铜线键合的抗氧化技术研究.docx

铜线键合的抗氧化技术研究范象泉 1 , 王德峻 2 , 从羽奇 2 , 张滨海 1 , 王家楫 1( 11复旦大学 材料科学系 , 上海 200433; 21日月光封装测试 (上海 ) 有限公司 , 上海 201203 )摘要 : 在铜线键合的过程中通入惰性保护气体 , 或在纯铜线表面涂覆金属钯防氧化层都可以 改善铜线键合的抗氧化性能 。为了评价上述两种方法对铜线键合抗氧化性能的改进情况 , 使用先 进的材料表征方法分析不同保护气体流量情况下键合形成的金属熔球的形貌 , 金属熔球表面的氧 原子数分数和表面氧化层的厚度 。研究表明 , 保护气体流量为 0151 L /m in时 , 可以在保证成本较 低的情况下获得最佳的抗氧化效果 。通过 XPS和 TEM 分析发现 , 铜线表面涂覆金属钯可以延长 铜线的存储寿命 , 降低键合界面的氧含量 , 提高键合的可靠性 。关键词 : 引线键合 ; 铜线 ; 氧化 ; 镀钯 ; 保护气体中图分类号 : TN305193文献标识码 : A文章编号 : 1003 - 353X (2011) 01 - 0017 - 05S tudy of An t i2O x ida t ion Techn o logy for C opper W ire Bon d in gFan X iangquan1 , W ang Ted 2 , Cong Yuq i 2 , Zhang B inha i 1 , W ang J ia ji 1( 11D epa rtm en t of M a teria l S cience, Fudan U n iversity, S hangha i 200433, Ch ina;21AS E A ssem bly & Test ( S hangha i) Co. L td. , S hangha i 201203, Ch ina )A b stra c t: The an ti2oxida tion p rop e rty of copp e r w ire bond ing can be imp roved by in jec ting fo rm ingga s con ta in ing reduc ib ility o r p la ting an ti2oxida tion coa ting on 4N p u re copp e r w ire s. In o rde r to eva lua te the imp rovem en t of the se two m e thod s, an advanced m a te ria l ana lysis too l wa s u sed to cha rac te rize the free a ir ba ll su rface topograp hy, su rface oxide con tam ina tion and su rface oxide th ickne ss. The re su lts show tha t the be st an ti2oxida tion effec t is ob ta ined a t the fo rm ing ga s flow ra te of 0151 L /m in. The an ti2 oxida tion p rop e rty of p a llad ium coa ted w ire wa s cha rac te rized by XPS and TEM. The re su lts show tha t the copp e r w ire w ith p a llad ium p la ted can extend the sto rage life of the copp e r w ire, dec rea se the bond ing in te rface oxygen concen tra tion and imp rove the bond ing re liab ility.Key word s: w ire bond ing; copp e r w ire; oxida tion; p a llad ium p la ted; fo rm ing ga sEEACC : 2550 F体流量需要考虑成本和性能两方面的影响 。本文通过 SEM 和 A ES研究了不同保护气体流量 下 4N 纯铜线的表面氧化情况 , 以选出最佳的保护气体流量 。