倒装焊器件中Cu/low-k结构热可靠性分析

赵明君

(桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004)

传统的互连工艺是利用铝或者铝合金作为互连金属材料，利用SiO2作为层间介质材料的铝互连工艺。然而随着芯片特征尺寸的不断缩小和芯片集成度的不断提高，采用铜和low-k材料作为互连材料的铜互连工艺正在逐步取代传统的以铝和SiO2为互连材料的铝互连工艺[1]。铜互连工艺的发展主要是由于双大马士革工艺结构的提出而发展起来的，双大马士革法克服了刻蚀铜的困难，只需要对介质进行刻蚀[2]。然而这种low-k材料与传统的介质材料相比具有模量较低的特点，这就给封装和组装工艺提出了很大的挑战。低k介质的模量小于10 GPa，而SiO2的模量为70 GPa[3]。由于封装工艺的影响，可能使Cu/low-k层或者是超薄low-k层产生界面开裂。由于低k材料具有这方面的局限性，因此研究其在封装器件中的可靠性是有重要意义的。

本文以倒装焊器件为例，利用MSC.Marc有限元软件研究了该器件中Cu/low-k结构的热机械可靠性问题。

1 有限元仿真

图1为倒装焊器件的整体模型及Cu/low-k结构的子模型，图中右上方为子模型，本文主要为了研究Cu/low-k结构的热机械可靠性，因此接下来只给出这部分结构的尺寸参数及材料参数。Cu/low-k结构子模型主要由SiN(刻蚀停止层)，SiO2，Al，hardmask(硬掩膜层)，PSG(磷硅玻璃)，low-k层及Cu等部分构成。该模型中选择了两种Cu通孔宽度，分别为0.2 μm和0.4 μm。模型中各部分具体的尺寸参数在表1中已给出，分析中采用了四边形平面应变单元进行计算。表2列出了子模型中各部分的材料性能参数，表格中的材料均视为线弹性材料，已给出了有限元模拟时所用到的杨氏模量，热膨胀系数及泊松比。分析时用到的low-k材料包括两种，分别为TEOS(tetraethyl orthosilicate，四乙氧基硅烷)和SiLK(一种不含Si和F的芳香族碳氢聚合物)。

表1 子模型各部分厚度尺寸表 μm

表2 材料性能参数表

图1 倒装焊器件二维有限元网格

模拟中的温度加载包括固化和后续的热循环两个阶段。首先，底充胶在130℃恒温固化60 min，接下来将封装体以10℃/min的速率冷却至室温，保温30 min，然后封装体经历三个热循环过程，热循环高温为125℃，低温为－55℃，高低温各驻留5 min。温度加载曲线如图2所示。

图2 温度加载曲线

2 结果与分析

2.1 Cu/low-k结构的热应力分析

图3给出了考虑固化工艺情况下有限元模型中最外侧铜线及通孔在第三个热循环低温状态(图2中d点)的等效应力分布云图。从图中可以看出此时的等效应力分布是不均匀的，等效应力的最大值出现在每个通孔的右上角处，而每个通孔的下部应力相对较小，这是由于三者(low-k层、硬掩膜层和铜)的热膨胀系数的差异所致。并且此时模型下方的第二个通孔的等效应力值为最大，其大小为337.201 MPa，该点处(模型中8761号节点)的等效应力随加载时间的变化趋势见图4，从图中可以看出在固化阶段，通孔处的应力值不大，大约为20 MPa左右；而将封装体冷却至室温时，通孔处的应力有所上升，上升至约180 MPa左右；当封装体处在热循环的低温状态时，通孔处的应力出现最大值，约为337 MPa，这与文献[4]的结论相似。图5给出了将TEOS这种低k材料作为层间介质时的介质层等效应力分布云图，从图中可以看出，此时的最大应力位于每层电介质与通孔上方的交接点处，最大值仍然为337.201 MPa，同时可以看出每层电介质与铜线的交界面上等效应力相对于其他位置较大，这可能由于二者的机械特性相差较大所致。

