銅芯片納米薄膜金屬化層超聲鍵合性能研究.pdf

1、隨著IC向著高密度化、高速化和微細(xì)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的鋁互連已經(jīng)不能滿足要求，取而代之的是銅互連技術(shù)，即銅芯片技術(shù)。銅互連可以提高芯片的集成度，提高時鐘頻率和降低功率損耗，并具有更高的可靠性。但銅芯片應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題亟待解決，其中以易氧化而難以進(jìn)行引線鍵合的問題尤為突出。
　　本文設(shè)計制備了兩種銅芯片納米薄膜金屬化層，即蒸鍍Si/Ti-Cu-Ag薄膜結(jié)構(gòu)和濺射Cu/TiN-Ag薄膜結(jié)構(gòu)，來提高銅芯片的抗氧化性能和超聲鍵合性能。并對

2、兩種薄膜結(jié)構(gòu)的形貌、相、成分等進(jìn)行表征，以及對它們的超聲鍵合性能和抗氧化性能進(jìn)行測試，優(yōu)選出較優(yōu)的銅芯片納米薄膜結(jié)構(gòu)，闡述它們提高鍵合性能的機(jī)理。
　　研究結(jié)果表明：采用電子束蒸鍍方法制備的Si/Ti-Cu-Ag結(jié)構(gòu)與磁控濺射方法制備的Cu/TiN-Ag結(jié)構(gòu)，膜層厚度均勻，表面粗糙度小(分別為3.3nm和2.5nm)。XRD分析顯示蒸鍍Si/Ti-Cu-Ag結(jié)構(gòu)表面Ag膜以(111)晶面擇優(yōu)取向，平均晶粒尺寸為38nm，濺射Cu/

3、TiN-Ag結(jié)構(gòu)表面Ag膜(111)擇優(yōu)取向程度低，平均晶粒尺寸為20nm，膜層中TiN主要以非晶態(tài)存在?；诹孔踊瘜W(xué)理論計算表明，濺射法制備的表面Ag層具有較蒸鍍結(jié)構(gòu)更高的比表面能，表面原子具有更高的活性。蒸鍍Si/Ti-Cu-Ag結(jié)構(gòu)具有較好的鍵合性能，在常溫和150℃時都達(dá)到了98％的鍵合能力，剪切斷裂主要發(fā)生在Cu、Ag之間的界面處。濺射Cu/60nmTiN-Ag結(jié)構(gòu)在室溫與180℃之間Au絲鍵合，鍵合能力和剪切強(qiáng)度都隨著鍵合溫

4、度的升高而增大，其中Cu/60nmTiN-120nmAg結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。濺射Cu/TiN-Ag結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度較低的Au絲焊點(diǎn)，其剪切斷裂處主要發(fā)生在TiN層和Ag層的界面處，剪切強(qiáng)度較高的焊點(diǎn)有效鍵合處剪切斷裂主要發(fā)生在Ag層。在空氣中150℃儲存30分鐘后，蒸鍍Si/Ti-Cu-Ag結(jié)構(gòu)表面銅元素含量從高溫存儲前的8.1at.%增長到了28.9at.%，并且擴(kuò)散到表面的銅元素已經(jīng)被大部分氧化。相同試驗(yàn)條件下，濺射單層Ag膜結(jié)構(gòu)表面Cu元素