倒裝焊器件中Cu/low-k結構熱可靠性分析

趙明君

(桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林 541004)

傳統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的以鋁和SiO2為互連材料的鋁互連工藝[1]。銅互連工藝的發展主要是由于雙大馬士革工藝結構的提出而發展起來的，雙大馬士革法克服了刻蝕銅的困難，只需要對介質進行刻蝕[2]。然而這種low-k材料與傳統的介質材料相比具有模量較低的特點，這就給封裝和組裝工藝提出了很大的挑戰。低k介質的模量小于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層產生界面開裂。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結構的熱機械可靠性問題。

1 有限元仿真

圖1為倒裝焊器件的整體模型及Cu/low-k結構的子模型，圖中右上方為子模型，本文主要為了研究Cu/low-k結構的熱機械可靠性，因此接下來只給出這部分結構的尺寸參數及材料參數。Cu/low-k結構子模型主要由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在表1中已給出，分析中采用了四邊形平面應變單元進行計算。表2列出了子模型中各部分的材料性能參數，表格中的材料均視為線彈性材料，已給出了有限元模擬時所用到的楊氏模量，熱膨脹系數及泊松比。分析時用到的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的芳香族碳氫聚合物)。

表1 子模型各部分厚度尺寸表 μm

表2 材料性能參數表

圖1 倒裝焊器件二維有限元網格

模擬中的溫度加載包括固化和后續的熱循環兩個階段。首先，底充膠在130℃恒溫固化60 min，接下來將封裝體以10℃/min的速率冷卻至室溫，保溫30 min，然后封裝體經歷三個熱循環過程，熱循環高溫為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 結果與分析

2.1 Cu/low-k結構的熱應力分析

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

圖3 銅線及通孔等效應力分布圖

圖4 下方第二個通孔高應力處的等效應力變化圖

圖5 low-k1(TEOS)層處的等效應力分布圖

2.2 不同Low-k材料對等效應力的影響

為了研究不同的層間介質對Cu/low-k結構的熱機械可靠性的影響，本文還選擇了另外一種低k材料(SiLK)作為層間介質進行了有限元模擬，這種低k材料的介電常數大約為2.7，而前面介紹的TEOS低k材料的介電常數大約為3.5，很明顯這種低k材料的介電常數更低，將會縮短信號傳播延時。圖6給出了考慮固化工藝情況下有限元模型中最外側銅線及通孔在第三個熱循環低溫狀態(圖2中d點)的等效應力分布云圖，此時的應力分布較第一種情況(見圖3)有著明顯的不同，此時通孔的應力最大位置出現在每個通孔的下部，并且在模型下方的第二個通孔下部出現了等效應力最大值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較TEOS低的SiLK材料降低了線路串擾和縮短了布線的RC延遲時間，但是卻使通孔的等效應力明顯增加，使其更容易產生可靠性問題。另外，筆者給出了通孔最大應力處(8857號節點)在整個熱循環階段的變化趨勢圖，見圖7，和第一種情況相比變化趨勢沒有改變，同樣為熱循環的低溫保溫階段通孔出現應力最大值，只是大小有所增加，增加了92 MPa。圖8給出了low-k2(介質材料為SiLK)層處的等效應力分布云圖，由圖可知在low-k2層與通孔下部的交界點處等效應力較大，另外在low-k2層與銅線的交界面上等效應力同樣要比其他位置處的應力值大。

圖6 銅線及通孔等效應力分布圖

圖7 下方第二個通孔高應力處的等效應力變化圖

圖8 low-k2(介質材料為SiLK)層處的等效應力分布圖

圖9 鋁線及通孔等效應力分布圖

2.3 不同金屬材料對等效應力的影響

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

2.4 銅通孔寬度對等效應力的影響

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通孔附近熱應力的影響情況。筆者以原Cu/low-k結構中0.2 μm寬的通孔為例，適當改變了其寬度的大小，另外選擇了兩種通孔結構，通孔寬度分別為 0.15 μm 和 0.25 μm，并且利用有限元軟件對其建立了模型，分析結果見圖10和圖11。從圖中可以看出，通孔的熱應力分布趨勢較0.2 μm寬的通孔結構并沒有改變，依然是每個通孔的右上方出現應力集中現象。當通孔寬度為0.15 μm時，通孔的最大等效應力為340.175 MPa；當通孔寬度為0.25 μm時，通孔的最大等效應力為335.748 MPa。從上述的有限元分析結果可以看出，隨著通孔寬度的減小，通孔所受的等效應力反而在增加，但是應力增加的幅度并不明顯，因此通孔寬度的改變對通孔熱應力的影響并不顯著。

圖10 0.15 μm寬通孔等效應力分布

圖11 0.25 μm寬通孔等效應力分布

3 結論

本文主要對倒裝焊器件的Cu/low-k結構進行了研究，分析了Cu/low-k結構中金屬互連線和低電介質材料的熱機械可靠性問題，得到的有限元仿真結果及結論如下：

(1)在原始結構參數下，等效應力的最大值出現在每個通孔的右上部，而low-k層的最大應力位于每層電介質與通孔上方的交接點處，同時在每層電介質與銅線的交界面上也出現較大等效應力，因此在金屬互連線與低電介質材料的交界處容易產生熱可靠性問題。

(2)采用不同介電常數的low-k材料(TEOS和SiLK)作為層間介質時，銅互連線及電介質材料所受等效應力的分布趨勢有所不同，應力值的大小也隨著電介質材料的介電常數減小而增大。說明采用介電常數更低的電介質材料可以縮短延遲時間，但是卻使器件的熱機械可靠性有所降低。

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

(4)采用不同的通孔寬度進行有限元模擬時，結果表明通孔寬度對通孔附近熱應力的影響并不明顯。

[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，2006.

[2] Michael Quirk，Julian Serda著，韓鄭生等譯.半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，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.無鉛倒裝焊封器件的熱-機械失效分析[C].桂林：桂林電子科技大學研究生學位論文，2005.