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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：TN 304.1 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2005)01-0143-03
1 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 µm×70 µm，金丝直径为25 µm）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16 nm/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 µm×70 µm。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2 Al 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0.2 min，深度大约为3.2 nm，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80 nm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10 min，15 min，20 min，深度已经达到0.3 µm。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 µm 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Al 完全氧化。
图3 AES 取样区域
图4 Al 焊盘表面AES 谱，离子溅射
表2 Al 焊盘表面元素(at%)随深度变化
对另一个芯片上的Al 焊盘进行了深度剖析（DepthProfile），溅射时间为30 min，深度达480 nm，结果发现，焊盘内的主要元素仍为Al，O，Si 和C，如图5所示。从图5 中可以看出，氧的含量都是在40%左右波动，而且当溅射深度接近0.5 µm（几乎为Al 焊盘厚度的一半），氧的含量并没有减少的趋势。
对其它几个芯片的分析结果都大致相同。由此，基本上可以断定，Al 焊盘内的氧含量过高，氧将Al焊盘表面的大部分Al 氧化；由此生成的过厚的Al2O3氧化膜阻碍了键合所必需的金属连接和扩散过程，导致键合质量差，甚至无法实现金丝和Al 焊盘的键合。在这种情况下，即使勉强键合上，其结合强度也很低，极易开裂，造成失效。
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，因此必须尽可能地避免或者减少氧化膜的产生。在芯片的制作、切片、清洗以及运输等过程中尽量减少与空气的接触，更要避免人为的接触，这些都会降低Al 焊盘表面的氧化。
图5 Al 焊盘表面AES 深度剖析，离子溅射480 nm
4 结 论
1) 新的清洗工艺对金丝键合没有明显的影响。
2) 高含量的氧使Al 氧化后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。
3)在芯片的制作、切片、清洗以及运输等过程中尽量减少与空气的接触，更要避免人为的接触，从而****程度地降低Al 焊盘表面的氧化。
致 谢: 非常感谢厦门大学俄歇电子能谱实验室的帮助。 |