图3 铜线及通孔等效应力分布图

图4 下方第二个通孔高应力处的等效应力变化图

图5 low-k1(TEOS)层处的等效应力分布图

2.2 不同Low-k材料对等效应力的影响

为了研究不同的层间介质对Cu/low-k结构的热机械可靠性的影响，本文还选择了另外一种低k材料(SiLK)作为层间介质进行了有限元模拟，这种低k材料的介电常数大约为2.7，而前面介绍的TEOS低k材料的介电常数大约为3.5，很明显这种低k材料的介电常数更低，将会缩短信号传播延时。图6给出了考虑固化工艺情况下有限元模型中最外侧铜线及通孔在第三个热循环低温状态(图2中d点)的等效应力分布云图，此时的应力分布较第一种情况(见图3)有着明显的不同，此时通孔的应力最大位置出现在每个通孔的下部，并且在模型下方的第二个通孔下部出现了等效应力最大值429.074 MPa，较第一种情况增大了大约27.30%，虽然选择了介电常数较TEOS低的SiLK材料降低了线路串扰和缩短了布线的RC延迟时间，但是却使通孔的等效应力明显增加，使其更容易产生可靠性问题。另外，笔者给出了通孔最大应力处(8857号节点)在整个热循环阶段的变化趋势图，见图7，和第一种情况相比变化趋势没有改变，同样为热循环的低温保温阶段通孔出现应力最大值，只是大小有所增加，增加了92 MPa。图8给出了low-k2(介质材料为SiLK)层处的等效应力分布云图，由图可知在low-k2层与通孔下部的交界点处等效应力较大，另外在low-k2层与铜线的交界面上等效应力同样要比其他位置处的应力值大。

图6 铜线及通孔等效应力分布图

图7 下方第二个通孔高应力处的等效应力变化图

图8 low-k2(介质材料为SiLK)层处的等效应力分布图

图9 铝线及通孔等效应力分布图

2.3 不同金属材料对等效应力的影响

在集成电路工艺中，金属铝(Al)一直是芯片中电路互连导线的主要材料，然而为了降低信号传播延迟时间和线间干扰，金属铜(Cu)正在逐渐取代金属铝(Al)，因此在讨论铜线热机械可靠性的同时，笔者也分析了铝线作为互连线时所受的热应力以及此时低k材料所受的热应力情况。图9给出了铝线作为互连线时其所受的等效应力分布，从图中可以看出此时铝线及通孔所受的最大等效应力仍然集中在每个通孔的右上方，但是该应力的大小较铜线作为互连线时明显减小，应力值为291.828 MPa，大约减小了13.65%。同时low-k1(TEOS)层所受的等效应力同样有所缓解，最大应力仍然位于每层电介质与通孔上方的交接点处，大小依旧为291.828MPa。可见，利用金属铜代替金属铝作为互连线虽然可以降低信号传播延迟时间和线间干扰，但另一方面却使互连线及电介质层的应力增大，可能降低封装器件的可靠性。

2.4 铜通孔宽度对等效应力的影响

随着集成电路特征尺寸的不断减小，互连线及通孔的尺寸也在不断的减小，因此有必要分析一下通孔宽度的大小对通孔附近热应力的影响情况。笔者以原Cu/low-k结构中0.2 μm宽的通孔为例，适当改变了其宽度的大小，另外选择了两种通孔结构，通孔宽度分别为 0.15 μm 和 0.25 μm，并且利用有限元软件对其建立了模型，分析结果见图10和图11。从图中可以看出，通孔的热应力分布趋势较0.2 μm宽的通孔结构并没有改变，依然是每个通孔的右上方出现应力集中现象。当通孔宽度为0.15 μm时，通孔的最大等效应力为340.175 MPa；当通孔宽度为0.25 μm时，通孔的最大等效应力为335.748 MPa。从上述的有限元分析结果可以看出，随着通孔宽度的减小，通孔所受的等效应力反而在增加，但是应力增加的幅度并不明显，因此通孔宽度的改变对通孔热应力的影响并不显著。

图10 0.15 μm宽通孔等效应力分布

图11 0.25 μm宽通孔等效应力分布

3 结论

本文主要对倒装焊器件的Cu/low-k结构进行了研究，分析了Cu/low-k结构中金属互连线和低电介质材料的热机械可靠性问题，得到的有限元仿真结果及结论如下：

(1)在原始结构参数下，等效应力的最大值出现在每个通孔的右上部，而low-k层的最大应力位于每层电介质与通孔上方的交接点处，同时在每层电介质与铜线的交界面上也出现较大等效应力，因此在金属互连线与低电介质材料的交界处容易产生热可靠性问题。

(2)采用不同介电常数的low-k材料(TEOS和SiLK)作为层间介质时，铜互连线及电介质材料所受等效应力的分布趋势有所不同，应力值的大小也随着电介质材料的介电常数减小而增大。说明采用介电常数更低的电介质材料可以缩短延迟时间，但是却使器件的热机械可靠性有所降低。

(3)采用不同金属材料(金属铜和铝)作为互连线时，金属互连线及电介质材料所受等效应力的分布趋势基本相同，然而使用金属铝作为互连线时比使用金属铜时等效应力明显减小，大约减小了13.65%。

(4)采用不同的通孔宽度进行有限元模拟时，结果表明通孔宽度对通孔附近热应力的影响并不明显。

[1] 张银霞.单晶硅片超精密磨削加工表面层损伤的研究：(博士论文)[C].大连：大连理工大学，2006.

[2] Michael Quirk，Julian Serda著，韩郑生等译.半导体制造技术[M].北京：电子工业出版社，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.无铅倒装焊封器件的热-机械失效分析[C].桂林：桂林电子科技大学研究生学位论文，2005.