铜互连结构热应力分析及介电材料选择优化

基于Ansys有限元软件,采用三级子模型技术对多层铜互连结构芯片进行了三维建模.研究了 10层铜互连结构总体互连线介电材料的弹性模量和热膨胀系数对铜互连结构热应力的影响,在此基础上对总体互连线介电材料的选择进行优化.结果表明,总体互连线介电材料的热膨胀系数对铜互连结构的热应力影响较小,而弹性模量对其影响较大;各层介电材...     

界面粗糙度对硅通孔结构界面分层的影响

硅通孔(TSV)结构是三维互连封装的核心,针对其热可靠性问题,基于ANSYS有限元分析软件分别构建光滑和粗糙两种界面形貌的TSV结构分析模型,模拟计算了两种界面下TSV结构的热应力和界面分层裂纹尖端能量释放率,通过对比分析研究了界面粗糙度对TSV结构界面分层的影响。结果表明,温度载荷下粗糙界面上热应力呈现出明显的周期性非连续应力极值分布,且极值点位于粗糙界面尖端点。界面分层裂纹尖端能量释放率也呈周期性振荡变化。降温下,粗糙界面尖端点附近能量释放率明显大于光滑界面稳态能量释放率;升温下,粗糙界面能量释放率总体上呈现出先增大后减小的变化趋势。     

T字型硅通孔不同位置界面裂纹扩展研究

硅通孔(TSV)技术是实现三维封装的关键技术.随着技术发展,TSV被设计成多种不同结构.以T字型TSV为研究对象,仿真分析了两种温度载荷下T字型TSV中产生的热应力及其分布情况.以此为基础,通过计算裂纹尖端能量释放率,研究了T字型TSV中3个不同位置的界面裂纹失效扩展.结果 表明,T字型TSV中钉头的存在改变了铜/硅/钉头三重连接处和硅材料顶部钉头外周边界条件,在这两处易产生应力集中现象.与完全填充TSV结构相同位置的垂直裂纹相比,T字型TSV中垂直裂纹能量释放率明显下降.另外,T字型TSV中水平向外开裂的界面裂纹扩展时裂纹尖端能量释放率最小,水平向里开裂的界面裂纹扩展时裂纹尖端能量释放率最大,更易发生失稳扩展.     

铜互连电迁移失效的研究与进展

Cu/低k互连的电迁移失效与互连材料、工艺、结构和测试条件都有着密切的联系。论述了近年来铜互连电迁移可靠性的研究进展,讨论了电迁移的基本原理、失效现象及其相关机制和微效应以及主导失效的机制——界面扩散等,同时探讨了改善铜互连电迁移性能的各种方法,主要有铜合金、增加金属覆盖层及等离子体表面处理等方法,并指出了Cu互连电迁移可靠性研究有待解决的问题。     

45 nm芯片铜互连结构低k介质层热应力分析

采用铜互连工艺的先进芯片在封装过程中,铜互连结构中比较脆弱的低介电常数(k)介质层,容易因受到较高的热机械应力而发生失效破坏,出现芯片封装交互作用(CPI)影响问题.采用有限元子模型的方法,整体模型中引入等效层简化微小结构,对45 nm工艺芯片进行三维热应力分析.用该方法研究了芯片在倒装回流焊过程中,聚酰亚胺(PI)开口、铜柱直径、焊料高度和Ni层厚度对芯片Cu/低κ互连结构低κ介质层应力的影响.分析结果显示,互连结构中间层中低κ介质受到的应力较大,易出现失效,与报道的实验结果一致;上述四个因素对芯片低κ介质中应力影响程度的排序为:焊料高度＞PI开口＞铜柱直径＞Ni层厚度.     

