趙明君

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

傳統(tǒng)的互連工藝是利用鋁或者鋁合金作為互連金屬材料，利用SiO2作為層間介質(zhì)材料的鋁互連工藝。然而隨著芯片特征尺寸的不斷縮小和芯片集成度的不斷提高，采用銅和low-k材料作為互連材料的銅互連工藝正在逐步取代傳統(tǒng)的以鋁和SiO2為互連材料的鋁互連工藝[1]。銅互連工藝的發(fā)展主要是由于雙大馬士革工藝結(jié)構(gòu)的提出而發(fā)展起來(lái)的，雙大馬士革法克服了刻蝕銅的困難，只需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行刻蝕[2]。然而這種low-k材料與傳統(tǒng)的介質(zhì)材料相比具有模量較低的特點(diǎn)，這就給封裝和組裝工藝提出了很大的挑戰(zhàn)。低k介質(zhì)的模量小于10 GPa，而SiO2的模量為70 GPa[3]。由于封裝工藝的影響，可能使Cu/low-k層或者是超薄low-k層產(chǎn)生界面開(kāi)裂。由于低k材料具有這方面的局限性，因此研究其在封裝器件中的可靠性是有重要意義的。

本文以倒裝焊器件為例，利用MSC.Marc有限元軟件研究了該器件中Cu/low-k結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械可靠性問(wèn)題。

1 有限元仿真

圖1為倒裝焊器件的整體模型及Cu/low-k結(jié)構(gòu)的子模型，圖中右上方為子模型，本文主要為了研究Cu/low-k結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械可靠性，因此接下來(lái)只給出這部分結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)及材料參數(shù)。Cu/low-k結(jié)構(gòu)子模型主要由SiN(刻蝕停止層)，SiO2，Al，hardmask(硬掩膜層)，PSG(磷硅玻璃)，low-k層及Cu等部分構(gòu)成。該模型中選擇了兩種Cu通孔寬度，分別為0.2 μm和0.4 μm。模型中各部分具體的尺寸參數(shù)在表1中已給出，分析中采用了四邊形平面應(yīng)變單元進(jìn)行計(jì)算。表2列出了子模型中各部分的材料性能參數(shù)，表格中的材料均視為線彈性材料，已給出了有限元模擬時(shí)所用到的楊氏模量，熱膨脹系數(shù)及泊松比。分析時(shí)用到的low-k材料包括兩種，分別為TEOS(tetraethyl orthosilicate，四乙氧基硅烷)和SiLK(一種不含Si和F的芳香族碳?xì)渚酆衔?。

表1 子模型各部分厚度尺寸表 μm

表2 材料性能參數(shù)表

圖1 倒裝焊器件二維有限元網(wǎng)格

模擬中的溫度加載包括固化和后續(xù)的熱循環(huán)兩個(gè)階段。首先，底充膠在130℃恒溫固化60 min，接下來(lái)將封裝體以10℃/min的速率冷卻至室溫，保溫30 min，然后封裝體經(jīng)歷三個(gè)熱循環(huán)過(guò)程，熱循環(huán)高溫為125℃，低溫為－55℃，高低溫各駐留5 min。溫度加載曲線如圖2所示。

圖2 溫度加載曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu/low-k結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析

圖3給出了考慮固化工藝情況下有限元模型中最外側(cè)銅線及通孔在第三個(gè)熱循環(huán)低溫狀態(tài)(圖2中d點(diǎn))的等效應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出此時(shí)的等效應(yīng)力分布是不均勻的，等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在每個(gè)通孔的右上角處，而每個(gè)通孔的下部應(yīng)力相對(duì)較小，這是由于三者(low-k層、硬掩膜層和銅)的熱膨脹系數(shù)的差異所致。并且此時(shí)模型下方的第二個(gè)通孔的等效應(yīng)力值為最大，其大小為337.201 MPa，該點(diǎn)處(模型中8761號(hào)節(jié)點(diǎn))的等效應(yīng)力隨加載時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4，從圖中可以看出在固化階段，通孔處的應(yīng)力值不大，大約為20 MPa左右；而將封裝體冷卻至室溫時(shí)，通孔處的應(yīng)力有所上升，上升至約180 MPa左右；當(dāng)封裝體處在熱循環(huán)的低溫狀態(tài)時(shí)，通孔處的應(yīng)力出現(xiàn)最大值，約為337 MPa，這與文獻(xiàn)[4]的結(jié)論相似。圖5給出了將TEOS這種低k材料作為層間介質(zhì)時(shí)的介質(zhì)層等效應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，此時(shí)的最大應(yīng)力位于每層電介質(zhì)與通孔上方的交接點(diǎn)處，最大值仍然為337.201 MPa，同時(shí)可以看出每層電介質(zhì)與銅線的交界面上等效應(yīng)力相對(duì)于其他位置較大，這可能由于二者的機(jī)械特性相差較大所致。

