銅線鍵合IMC生長分析

銅引線鍵合由于在價格、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等方面的優(yōu)勢有望取代傳統(tǒng)的金引線鍵合, 然而 Cu/Al 引線鍵合界面的金屬間化合物 (intermetallic compounds, IMC) 的過量生長將增大接觸電阻和降低鍵合強(qiáng)度, 從而影響器件的性能和可靠性。 針對以上問題, 本文基于原位高分辨透射電子顯微鏡技術(shù), 研究了在 50—220?C 退火溫度下, Cu/Al 引線鍵合界面 IMC 的生長問題, 實時觀測到了 Cu/Al IMC的動態(tài)生長及結(jié)構(gòu)演變過程。 實驗結(jié)果表明, 退火前顆粒狀的 Cu/Al IMC 分布在鍵合界面, 主要成分為 Cu9Al4, 少量成分為 CuAl2。退火后 Cu/Al IMC 的成分是: 靠近 Cu 一端為 Cu9Al4, 遠(yuǎn)離 Cu 的一端為 CuAl2。同時基于原位觀測 Cu/Al IMC 的動態(tài)生長過程, 計算得到了 Cu/Al IMC 不同溫度下的反應(yīng)速率和激活能, 給出了基于原位實驗結(jié)果的Cu/Al IMC的生長公式, 為優(yōu)化Cu/Al引線鍵合工藝和提高Cu/Al引線鍵合的可靠性提供了指導(dǎo)。

一、介紹

引線鍵合起源于20世紀(jì)60年代初, 被廣泛應(yīng)用于芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息交互。 與傳統(tǒng)互連材料金(Au)相比, 銅(Cu)絲具有價格便宜、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高、機(jī)械性能更優(yōu)等優(yōu)勢 , 有望取代Au廣泛應(yīng)用于引線鍵合。 然而,自1992年美國國家半導(dǎo)體公司成功將Cu 引線鍵合應(yīng)用于低端電子產(chǎn)品至今, 由于對Cu引線鍵合機(jī)理和可靠性研究的不充分, 工業(yè)界仍對大規(guī)模應(yīng)用Cu絲互連采取保留態(tài)度 , 因而對Cu引線鍵合的研究變得迫切。

在芯片封裝流程中, 引線鍵合后需要進(jìn)行環(huán)氧樹脂塑封, 這種后成型封裝通常需要在175—200?C溫度下退火4—8h。 Cu/Al引線鍵合界面在鍵合和退火過程中由于原子擴(kuò)散會形成金屬間化合物。根據(jù)Cu/Al二相圖在365 ?C下Cu/Al IMC共有5個穩(wěn)定相: CuAl2(θ), CuAl(η2),Cu4Al3(ζ2),Cu3Al2(δ),Cu9Al4(γ1)。 近年來, 大量工作集中研究了Cu/Al鍵合界面IMC和空洞生成,過量的Cu/Al IMC 和空洞不但會增加接觸電阻還會降低鍵合強(qiáng)度。 早期的研究主要基于光學(xué)顯微鏡、 Micro-XRD或者SEM-EDX, 認(rèn)為鍵合后(asbonded)鍵合界面沒有Cu/Al IMC生成, 并得到退火后IMC主要有CuAl2, CuAl和Cu9Al4，基于Micro-XRD分析認(rèn)為150—300 ?C下Cu/Al IMC的主要成分為Cu9Al4, 并基于SEM研究得到Cu/Al IMC生長速度是Au/Al IMC 生長速度的10%, 給出了IMC生長公式。 隨著電子顯微鏡發(fā)展, 一些工作開始利用高分辨掃描電子顯微鏡(SEM)和聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)對Cu/Al IMC在退火處理下從鍵合后的幾納米生長至幾微米的成分演變進(jìn)行了研究。近年來, 越來越多的研究開始采用高分辨透射電子顯微(TEM)技術(shù), 這些工作直觀、精確地獲得了一些Cu/Al IMC晶格結(jié)構(gòu)的信息，認(rèn)為175 ?C, 200 ?C和250 ?C退火條件下Cu-Al IMC由CuAl2轉(zhuǎn)化為Cu9Al4。 然而,目前關(guān)于Cu/Al IMC生長的機(jī)理依然不夠明確,需要進(jìn)一步深入研究。同時, 綜上所述的所有研究方法均采用非原位研究, 即對一批樣品進(jìn)行不同退火溫度和退火時間處理, 然后再進(jìn)行SEM和TEM表征。與非原位實驗研究相比, 原位透射電子顯微術(shù)(In-situ TEM)基于透射電子顯微鏡, 結(jié)合多功能樣品桿(對樣品進(jìn)行多外場負(fù)載、力電熱性能測試等), 可以對材料實現(xiàn)原位處理和同步觀測。因而, 原位透射電子顯微技術(shù)是研究Cu/Al引線鍵合界面在多種處理環(huán)境中結(jié)構(gòu)演化過程和機(jī)理的先進(jìn)方法。

