利用俄歇电子能谱仪研究Al焊垫表面的F腐蚀

　　0　引言

　　在半导体芯片中, Al焊垫是内部电路与外部应用电路相联系的中介,其质量关系着半导体产品的良率和可靠性,因此焊垫上的污染以及残留物是半导体制造工艺中需要严格控制的工艺环节之一。在半导体芯片制造中, CF4或者CHF3常被用作Al焊垫的刻蚀气体,使得Al焊垫表面或多或少地会有一定F化合物的残留。刻蚀后经过后期化学清洗等处理,一般情况下, Al焊垫表面F化合物的残留可被控制在不影响Al焊垫性能的范围内,其相对含量较低,且只存在于焊垫表面的几个原子层范围内。但是在特定的条件下,例如潮湿的环境或者含F有机包装材料的影响下[1], Al焊垫表面会发生各种形式的腐蚀,造成其表面形貌的变化或表面氧化层厚度的变化,直接影响到其性能,造成芯片的失效。国内外很多学者都曾经对焊垫表面的腐蚀进行了相应的研究,将大多数失效Al焊垫表面腐蚀的基本原因归因于Al表面的F污染[2-5]。

　　俄歇电子能谱仪是建立在电子技术、弱信号检测技术和超高真空技术基础上的一种研究表面的新型测试仪器,根据电子束激发出来俄歇电子能量和数量确定材料的元素种类和含量。在半导体芯片失效分析中,俄歇电子能谱仪由于具有表面灵敏度(0·4~50 nm)高等特点而被用于Al焊垫表面沾污和腐蚀的研究[6]。本文针对两种Al焊垫表面发生的腐蚀现象,结合其他失效分析技术,研究了俄歇电子能谱仪在Al焊垫表面F腐蚀中的应用。

　　1　实验

　　本文针对Al焊垫表面出现的两种腐蚀情况,利用俄歇电子能谱仪来分析这些腐蚀缺陷的元素组成和纵向分布情况,并以此为依据来推断可能的腐蚀机制。实验所用的俄歇电子能谱仪为热电公司的Microlab 350场发射俄歇电子能谱仪,该仪器配备有一离子枪,可以对样品进行纵深分析。本实验中所用电子加速电压为5 kV,为了获得更多的俄歇电子信号,分析过程中,样品台的倾斜角度为60°;对样品进行纵深分析时所用离子枪电压为3 kV,刻蚀电流约为120 nA,所用气体为Ar (纯度99·9%)。

　　2　结果和讨论

　　图1所示是本文分析的两种Al焊垫表面腐蚀缺陷的光学显微镜图片和与其对应的扫描电子显微镜图片。由图可见,这两种腐蚀缺陷大小形状分布各异,图(a)和(b)中所示的腐蚀缺陷单个的直径虽然较小,但却是大面积的分散在Al焊垫的表面靠近四周的位置,该腐蚀缺陷呈现立体状,有较为明显的轮廓,称其为“立体状”腐蚀缺陷。图1(c)和(d)中所示的腐蚀缺陷直径约为4μm,平铺在Al焊垫上,因其形状似叶状,称其为“叶状”腐蚀缺陷。

　　为了了解这些腐蚀缺陷的表面成分、主要元素的纵向分布和形成机制,用俄歇电子能谱仪分别对这些腐蚀缺陷及其所在的焊垫进行了表面和纵深分析。文中所提正常焊垫指的是同一芯片上未出现腐蚀缺陷的焊垫,焊垫上的正常区域也即是同一焊垫上未被腐蚀缺陷所覆盖的区域。