另外 , 使用镀钯铜线具有比纯铜线更高的可焊性和键合可靠性 3 - 5 , 本文还对镀钯铜线和 4N铜线在抗氧化性能上的差异进行了比较研究 。0引言为了在引线键合工艺中防止 4N 纯铜线 (铜的 纯度为 99199% ) 表面形成氧化层 , 影响铜线的可 焊 性 , 通 常 要 在 铜 线 键 合 的 电 子 打 火 成 球 ( e lec tron ic2flam e2off, EFO ) 和键合过程中通入保护 气体 ( fo rm ing ga s, FG) 。所使用的保护气体通常有14N 铜线键合的抗氧化性能研究对于 4N 纯 铜 线 , 在 形 成 金 属 熔 球 ( free a ir ba ll, FAB ) 过程中通入 N2和 H2的混合气体作为保 护气体 , 随着保护气体流量的增大 , Cu FAB 表面两种 , 其一是惰性气体 A r 1 ; 其二是 N 和 H 的混2 2合气体 2 , 其中 N 的体积百分比为 91% 95%。通2常保护气体的流量越大 , 对纯铜线氧化的防护性越好 , 但是相对成本会越高 , 所以选择最佳的保护气S em iconductor Technology V ol136 N o1117J anua ry 2011范象泉 等 : 铜线键合的抗氧化技术研究的抗氧化效果越好 , 键合后的强度增大 , 键合可靠性增强 。不 同保 护 气体 流量 下 样 品 键 合 后 推 力 F 如图 1 所示 , 可以看出 , 随着 FG流量 (Q FG ) 的 增大 , 键合点的推力呈增大的趋势 。Q FG / (L m in - 1 )图 1 不同 FG流量 Cu2A l键合推力F ig11 Shea r fo rce a t d iffe ren t FG flow ra te s由于实验中采用的是 4N 铜线 。铜在室温下氧 化的速度极慢 , 而高温下氧化速度却加快很多倍 , 所以对于铜线键合工艺 , 最主要的氧化过程发生在 EFO 成球过程中 , 只要 EFO 形成的 FAB 表面基本没 有被氧化 , 键合界面中就不会有过量氧元素的存在 。 而防止氧化的措施一般是通入保护气体 , 因此将重 点关注不同保护气体条件下形成 FAB 的氧化情况 。首先使用 SEM 观察不同 FG (保护气体 ) 流量 条件下 , 形成的 FAB 的形貌 。如图 2 所示为 5 种 不同 FG流量样品的全貌 。由图 2可以看出 , 只有在 Q FG = 0 L /m in的 FAB 表面隐约有微小的裂纹 , 而其他几个工艺下形成的 FAB 从形貌上看不出 太 大的 区别 。用更 大 的倍 率 观察 , 发现在 Q FG为 0 L /m in和 0117 L /m in这两种条 件下形成的 FAB 的表面有明显的裂纹 , 而 Q FG为0134 , 0151 和 0168 L /m in三 种 工 艺 条 件 的 样 品 FAB 表面则没有微裂纹 , 典型的形貌如图 3 所示 。 由于 Cu氧 化 物 的 物 理 性 能 和 金 属 Cu 相 差 很 大 , 包括热膨胀系数 、热导率和密度等 。这些将导致在 FAB 形 成 过 程 中 , 如 果 金 属 表 面 发 生 严 重 氧 化 ,将会形成一定厚度的氧化膜 , 在 FAB 形成之后的冷却过程中 , 会出现严重的热膨胀系数失配 , 脆性 的氧化物表面就会出现裂纹 。但是如果氧化膜的厚 度比较薄 , 薄至只有数个原子层厚度时 , 在氧化膜 和金属界面的应力会通过材料晶面间距的变化予以 缓冲 , 从而不会在 FAB 的表面形成微裂纹 。18 半导体技术第 36卷第 1期2011年 1月范象泉 等 : 铜线键合的抗氧化技术研究( b) 微分谱图 4 Q FG = 0 L /m in样品初始表面的俄歇电子能谱F ig14 Su rface A ES of Q FG = 0 L /m in samp les in itia l tim e测量 , 已知如果以同样大小的束流溅射 SiO2 , 溅射速 率为 11127 nm /m in。图 5是 AES剥层分析得到的 FAB 表面各元素原子数分数随溅射时间 (深度 ) 的变化 , 根据 ASTM 2E1636 标准分析 , 铜的氧化物 “溅射厚 度 ”, 也就是说用 A r离子枪溅射 0148 m in后 , 表面的 氧化物层可以消除 , 暴露出新鲜的表面 。为 了进 一 步定 量地 描 述不 同 FG 条 件 产 生 的FAB 的表面氧化状况 , 采用 A ES定量分析上述样 品的表面氧元素含量和氧化层厚度 。