于姝莉

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

對于半導體器件而言， 管芯表面覆蓋的鈍化層是器件的最終機械保護層，不僅可以起到電極之間的絕緣作用，還能減弱和穩(wěn)定半導體材料的多種表面效應， 防止管芯受到塵埃、水汽、酸氣或金屬顆粒的沾污。鈍化層的制備一般是在特定的工藝流程中采用CVD 工藝（Chemical Vapor Deposition， 化學氣相沉積）生長SiO2或Si3N4到晶片上[1]，所以晶片的制造工藝條件和封裝工藝技術(shù)對于鈍化層的質(zhì)量和絕緣能力都非常重要。因前期鈍化工藝不良而引起后步封裝測試問題的案例在實際生產(chǎn)中時有發(fā)生。

2 問題出現(xiàn)與初步排查

某產(chǎn)品在封裝過程中，在完成合金粘片[2]以后，發(fā)現(xiàn)金屬布線上方鈍化層出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，同時部分區(qū)域出現(xiàn)鈍化層缺失，如圖1 所示。在顯微鏡100 倍放大視野下觀察，見到PAD 點周圍的寬鋁線附近存在異常凸起，呈不均勻分布且有著清晰的邊界。個別凸起處可見鈍化層已經(jīng)缺失，裸露出下方的金屬層。經(jīng)核查鏡檢記錄確證，該電路在合金粘片前的鏡檢時并未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，初步斷定該質(zhì)量問題為合金、粘片過程所誘發(fā)。

該產(chǎn)品的鈍化層為SiO2、Si3N4復合構(gòu)造，由于Si3N4材料本身應力比較大，推測可能由于鈍化加工過程出現(xiàn)某種異常導致了Si3N4層應力釋放不完整，造成鈍化層異常[3-4]。

圖1 鈍化層異常

對該批次產(chǎn)品進行逐一鏡檢，確認存在鈍化層凸起、缺失現(xiàn)象的部位均在電路最外圈較寬的金屬布線上，電路內(nèi)部沒有類似現(xiàn)象。抽取3 只失效現(xiàn)象較明顯的電路進行失效分析。出現(xiàn)鈍化層凸起問題的電路，在劃片后目檢時均未出現(xiàn)異樣，真到合金粘片完成后才會出現(xiàn)鈍化層凸起現(xiàn)象，且鈍化層凸起處形貌完整，未出現(xiàn)邊緣裂紋，失效現(xiàn)象不符合鈍化層損傷失效。初步排除因鈍化層質(zhì)量問題導致的失效，問題原因應在鈍化層下方。

3 失效分析

3.1 能譜測試

采用VEGA3 掃描電子顯微鏡對樣品凸起和缺失區(qū)域分別進行能譜分析[5]。由圖2 所示為電鏡下的鈍化層缺失處分析點。從圖中可以明顯看出，鈍化缺失處邊緣清晰、無裂紋現(xiàn)象[6]，SiO2和Si3N4分層清晰可見，兩層鈍化層均已缺失。

圖2 鈍化層缺失處SEM 分析區(qū)域

在進一步的分析中，選取如圖2 所示的四個定位點，采用5keV 能量進行分析，分析具體結(jié)果如表1 所示。

表1 鈍化缺損處分析結(jié)果

分析點“1”處為鈍化缺失區(qū)域內(nèi)的重度缺陷區(qū)，經(jīng)分析與點“2”處的成分相近，均以鋁金屬為主，可以證明鈍化層缺失區(qū)域內(nèi)的鈍化層成份已完全失去。分析點“3”、“4”兩處為鈍化層完整區(qū)域，5keV 能量下只能分析表層氮化硅成份。經(jīng)測試，鈍化層成分正常，無氧含量超標現(xiàn)象；表層氮化硅也沒有觀察到質(zhì)量問題。

