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Cu芯片纳米薄膜金属化层超声键合性能及抗氧化性能研究

作　者: 王宁宁
导　师: 田艳红
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 铜互连磁控溅射纳米薄膜抗氧化超声键合性能
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前封装向小型化、高密度化和多芯片化发展,铝作为芯片上互连材料已不能满足要求,需要新的互连材料来满足半导体技术对操作速度和可靠性方面的要求,这种材料就是铜。铜具有低电阻率、抗电迁移性好等优点,但是铜互连焊盘在进行超声丝线键合过程中易氧化,且铜氧化物生长速度快,难以通过超声振动去除,导致键合工艺复杂。本文采用磁控溅射的方法制备了Ti-Cu-Ti-Ag.不同氮气流量的Ti-Cu-TiN-Ag和Ti-Cu-TaN-Ag薄膜结构,来提高铜芯片的抗氧化性能和超声键合性能。通过AFM、XRD、SEM、XPS等手段对各种薄膜结构的形貌、相、成分等进行表征,研究了各种薄膜结构的超声键合性能,并对不同阻挡层的抗氧化性能进行了比较。研究结果表明：磁控溅射方法制备的薄膜结膜层厚度均匀,表面粗糙度小。XRD分析溅射制备的Ag膜以(111)晶面择优取向,平均晶粒尺寸为29.2nm,Cu膜以(111)晶面择优取向,抗电迁移性能好,氮气流量为2.5sccm和1.0sccm时制备的TiN分别以TiN和TiN1-x存在,而TaN主要以Ta2N存在。Ti-Cu-Ti-Ag、Ti-Cu-TiN(N21.0)-Ag和Ti-Cu-TaN-Ag薄膜结构键合能力良好,达到100%,Ti-Cu-TiN(N22.5)-Ag薄膜结构键合能力稍差,为92%。各种薄膜结构随超声功率的增加,剪切载荷增加,但剪切强度先增加后下降；随键合压力增加,剪切载荷增加,但剪切强度先增加后下降。Ti-Cu-TiN(N22.5)-Ag薄膜结构的剪切强度较低,其它薄膜结构的剪切强度均较高。各种薄膜结构的剪切破坏主要发生在Au球内部和Ag层与阻挡层之间的界面处。Ti-Cu-TaN-Ag和Ti-Cu-TiN(N21.0)-Ag薄膜结构的阻挡性能最好,在300℃的空气中储存30分钟后仍未见铜元素扩散到Ag表面,Ti-Cu-Ti-Ag结构阻挡性能次之,250℃的空气中存储30分钟后,表面出现铜元素含量为15.93at.%,而Ti-Cu-TiN(N22.5)-Ag结构在150℃的空气中储存30分钟后,即在边缘处有11.77at.%的Cu元素出现。无阻挡层的Ti-Cu-Ag结构在150℃的空气中储存30分钟后加热后,表面铜原子含量为27.52at.%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 铜芯片表面防氧化的研究现状  11-13
    1.2.2 扩散阻挡层材料研究现状  13-17
  1.3 本课题的主要研究内容  17-19
第2章试验材料、设备及方法  19-24
  2.1 本文研究过程  19
  2.2 试验材料  19
  2.3 试验设备及方法  19-23
    2.3.1 磁控溅射原理及设备  19-20
    2.3.2 Au丝球超声键合设备  20-21
    2.3.3 剪切试验  21-22
    2.3.4 老化试验  22
    2.3.5 SEM和EDX分析  22
    2.3.6 薄膜表面形貌及粗糙度分析  22
    2.3.7 薄膜表面成分分析  22-23
    2.3.8 薄膜相结构分析  23
  2.4 本章小结  23-24
第3章纳米薄膜金属化层的制备与表征  24-37
  3.1 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜  24-28
    3.1.1 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜的制备  24-25
    3.1.2 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜的表面AFM分析  25-26
    3.1.3 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜的横截面分析  26
    3.1.4 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜的相结构分析  26-27
    3.1.5 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜的表面成分分析  27-28
  3.2 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜  28-34
    3.2.1 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜的制备  28-29
    3.2.2 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜的表面AFM分析  29-30
    3.2.3 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜的横截面分析  30-32
    3.2.4 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜的相结构分析  32-34
  3.3 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜  34-36
    3.3.1 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜的制备  34
    3.3.2 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜的表面AFM分析  34
    3.3.3 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜的横截面分析  34-35
    3.3.4 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜的相结构分析  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章纳米薄膜金属化层的键合特性  37-55
  4.1 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜的键合性能  37-46
    4.1.1 键合能力测试  37-38
    4.1.2 键合工艺参数对键合质量的影响  38-44
    4.1.3 金丝键合焊点老化测试  44-46
  4.2 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜的键合性能  46-51
    4.2.1 键合能力测试  46-47
    4.2.2 金丝键合焊点剪切性能  47-51
  4.3 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜的键合性能  51-54
    4.3.1 键合能力测试  51
    4.3.2 金丝键合焊点剪切性能  51-54
  4.4 本章小结  54-55
第5章纳米薄膜金属化层的抗氧化性能研究  55-65
  5.1 Ti-Cu-Ti-Ag薄膜结构的抗氧化性能  55-59
    5.1.1 常温下长时间存储后表面成分分析  55-56
    5.1.2 高温存储后表面成分分析  56-59
  5.2 Ti-Cu-TiN-Ag薄膜结构的抗氧化性能  59-62
    5.2.1 Ti-Cu-TiN(N_22.5)-Ag薄膜结构的抗氧化性能  59-61
    5.2.2 Ti-Cu-TiN(N_21.0)-Ag薄膜结构的抗氧化性能  61-62
  5.3 Ti-Cu-TaN-Ag薄膜结构的抗氧化性能  62-63
  5.4 本章小结  63-65
结论  65-66
参考文献  66-70
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  70-72
致谢  72

Cu芯片纳米薄膜金属化层超声键合性能及抗氧化性能研究

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