連續金屬間化合物的生成

圖8Low與非Lowk金屬間化合物的比較

圖9經(jīng)過(guò)504小時(shí)高溫存儲測試后金屬間化合物的分層

　　總結

　　半導體芯片結構尺寸的縮小使得RC延遲成為制約集成電路性能進(jìn)一步提高的關(guān)鍵性因素。轉向低k銅工藝技術(shù)是業(yè)界給出的解決方案。雙大馬士革工藝取代了傳統的鋁“減”工藝，成為低k銅互連材料的標準制造工藝。

　　為了能與芯片制造工藝完美結合，不產(chǎn)生可靠性問(wèn)題，低k絕緣材料必須具備一系列期望的材料特性，對低k材料研發(fā)本身的挑戰在于：在獲得所需要的低介電常數的同時(shí)，低k材料還必須滿(mǎn)足良好的熱和機械特性。但目前并沒(méi)有完全符合這些期望特性的低k材料被制造出來(lái)，因而給半導體制造工藝帶來(lái)了挑戰。

　　由于低k材料本身的材料特性（與金屬層較弱的粘結力，較弱的機械強度），晶片切割時(shí)在芯片的邊緣會(huì )出現嚴重的金屬層與ILD層的分層或剝離；在焊線(xiàn)過(guò)程中會(huì )出現斷焊，弱焊或金屬層與ILD層的剝離。金鋁兩種材料的焊接在可靠性測試中出現比非低k材料焊線(xiàn)嚴重的金屬間化合物的分層，導致集成電路電性失效。上述這些可制造性及可靠性的問(wèn)題構成了對半導體封裝工藝的挑戰。