基于In-situ TEM研究了Cu/Al引線鍵合界面在50—220 ?C退火下Cu/Al IMC 的結(jié)構(gòu)演變。 通過原位加熱觀測, 我們分析了Cu/Al IMC的結(jié)構(gòu)演變, 并計算得到了Cu/Al IMC反應(yīng)速率, 推導(dǎo)得到了原位加熱下Cu/Al IMC生長公式。

二、實 驗

如圖 1 (a)所示,直徑為22 μm的純Cu線熱超聲鍵合到1.5 μm厚的Al 金屬盤, 鍵合壓力為25—35 gf, 超聲功率為120—150 mW, 鍵合溫度為180 ?C, 鍵合后進(jìn)行塑封。 沿鍵合球中心使用傳統(tǒng)研磨和拋光, 然后采用聚焦離子雙束(FIB dualbeam)減薄, 制備厚度小于100 nm的TEM樣品。圖 1 (b)所示的是FIB制樣所得TEM樣品的結(jié)構(gòu)圖, 而圖 1 (c)是在退火前樣品的Cu/Al引線鍵合界面顆粒狀I(lǐng)MC的形貌。

圖 1 (a) Cu/Al 引線鍵合結(jié)構(gòu)示意圖; (b) FIB 制樣所得原位 TEM 樣品結(jié)構(gòu)圖 (標(biāo)尺 = 2 μm); (c) Cu/Al 引線鍵合界面退火前顆粒狀 IMC 形貌 TEM 圖 (標(biāo)尺 = 100 nm)

采用加速電壓為300 kV帶球差校正的透射電子顯微鏡(FEI Titan 80-300)對FIB樣品進(jìn)行原位表征。采用Gatan 628單傾熱桿進(jìn)行原位加熱, 加熱溫度從50—220 ?C逐漸升高, 每個溫度下恒溫時間超過1 h, 總共持續(xù)24 h, 具體加熱過程見表 1 。

表 1 Cu-Al 引線鍵合 TEM 樣品的原位退火溫度和時間

三、結(jié)果與討論

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Cu/Al IMC生長原位觀測

圖 2 原位實時觀察 Cu/Al 引線鍵合界面 Cu/Al IMC 熱生長動態(tài)過程 (a)—(i) 分別為所標(biāo)注的退火溫度和退火時間下的 TEM 圖 ((a)—(f) 中標(biāo)尺 = 20 nm; (g)—(h) 中標(biāo)尺 = 50 nm; (i) 中標(biāo)尺 = 0:2 μm)

圖 2 為原位加熱實時觀察到的Cu/Al IMC的動態(tài)生長過程圖, 圖 2 (a)—(i)中白色虛線橢圓中的部分即是Cu/Al IMC。狀Cu/Al IMC從初始20—40 nm逐步生長至340 nm, 直至Al幾乎全部消耗掉。當(dāng)退火溫度穩(wěn)定后, 沒有觀測到Cu/AlIMC的生長速度激增的現(xiàn)象, 所以退火溫度穩(wěn)定后大于一個小時的觀測數(shù)據(jù)足夠反映Cu/Al IMC在該溫度下的生長情況。 原位觀察實驗表明, 當(dāng)溫度低于175 ?C時, IMC生長速度相對緩慢; 當(dāng)溫度高于175 ?C時, IMC生長速度較快。