如圖3 所示為鈍化層凸起處分析點，此處在電鏡圖像中呈現(xiàn)不規(guī)則鼓起狀，邊緣平滑。在增加能量后，表面開始破損，出現(xiàn)圖中的黑色條狀區(qū)域，凸起區(qū)域逐漸塌縮至圖中呈現(xiàn)的狀態(tài)。為確認此類鈍化凸起的形成原因，分別采用5keV、10keV 能量對凸起區(qū)域的氟、氯、氫含量進行分析。分析具體結(jié)果如表2 所示。

圖3 鈍化層凸起處SEM 分析區(qū)域

表2 鈍化層凸起處SEM 分析結(jié)果

在5keV 能量下，以表層氮化硅為分析對象，測試結(jié)果表明其成份符合氮化硅比例要求。在10keV能量下，分析對象為鈍化層下方的空間，得知其主要成份為金屬鋁。測試過程中并未在樣品中發(fā)現(xiàn)大量水汽或腐蝕性氣體成分。

3.2 原因分析

可能造成這一鈍化層異常的原因包括：

a) 鈍化層下存在腐蝕性氣體，在接觸水汽后，腐蝕了氧化層，形成孔洞；

b) 鈍化層下聚集有水汽，經(jīng)高溫后，體積腫脹而鼓起；

c) 由于金屬鋁與鈍化層的熱膨脹系數(shù)不一致，從合金粘片的420℃下降至室溫后，鈍化層內(nèi)集聚的熱應力未能完全釋放。

由圖4 中可見，鈍化層缺失處金屬完整，沒有變色、發(fā)烏，證明金屬未經(jīng)過腐蝕。經(jīng)能譜分析確認，也未發(fā)現(xiàn)大量腐蝕性元素存在，加工過程正常，不存在質(zhì)量問題。第一種原因可以排除。

圖4 鈍化層缺失處能譜分析區(qū)域

正常情況下，SiO2存在親水性，場區(qū)內(nèi)無金屬布線處應聚集更多的水汽。鈍化凸起處均在金屬布線上，未靠近金屬邊緣，且能譜分析未發(fā)現(xiàn)過量的氫元素存在，排除加工過程或儲存過程受潮問題。

合金粘片過程中，需要操作人員用手工擦動的方式完成芯片與管殼粘接，又對芯片施加了應力。過度的應力聚集很可能是產(chǎn)品表面出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的主因，不能排除。

3.3 失效現(xiàn)象復現(xiàn)

為最終確認應力來源，進行以下實驗：在同一晶圓片上選取兩個芯片分別進行300℃導電膠粘接工藝模擬和420℃加熱模擬。

300℃導電膠粘片后芯片表面情況如圖5 所示。實驗完成后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過300℃烘焙15min 的芯片未發(fā)生變化，而在420℃加熱爐上放置20s 的芯片已經(jīng)出現(xiàn)鈍化凸起，現(xiàn)象與失效產(chǎn)品完全一致，失效復現(xiàn)成功，此次鈍化層質(zhì)量問題的起因被準確定位。

圖5 300℃導電膠粘片后芯片表面

在導電膠粘接工藝中，產(chǎn)品有在烘箱內(nèi)冷卻降溫的過程，令電路有足夠的時間進行熱應力釋放[7]；而在合金粘片工藝中，粘片完成后，直接取下電路令其自然冷卻，這樣就導致了壓力更加容易聚集[8]。該電路中的應力來源為熱應力，也就是造成此次鈍化層質(zhì)量問題出現(xiàn)的原因。

4 結(jié) 束 語

以某產(chǎn)品出現(xiàn)的一起鈍化層質(zhì)量問題為案例展開實際分析，通過目檢、鏡檢、能譜分析等手段提供數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合實際工藝條件最終發(fā)現(xiàn)問題所在，經(jīng)過實驗使問題再次復現(xiàn)，確定了問題的起因，徹底解決了此次鈍化層質(zhì)量問題，對避免在未來生產(chǎn)中再次出現(xiàn)同類問題提供了保障，有力地提高了集成電路產(chǎn)品生產(chǎn)的可靠性。