图 4为 Q FG为 0 L /m in的 FAB 样品表面的 A ES分 析 谱 图 , 可 以 得 到 氧 元 素 的 原 子 数 分 数 为1610 % 。由于俄歇能谱分析只能反映 FAB 极表面 (小于 5 nm ) 的信息 , 极表面的氧化状况很容易受 到表面污染的影响 , 如果能测量 FAB 深度方向的氧化情况分布 , 计算出平均表面氧化膜的厚度 , 对 于表征 FAB 表面的氧化状况更有效 。因此 , 采用 扫描范围是 1 mm 1 mm的 A r离子枪对表面进行剥 层分析 , A r离子能量为 2 keV , 溅射速率需要定标图 5 Q = 0 L /m in的样品 FAB 表面各种元素原子数FG分数随溅射时间的变化F ig15 FAB su rface e lem en t va ria tion w ith sp u tte r tim e ofQ FG = 0 L /m in samp le对于 FG气体流量不同的样品 , 采用同样的分 析方法得到 FAB 初始表面氧含量和去除氧化层的 溅射时间 , 得到的结果如表 1 所示 。表 1不同 FG 流量 FAB 样品表面的初始氧原子数分数和去除氧化层溅射时间In itia l oxide concen tra tion and the oxide s trip tim eof FAB s am p les w ith d iffe ren t FG flow ra tesTab11参数数值Q FG / (L m in - 1 )yO / %016011713013415180151131201681312 t /m in 0148 0145 0125 0117 0117 ( a) 直接谱S em iconductor Technology V ol136 N o1119J anua ry 2011范象泉 等 : 铜线键合的抗氧化技术研究由表 1可以看出 , 随着 FG流量的增加 , FAB样品表面初始氧含量有减少的趋势 , 但是由于样品 上的有机沾污中存在氧元素 , 所以会有个别样品的 初始氧含量 出 现 异 常 。但 与 此 同 时 , FAB 表 面 氧 化层厚度在不断下降 , 当 FG流量大于 0151 L /m in 时 , 氧 化 层 厚 度 开 始 保 持 不 变 , 也 就 是 说0151 L /m in以后 , 继续增加 FG流量对继续减轻铜 线 FAB 表面的氧化状况效果很弱 , 为了尽量降低 生产成本 , 最佳 FG流量应选择 0151 L /m in左右 。2 表面镀钯层对铜线抗氧化性能的改进据实验观察 , 4N 纯铜线在空气中的存储寿命 只有 7天左右 , 而表面镀钯铜线由于在抗氧化性能 上的改进使其具有长得多的存储寿命 。将在空气中 放置 10天的镀钯线进行 X射线光电子能谱 ( XPS) 分析 , 观察镀钯线的表面氧化状况 。图 6和图 7 为镀钯铜线的 XPS表面分析谱图 ,图 7 为钯元素的 XPS窄谱 , 可见钯的 3 d 光电子能 谱存在 335 eV和 34016 eV两个峰 , 其中 335 eV位置 的是主峰 。如果钯元素处于氧化状态 , 则钯元素的3 d 光电 子 能谱 的峰 位将 会 发生 一定 的 化学 位 移 ,主峰将会出现在结合能大于 336 eV的位置 。由于在 钯的 XPS谱中并未观察到钯元素 3 d峰与标准单质钯峰位的位移 。所以可以认为镀钯铜线表面钯元素处于单质状态 , 而不是氧化态 。从而表明镀钯铜线 即使在空气中存放 10 天以上 , 表面仍然观察不到 明显的氧化状态 , 这表明镀钯铜线的寿命比 4N 铜线要长 。为了进一步了解纯铜线和镀钯铜线键合界 面各种元素在分布上的差异 , 制作了 4N 铜线样品 以及镀钯铜线的键合样品 , 键合好的芯片在 250 老化 350 h后 , 用 TEM 观察其键合界面的结构特征 (图 8 ) 。图 8 ( b ) 是镀钯铜线键合界面的 TEM 图像 ,由图可以看出镀钯铜线界面连接性能比 4N 铜线要 好 , 界面处 没有 发 现非 晶层 , 只有 约 5 nm的相 界面 。与 4N 铜线界面 (图 ( a) ) 相比 , 最大的区别在于在铜焊点和 IMC 之间非晶的杂质和氧化层已 经消失 。 4N 和镀钯铜线在界面结构的不同 , 与 Pd元素的行为有关 , 由于 Pd镀层在 FAB 成球的过程中具有防氧化作用 , 使得键合界面处氧含量少 , 所 以也就不 存 在 过 多 的 O 元 素 聚 集 在 Cu 与 Cu2A lIMC的界面形成非晶态的氧化层 。