钝化层质量问题分析研究

于姝莉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

对于半导体器件而言， 管芯表面覆盖的钝化层是器件的最终机械保护层，不仅可以起到电极之间的绝缘作用，还能减弱和稳定半导体材料的多种表面效应， 防止管芯受到尘埃、水汽、酸气或金属颗粒的沾污。钝化层的制备一般是在特定的工艺流程中采用CVD 工艺（Chemical Vapor Deposition， 化学气相沉积）生长SiO2或Si3N4到晶片上[1]，所以晶片的制造工艺条件和封装工艺技术对于钝化层的质量和绝缘能力都非常重要。因前期钝化工艺不良而引起后步封装测试问题的案例在实际生产中时有发生。

2 问题出现与初步排查

某产品在封装过程中，在完成合金粘片[2]以后，发现金属布线上方钝化层出现凸起现象，同时部分区域出现钝化层缺失，如图1 所示。在显微镜100 倍放大视野下观察，见到PAD 点周围的宽铝线附近存在异常凸起，呈不均匀分布且有着清晰的边界。个别凸起处可见钝化层已经缺失，裸露出下方的金属层。经核查镜检记录确证，该电路在合金粘片前的镜检时并未发现类似现象，初步断定该质量问题为合金、粘片过程所诱发。

该产品的钝化层为SiO2、Si3N4复合构造，由于Si3N4材料本身应力比较大，推测可能由于钝化加工过程出现某种异常导致了Si3N4层应力释放不完整，造成钝化层异常[3-4]。

图1 钝化层异常

对该批次产品进行逐一镜检，确认存在钝化层凸起、缺失现象的部位均在电路最外圈较宽的金属布线上，电路内部没有类似现象。抽取3 只失效现象较明显的电路进行失效分析。出现钝化层凸起问题的电路，在划片后目检时均未出现异样，真到合金粘片完成后才会出现钝化层凸起现象，且钝化层凸起处形貌完整，未出现边缘裂纹，失效现象不符合钝化层损伤失效。初步排除因钝化层质量问题导致的失效，问题原因应在钝化层下方。

3 失效分析

3.1 能谱测试

采用VEGA3 扫描电子显微镜对样品凸起和缺失区域分别进行能谱分析[5]。由图2 所示为电镜下的钝化层缺失处分析点。从图中可以明显看出，钝化缺失处边缘清晰、无裂纹现象[6]，SiO2和Si3N4分层清晰可见，两层钝化层均已缺失。

图2 钝化层缺失处SEM 分析区域

在进一步的分析中，选取如图2 所示的四个定位点，采用5keV 能量进行分析，分析具体结果如表1 所示。

表1 钝化缺损处分析结果

分析点“1”处为钝化缺失区域内的重度缺陷区，经分析与点“2”处的成分相近，均以铝金属为主，可以证明钝化层缺失区域内的钝化层成份已完全失去。分析点“3”、“4”两处为钝化层完整区域，5keV 能量下只能分析表层氮化硅成份。经测试，钝化层成分正常，无氧含量超标现象；表层氮化硅也没有观察到质量问题。

如图3 所示为钝化层凸起处分析点，此处在电镜图像中呈现不规则鼓起状，边缘平滑。在增加能量后，表面开始破损，出现图中的黑色条状区域，凸起区域逐渐塌缩至图中呈现的状态。为确认此类钝化凸起的形成原因，分别采用5keV、10keV 能量对凸起区域的氟、氯、氢含量进行分析。分析具体结果如表2 所示。

图3 钝化层凸起处SEM 分析区域

表2 钝化层凸起处SEM 分析结果

在5keV 能量下，以表层氮化硅为分析对象，测试结果表明其成份符合氮化硅比例要求。在10keV能量下，分析对象为钝化层下方的空间，得知其主要成份为金属铝。测试过程中并未在样品中发现大量水汽或腐蚀性气体成分。

3.2 原因分析

可能造成这一钝化层异常的原因包括：

a) 钝化层下存在腐蚀性气体，在接触水汽后，腐蚀了氧化层，形成孔洞；

b) 钝化层下聚集有水汽，经高温后，体积肿胀而鼓起；

c) 由于金属铝与钝化层的热膨胀系数不一致，从合金粘片的420℃下降至室温后，钝化层内集聚的热应力未能完全释放。

由图4 中可见，钝化层缺失处金属完整，没有变色、发乌，证明金属未经过腐蚀。经能谱分析确认，也未发现大量腐蚀性元素存在，加工过程正常，不存在质量问题。第一种原因可以排除。

图4 钝化层缺失处能谱分析区域

正常情况下，SiO2存在亲水性，场区内无金属布线处应聚集更多的水汽。钝化凸起处均在金属布线上，未靠近金属边缘，且能谱分析未发现过量的氢元素存在，排除加工过程或储存过程受潮问题。

合金粘片过程中，需要操作人员用手工擦动的方式完成芯片与管壳粘接，又对芯片施加了应力。过度的应力聚集很可能是产品表面出现异常现象的主因，不能排除。

3.3 失效现象复现

为最终确认应力来源，进行以下实验：在同一晶圆片上选取两个芯片分别进行300℃导电胶粘接工艺模拟和420℃加热模拟。

300℃导电胶粘片后芯片表面情况如图5 所示。实验完成后发现，经过300℃烘焙15min 的芯片未发生变化，而在420℃加热炉上放置20s 的芯片已经出现钝化凸起，现象与失效产品完全一致，失效复现成功，此次钝化层质量问题的起因被准确定位。

图5 300℃导电胶粘片后芯片表面

在导电胶粘接工艺中，产品有在烘箱内冷却降温的过程，令电路有足够的时间进行热应力释放[7]；而在合金粘片工艺中，粘片完成后，直接取下电路令其自然冷却，这样就导致了压力更加容易聚集[8]。该电路中的应力来源为热应力，也就是造成此次钝化层质量问题出现的原因。

4 结 束 语

以某产品出现的一起钝化层质量问题为案例展开实际分析，通过目检、镜检、能谱分析等手段提供数据支撑，结合实际工艺条件最终发现问题所在，经过实验使问题再次复现，确定了问题的起因，彻底解决了此次钝化层质量问题，对避免在未来生产中再次出现同类问题提供了保障，有力地提高了集成电路产品生产的可靠性。