圖 3 (a) Cu/Al 引線鍵合界面退火前顆粒狀 IMC 形貌的 TEM 圖 (標(biāo)尺 = 20 nm); (b) 為 (a) 所示區(qū)域 A 中IMC 的 HRTEM 像 (標(biāo)尺 = 10 nm); (c) 為 (b) 所示 IMC 的 FFT 圖, 經(jīng)標(biāo)定得出為 Cu9Al4

圖 3 所示的是退火前Cu/Al引線鍵合界面的IMC相分析。 退火前IMC呈孤島顆粒狀分布在Cu/Al鍵合界面,如圖 3 (a)所示。 圖 3 (b), (c)分別是(a)所示IMC的高分辨二維晶格像和快速傅里葉轉(zhuǎn)換圖(FFT), 此處IMC經(jīng)過分析確認(rèn)為Cu9Al4。 分析得到, IMC退火前的主要成分是Cu9Al4, 少量成分是CuAl2。而在其他文獻(xiàn)研究中, 退火前IMC的主要成分是CuAl2, 這可能是因為本樣品鍵合之后經(jīng)過了塑封處理, 塑封過程需要經(jīng)歷一百多攝氏度下數(shù)小時熱處理。圖 4 (a)為 Cu/Al 引 線 鍵 合 界 面 經(jīng) 過 24 h 退 火 處 理 后STEM 形 貌 圖, 經(jīng) 過 分 析 得 到 IMC 主 要 有 兩層, 與Cu相近一端為Cu9Al4(圖 4 (c)), 另一層為CuAl2(圖 4 (b))。然而, 365 ?C 下Cu/Al IMC的其他穩(wěn)定相如CuAl, Cu4Al3, Cu3Al2, 在原位加熱沒有觀測到。 其原因可能是這些成分的熱穩(wěn)定性沒有CuAl2和Cu9Al4高, 也有可能這些結(jié)構(gòu)分布散亂零碎, 不足以進(jìn)行高分辨表征。

圖 4 (a) Cu/Al 引線鍵合界面根據(jù)表 1 退火 24 h 后 STEM 圖 (標(biāo)尺 = 0:2 μm); (b) 為 (a) 所示區(qū)域 B-1 中 IMC的 HRTEM 像 (標(biāo)尺 = 5 nm), 插圖為 B-1 的 FFT 圖, 經(jīng)標(biāo)定得出為 CuAl2; (c) 為 (a) 所示區(qū)域 B-2 中 IMC 的HRTEM 像 (標(biāo)尺 = 5 nm), 插圖為 B-2 的 FFT 圖, 經(jīng)標(biāo)定得出為 Cu9Al4

2Cu/Al IMC原位生長速率計算

基于非原位加熱、SEM表征Cu/Al IMC厚度隨溫度和時間變化的數(shù)據(jù), 給出了Cu/Al IMC生長公式:

其中X 為IMC厚度(cm), t為退火時間(s), K 為IMC反應(yīng)速率(cm2/s), K0 為指前因子(cm2/s), Q是激活能(kcal/mol) (1 cal = 4:184 J), R是氣體常數(shù)(kcal mol?1K?1), T 是退火溫度(K), (2)式為阿倫尼烏斯公式,通過計算得到Cu/Al IMC生長公式為

根據(jù)(1)式, 本文使用Mathematic軟件對原位觀測得到的Cu/Al IMC厚度隨時間的變化關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理, 得到如圖5 (a)所示的曲線, 在150 ?C,175 ?C, 220 ?C下Cu/Al IMC厚度隨時間近似呈拋物線關(guān)系。 利用(1)式進(jìn)一步對IMC厚度與退火時間的平方根的變化關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以得到如圖 5 (b)所示的擬合直線。 由此, 可以認(rèn)為原位退火條件下Cu/Al IMC厚度的平方近似正比于退火時間。