图 6 镀钯铜线的 X射线光电子能谱F ig16 XPS of Pd coa ted copp e r w ire20 半导体技术第 36卷第 1期2011年 1月范象泉 等 : 铜线键合的抗氧化技术研究 4 UNO T, K IMURA K, YAMADA T. Su rface2enhanced copp e r bond ing w ire fo r L S I and its bond re liab ility unde rhum id environm en t C P roceed ings of 2009M ic roe lec tron ic s and Packaging Confe rence. R im in i, Ita ly,2009: 1 - 10. 5 UNO T, TERA SH IMA S, YAMADA T. Su rface2enhanced3 结论本文采用先进的材料分析方法 , 测量了不同 FG流量下 FAB 的氧化情况 。分析结果表明 , 采用 FG为0151 L /m in可以在成本较低的条件下 , 达到很好的抗 氧化效果 , 是最佳的 FG流量工艺条件 。另外 , 本文研究还表明 , 铜线表面镀钯不仅可以防止表面在常温 下发生氧化 , 在铜线键合后 , 钯元素还可以起到净化 键合界面 , 防止氧元素在界面聚集的作用 。thcopp e r bond ing w ire fo r L S I C P roceed ings of 59E lec tron ic Componen ts and Techno logy Confe rence. SanD iego, CA , 2009: 1486 - 1495.(收稿日期 : 2010 - 07 - 05 )参考文献 :作者简介 :范象泉 ( 1986 ) , 男 , 江西瑞昌人 , 硕士研 究生 ,专长是集成电路材料及其工艺研究 , 研究方向为铜线键合工艺和材料研究 ; 1 KUR TZ J , COU SEN S D , DU FOUR M. Copp e r w ire ba ll bond ing C P roceed ings of 34th E lec tron ic Componen tsConfe rence. N ew O rlean s, U SA , 1984: 1 - 6.TAN J , TOH B H , HO H M. Mode lling of free a ir ba ll fo r copp e r w ire bond ing C P roceed ings of 6th E lec tron ic s Packaging Techno logy Confe rence. 2004: 711 - 717.KA IMOR I S, NONA KA T, M IZO GUCH I A. The deve lopm en t of Cu bond ing w ire w ith oxida tion2re sistan t m e ta l coa ting J . IEEE Tran sac tion s on A dvanced Packaging, 2006 , 29 ( 2 ) : 227 - 231. 2 3 王家楫 ( 1945 ) ,男 ,浙江镇海人 ,教授 ,专长微电子材料及其可靠性研究 ,研究方向为微分析技术研究以及其 在微电子材料分析 、工艺表针 、器件剖析和失效分析中的应用 。(上接第 13页 )从金相显微镜和原子力显微镜检测到的结果可 以看出 : 样品表面吸附的有机物会影响清洗过程中 颗粒的去除 , 这是因为有机污染物往往能覆盖部分 材料表面 , 甚至一些颗粒等污染物也被覆盖在晶片 表面上 , 使得颗粒不能与清洗液等接触 , 从而影响 了颗粒的去除 。颗粒表面一般都带负电 , 当晶片表 面呈正电时易于 吸引 颗 粒 , 还 会引 起颗 粒 的再 沉 淀 ; 当晶片表面呈负电时 , 由于静电排斥作用 , 颗 粒则被 “推离 ”晶片 表 面 。但 是有 机杂 质 可以 带 正电也可以带负电 , 一些有机物分子会因为静电作 用层层包裹住颗粒杂质 , 使得颗粒杂质的去除更加 困难 。另外 , 由于有机污染物多为大分子物质 , 它 在晶片表面的吸附除了容易处 理的 物理 吸 附作 用 外 , 还会和晶