摘要:在半导体制造工艺中，Al焊盘表面的氧化膜会阻碍金丝键合。针对某公司新半导体工艺中出现键合失效问题的芯片，采用SEM，EDS和AES对切片前后的芯片进行了分析。结果发现，切片前后Al焊盘表面的元素成分基本一致，可以认为清洗工艺对金丝键合基本没有影响，它不是导致金丝键合失效的原因；通过AES对焊盘进行深度剖析，在深度接近Al焊盘高度的一半时，氧的含量仍然高达40%左右，如此高含量的氧已经足以将Al完全氧化，其所形成的氧化膜阻碍了金丝键合所必需的金属连接和扩散过程，从而导致键合质量差，甚至无法实现键合。

关键词:晶圆；Al焊盘；金丝键合；氧化膜

1．引言

在半导体制造工艺中，晶圆完成后，使用金刚石刀具将其切割成独立的芯片。在切割的同时，使用清水冲洗，既达到冷却的目的，更主要的是冲洗掉切割时产生的污染颗粒，清洁表面。接着在电子封装中使用Au/Al键合（即金丝键合）实现芯片和基板的电连接。键合方法采用超声压焊。超声压焊受到许多不同因素的影响，包括键合机参数设置、金丝质量、不同材料的性能等。从材料科学的观点来说，金丝键合是1种基于金丝和Al金属化直接微焊接工艺。Al焊盘表面生成的氧化膜会阻碍金丝和Al之间的结合。因此，超声压焊需要去除Al焊盘表面的氧化膜。

然而，键合之前的工艺步骤，例如等离子刻蚀，化学清洗残余的卤化物（F，Br，Cl等）或者不良的储藏条件都可能导致Al氧化膜厚度增加。由于Al₂O₃具有较高的强度和硬度，在键合中去除掉是比较困难的，从而导致可靠性降低，甚至无法实现键合。

某电子产品公司采用了新的半导体制作工艺制作晶圆，在切片时也采用了1种新的清洗工艺。但是在对芯片进行金丝键合时，发现金丝无法与Al焊盘结合；即使采用大电流超声焊接勉强焊上后，结合强度也非常低，很容易开裂，断线率竟然高达40%～70％，可靠性太差。

采用SEM和AES对该公司8英寸晶园的多个切片前后的芯片（Al焊盘尺寸为100 μm×70μm，金丝直径为25μm）进行了分析，找到了其难以键合的原因；并证明了新的清洗工艺并不会影响Al焊盘表面。

2．实验过程

使用扫描电子显微镜（SEM）观察了芯片外观及Al焊盘表面形貌，同时使用能谱（EDS）分析了其成分。接着使用俄歇电子能谱（AES）分析了Al焊盘表面成分，并进行了深度分析。AES的型号为PHI-660，采用Ar⁺离子束进行溅射，溅射速率大约为16 nm/min。

3．分析与讨论

（1）清洗工艺的影响

首先对切片后的芯片进行了分析。图1所示为芯片的部分区域，其中的几个方块就是Al焊盘，尺寸为100μm×70μm。上面的划痕为探针探测时留下的痕迹。

图1芯片外观图

在SEM下可以看到Al焊盘表面有很多的小颗粒和凸起，如图2所示。越靠近边缘四周颗粒越多。采用低电压，对颗粒进行EDS成分分析。结果发现这些颗粒基本成分是Al和O，个别含有少量的Ti和Si。接着对切片前的芯片也进行了成分分析，所得结果与前者相同。两者的具体成分如表1所示。

图2 Al焊盘表面的颗粒

表1切片前后Al焊盘表面成分

没有清洗和清洗之后芯片表面的成分基本一致，并没有太多的变化。因此可以认为清洗工艺对金丝键合基本没有影响，它不是导致金丝键合失效的原因。

（2）氧化膜的影响

金丝键合是1种基于金丝和Al金属化直接微焊接工艺，Al焊盘表面生成的氧化膜会阻碍金丝和Al之间的结合。因此，针对Al焊盘表面是否存在有影响金丝键合的氧化膜进行了分析。Al焊盘的尺寸很小，一般生成的氧化膜也很薄，采用AES对切片前的芯片的Al焊盘表面的元素含量进行了测量。图3中的白色矩形区域就是AES分析时的取样区。

在AES测量中，首先对Al焊盘表面进行预处理，即Ar⁺离子溅射0.2 min，深度大约为3.2nm，以便排除样品暴露在空气中时Al焊盘表面吸附的杂质对分析结果的影响。紧接着分析Al焊盘表面成分，主要元素为Al；O；Si和C，如图4所示。向下溅射80 nm后，得到的主要元素仍然是Al，O，Si和C。

接着又分别对芯片溅射了10 min，15 min，20 min，深度已经达到0.3μm。测量得到的主要元素以及原子百分比含量如表2所示。结果发现，Al焊盘中氧的含量非常高，即使到大约0.32μm的深度，氧的含量仍然高达35%以上。如此高含量的氧已经足以将Al完全氧化。

图3 AES取样区域

图4Al焊盘表面AES谱，离子溅射

表2 Al焊盘表面元素(at%)随深度变化

对另一个芯片上的Al焊盘进行了深度剖析（DepthProfile），溅射时间为30 min，深度达480nm，结果发现，焊盘内的主要元素仍为Al，O，Si和C，如图5所示。从图5中可以看出，氧的含量都是在40%左右波动，而且当溅射深度接近0.5μm（几乎为Al焊盘厚度的一半），氧的含量并没有减少的趋势。

对其它几个芯片的分析结果都大致相同。由此，基本上可以断定，Al焊盘内的氧含量过高，氧将Al焊盘表面的大部分Al氧化；由此生成的过厚的Al2O3氧化膜阻碍了键合所必需的金属连接和扩散过程，导致键合质量差，甚至无法实现金丝和Al焊盘的键合。在这种情况下，即使勉强键合上，其结合强度也很低，极易开裂，造成失效。

由于Al2O3具有较高的强度和硬度，在键合中去除掉是比较困难的，因此必须尽可能地避免或者减少氧化膜的产生。在芯片的制作、切片、清洗以及运输等过程中尽量减少与空气的接触，更要避免人为的接触，这些都会降低Al焊盘表面的氧化。

图5 Al焊盘表面AES深度剖析，离子溅射480 nm

4．结论

1)新的清洗工艺对金丝键合没有明显的影响。

2)高含量的氧使Al氧化后形成的氧化膜阻碍了金丝键合所必需的金属连接和扩散过程，从而导致键合质量差，甚至无法实现键合。

3)在芯片的制作、切片、清洗以及运输等过程中尽量减少与空气的接触，更要避免人为的接触，从而最大程度地降低Al焊盘表面的氧化。