圖 5 (a) Cu/Al IMC 厚度與退火時間的關(guān)系; (b) Cu/AlIMC 厚度對退火時間的平方根的關(guān)系

對于圖 5 (b)中的擬合直線, 其斜率即是K1/2的值, 可以得到三種不同溫度下K1/2 的值, 從而可以得到不同退火溫度下IMC的反應(yīng)速率如表 2 所示。同時,表 2 中也給出了非原位實驗研究所得Cu/Al IMC反應(yīng)速率數(shù)據(jù)與原位實驗研究所得Cu/Al IMC反應(yīng)速率數(shù)據(jù)的比較。 從表 2 中可以看到, 本文原位研究所得的反應(yīng)速率略高于非原位研究得到的反應(yīng)速率, 且隨加熱溫度升高, 兩者的相對相差(絕對相差/平均值)逐漸減小。由表 2 中的數(shù)據(jù), 根據(jù)(2)式對Cu/Al IMC反應(yīng)速率的自然對數(shù)隨退火溫度的倒數(shù)的變化關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 得到如圖 6 所示的擬合直線。根據(jù)圖 6 中擬合直線的斜率和截距可以得到了原位實驗研究Cu/Al IMC生長公式為

表 2 原位和非原位研究方法得到的 Cu/Al IMC 反應(yīng)速率的比較

比較可知, (3)式和(4)式形式一致, 但是系數(shù)不同。為了進(jìn)一步比較兩種方法所得公式的差異, 根據(jù)(2)式計算了Cu/Al IMC的激活能Q。如表 3 所示, 原位實驗研究所得Cu/Al IMC激活能為23.8 kcal/mol, 而基于SEM非原位實驗研究計算得到的Cu/Al IMC 激活能為26 kcal/mol。

表 3 不同研究方法得到的 Cu/Al IMC 激活能比較

基于TEM非原位實驗研究分別計算得到CuAl2和Cu9Al4的激活能為14.49kcal/mol, 18.06 kcal/mol。從表 3 中比較可知, 原位透射電子顯微鏡研究所得Cu/Al IMC 的激活能介于SEM和TEM非原位實驗研究中間。 如上所述, 由于鍵合工藝的偏差和Cu/Al IMC不同部位生長的非均勻性, 采用非原位研究方法, 需要在一批樣品熱處理后再分別進(jìn)行制樣觀測。 由于樣品本身的差異, 這種非原位的方法相比于原位實驗研究將產(chǎn)生較大的誤差。 同時, 非原位實驗研究中, 一組樣品之間退火時長的間隔從幾小時到幾十小時不等, 長時間的缺乏監(jiān)控, 將大大增加生長過程中的不確定性。 而原位透射電子顯微鏡研究, 不但提供了實時觀測Cu/Al IMC熱生長的可能, 還可以更加精確地測量Cu/Al IMC生長。 精確的Cu/Al IMC生長公式, 對準(zhǔn)確地預(yù)測Cu/Al引線鍵合的可靠性具有重大意義, 對Cu/Al引線鍵合產(chǎn)品的正確使用環(huán)境提供了指導(dǎo), 甚至對芯片設(shè)計中散熱標(biāo)準(zhǔn)提出了指導(dǎo)。

圖 6 Cu/Al IMC 反應(yīng)速率的自然對數(shù) lnK 與退火溫度T 的倒數(shù)關(guān)系

四、結(jié)論

本文基于原位高分辨透射電子顯微鏡實時觀測了Cu/Al引線鍵合界面金屬間化合物退火條件下的結(jié)構(gòu)演變過程。 實驗表明, 退火后CuAl IMC的主要產(chǎn)物為CuAl2和Cu9Al4。 同時, 擬合計算得到了不同退火溫度下Cu/Al金屬間化合物的反應(yīng)速率和激活能(23.8 kcal/mol), 給出了基于原位實驗結(jié)果的更加精確的Cu/AlIMC生長公式, 為Cu/Al引線鍵合的應(yīng)用、芯片散熱設(shè)計和可靠性預(yù)測提供了指導(dǎo)。