圖3 銅線及通孔等效應(yīng)力分布圖

圖4 下方第二個(gè)通孔高應(yīng)力處的等效應(yīng)力變化圖

圖5 low-k1(TEOS)層處的等效應(yīng)力分布圖

2.2 不同Low-k材料對(duì)等效應(yīng)力的影響

為了研究不同的層間介質(zhì)對(duì)Cu/low-k結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械可靠性的影響，本文還選擇了另外一種低k材料(SiLK)作為層間介質(zhì)進(jìn)行了有限元模擬，這種低k材料的介電常數(shù)大約為2.7，而前面介紹的TEOS低k材料的介電常數(shù)大約為3.5，很明顯這種低k材料的介電常數(shù)更低，將會(huì)縮短信號(hào)傳播延時(shí)。圖6給出了考慮固化工藝情況下有限元模型中最外側(cè)銅線及通孔在第三個(gè)熱循環(huán)低溫狀態(tài)(圖2中d點(diǎn))的等效應(yīng)力分布云圖，此時(shí)的應(yīng)力分布較第一種情況(見(jiàn)圖3)有著明顯的不同，此時(shí)通孔的應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在每個(gè)通孔的下部，并且在模型下方的第二個(gè)通孔下部出現(xiàn)了等效應(yīng)力最大值429.074 MPa，較第一種情況增大了大約27.30%，雖然選擇了介電常數(shù)較TEOS低的SiLK材料降低了線路串?dāng)_和縮短了布線的RC延遲時(shí)間，但是卻使通孔的等效應(yīng)力明顯增加，使其更容易產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。另外，筆者給出了通孔最大應(yīng)力處(8857號(hào)節(jié)點(diǎn))在整個(gè)熱循環(huán)階段的變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖7，和第一種情況相比變化趨勢(shì)沒(méi)有改變，同樣為熱循環(huán)的低溫保溫階段通孔出現(xiàn)應(yīng)力最大值，只是大小有所增加，增加了92 MPa。圖8給出了low-k2(介質(zhì)材料為SiLK)層處的等效應(yīng)力分布云圖，由圖可知在low-k2層與通孔下部的交界點(diǎn)處等效應(yīng)力較大，另外在low-k2層與銅線的交界面上等效應(yīng)力同樣要比其他位置處的應(yīng)力值大。

圖6 銅線及通孔等效應(yīng)力分布圖

圖7 下方第二個(gè)通孔高應(yīng)力處的等效應(yīng)力變化圖

圖8 low-k2(介質(zhì)材料為SiLK)層處的等效應(yīng)力分布圖

圖9 鋁線及通孔等效應(yīng)力分布圖

2.3 不同金屬材料對(duì)等效應(yīng)力的影響

在集成電路工藝中，金屬鋁(Al)一直是芯片中電路互連導(dǎo)線的主要材料，然而為了降低信號(hào)傳播延遲時(shí)間和線間干擾，金屬銅(Cu)正在逐漸取代金屬鋁(Al)，因此在討論銅線熱機(jī)械可靠性的同時(shí)，筆者也分析了鋁線作為互連線時(shí)所受的熱應(yīng)力以及此時(shí)低k材料所受的熱應(yīng)力情況。圖9給出了鋁線作為互連線時(shí)其所受的等效應(yīng)力分布，從圖中可以看出此時(shí)鋁線及通孔所受的最大等效應(yīng)力仍然集中在每個(gè)通孔的右上方，但是該應(yīng)力的大小較銅線作為互連線時(shí)明顯減小，應(yīng)力值為291.828 MPa，大約減小了13.65%。同時(shí)low-k1(TEOS)層所受的等效應(yīng)力同樣有所緩解，最大應(yīng)力仍然位于每層電介質(zhì)與通孔上方的交接點(diǎn)處，大小依舊為291.828MPa?？梢?jiàn)，利用金屬銅代替金屬鋁作為互連線雖然可以降低信號(hào)傳播延遲時(shí)間和線間干擾，但另一方面卻使互連線及電介質(zhì)層的應(yīng)力增大，可能降低封裝器件的可靠性。

2.4 銅通孔寬度對(duì)等效應(yīng)力的影響

隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，互連線及通孔的尺寸也在不斷的減小，因此有必要分析一下通孔寬度的大小對(duì)通孔附近熱應(yīng)力的影響情況。筆者以原Cu/low-k結(jié)構(gòu)中0.2 μm寬的通孔為例，適當(dāng)改變了其寬度的大小，另外選擇了兩種通孔結(jié)構(gòu)，通孔寬度分別為 0.15 μm 和 0.25 μm，并且利用有限元軟件對(duì)其建立了模型，分析結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11。從圖中可以看出，通孔的熱應(yīng)力分布趨勢(shì)較0.2 μm寬的通孔結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，依然是每個(gè)通孔的右上方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)通孔寬度為0.15 μm時(shí)，通孔的最大等效應(yīng)力為340.175 MPa；當(dāng)通孔寬度為0.25 μm時(shí)，通孔的最大等效應(yīng)力為335.748 MPa。從上述的有限元分析結(jié)果可以看出，隨著通孔寬度的減小，通孔所受的等效應(yīng)力反而在增加，但是應(yīng)力增加的幅度并不明顯，因此通孔寬度的改變對(duì)通孔熱應(yīng)力的影響并不顯著。

圖10 0.15 μm寬通孔等效應(yīng)力分布

圖11 0.25 μm寬通孔等效應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文主要對(duì)倒裝焊器件的Cu/low-k結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了Cu/low-k結(jié)構(gòu)中金屬互連線和低電介質(zhì)材料的熱機(jī)械可靠性問(wèn)題，得到的有限元仿真結(jié)果及結(jié)論如下：

(1)在原始結(jié)構(gòu)參數(shù)下，等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在每個(gè)通孔的右上部，而low-k層的最大應(yīng)力位于每層電介質(zhì)與通孔上方的交接點(diǎn)處，同時(shí)在每層電介質(zhì)與銅線的交界面上也出現(xiàn)較大等效應(yīng)力，因此在金屬互連線與低電介質(zhì)材料的交界處容易產(chǎn)生熱可靠性問(wèn)題。

(2)采用不同介電常數(shù)的low-k材料(TEOS和SiLK)作為層間介質(zhì)時(shí)，銅互連線及電介質(zhì)材料所受等效應(yīng)力的分布趨勢(shì)有所不同，應(yīng)力值的大小也隨著電介質(zhì)材料的介電常數(shù)減小而增大。說(shuō)明采用介電常數(shù)更低的電介質(zhì)材料可以縮短延遲時(shí)間，但是卻使器件的熱機(jī)械可靠性有所降低。

(3)采用不同金屬材料(金屬銅和鋁)作為互連線時(shí)，金屬互連線及電介質(zhì)材料所受等效應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本相同，然而使用金屬鋁作為互連線時(shí)比使用金屬銅時(shí)等效應(yīng)力明顯減小，大約減小了13.65%。

(4)采用不同的通孔寬度進(jìn)行有限元模擬時(shí)，結(jié)果表明通孔寬度對(duì)通孔附近熱應(yīng)力的影響并不明顯。

[1] 張銀霞.單晶硅片超精密磨削加工表面層損傷的研究：(博士論文)[C].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[2] Michael Quirk，Julian Serda著，韓鄭生等譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] Mercado,L L,Kuo S-M,et al.Impact of flip-chip packaging on copper/low-k structures[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2003,26(4):433－440.

[4] 潘宏明.無(wú)鉛倒裝焊封器件的熱-機(jī)械失效分析[C].桂林：桂林電子科技大學(xué)研究生學(xué)位論文，2005.