环氧/Cu界面混合分层断裂研究

高密度塑封器件不同材料间分层断裂常导致器件失效,且界面通常为正应力作用下的张开型(模式I)断裂和切应力作用下的滑开型(模式II)断裂的混合模式。环氧塑封料和Cu引线框架之间热失配较大,在热、力学载荷作用下,环氧/铜界面易发生界面分层断裂。设计了一种双相材料样品和一种可以对样品施加不同角度拉力的装置,用于测试环氧/铜界面混合断裂参数。通过弹性断裂力学分析,基于实验结果可以得到界面断裂能量释放率和混合断裂相位角。该方法可以应用于电子封装中其他界面断裂参数的表征。     

垂直于双压电材料界面裂纹的反平面问题研究

研究了双压电材料中垂直于界面裂纹的反平面问题。在裂纹面为可通导的边界条件下,通过对控制方程进行傅里叶(Fourier)变换,并利用边界条件将问题转化为奇异积分方程进行求解,得到了裂纹面的位移函数、裂纹尖端的应力强度因子、电位移强度因子和裂纹尖端能量释放率的表达式。数值分析了双压电材料的材料属性对裂纹尖端能量释放率的影响。     

MEMS多层结构的热应力分析

温度载荷能够引起MEMS多层薄膜结构发生翘曲和分层等失效模式,而界面应力则是引起这些失效的直接原因。根据Suhir.E的双金属带热应力分布理论,对温度载荷作用下MEMS界面中的剪应力和剥离应力的分析表明,这两种应力随着与界面中心距离的增大呈指数增加,在界面端处达到最大值。界面应力与材料热膨胀系数和所加载温度呈线性相关,另外还与两材料层的厚度密切相关。以铜/铬组成的双层结构为例,利用Matlab数值仿真研究了界面应力与材料层厚度的关系,结果表明,界面应力与两材料层厚度比有关,当铜层和铬层厚度比为1.5时,层间剪应力和剥离应力均较小,可有效提高MEMS结构的可靠性,降低分层失效的概率。     

微电子塑封器件界面层裂失效及其数值预测方法研究

界面层裂失效已成为微电子封装和微系统的一个最主要的失效形式之一。本文分析了产生界面层裂失效的原因：一方面，塑封器件在制造和使用过程中受热应力的影响；另一方面，吸湿后产生湿应力与应变，在高温下承受蒸汽压力，若超过极限，就会发生爆米花现象，导致开裂失效。然后介绍了几种界面层裂失效的数值预测方法：J积分法修正的J积分法、虚拟裂纹闭合法及面积能量释放率法等。     

纳米尺度界面分层破坏行为的实验研究与分析

为系统研究纳米尺度材料中的界面分层破坏行为,基于悬臂梁弯曲法,利用聚焦离子束技术,从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中制备出了不同类型的(直、扭转)纳米悬臂梁试样,用以开展相应的实验研究。之后,在透射电子显微镜中分别对直纳米悬臂梁和扭转纳米悬臂梁试样进行原位加载实验。在直纳米悬臂梁试样中,Cu/Si界面受到由弯矩导致的拉应力而发生分层破坏;在扭转纳米悬臂梁试样中,通过改变加载点的位置调整界面上正应力与剪应力的比值,开展了不同复合型的界面裂纹启裂实验。利用有限元法分析了临界载荷作用下Cu/Si界面上的应力场,发现所有试样的应力集中区域均在距界面端部100 nm的范围内。在直纳米悬臂梁试样中,法向应力控制着Cu/Si界面端部的裂纹启裂行为,为单一型分层破坏;在扭转纳米悬臂梁试样中,界面裂纹启裂时的临界正应力与剪应力之间存在着一个圆形准则。     

28nm集成电路铜互连弱碱性阻挡层抛光液性能北大核心

报道了一种用于技术节点为28 nm的集成电路多层铜互连阻挡层化学机械平坦化(CMP)的弱碱性抛光液(pH值为8.5),仅由平均粒径为20 nm的硅溶胶、FA/O多羟多胺螯合剂及非离子表面活性剂组成。实验结果表明,研发的弱碱性阻挡层抛光液对牺牲层SiO2、阻挡层Ta及金属互连线Cu等多种材料具有优异的速率选择性,去除速率一致性大于95%,并在28 nm多层铜布线片阻挡层CMP后具有较高的平坦化性能,分别获得了20 nm以下深度的碟形坑和蚀坑。通过电化学极化曲线测试表明,此弱碱性阻挡层抛光液能有效减少Cu和Ta之间的腐蚀电位差,并避免了铜互连结构Cu和Ta界面处电偶腐蚀的产生,这对提高集成电路芯片可靠性具有重要意义。     

ULSI中Cu互连线的显微结构及可靠性

观察了ULSI中大马士革结构的Cu互连线的晶粒生长和晶体学取向.分析了线宽及退火对Cu互连线显微结构及电徙动的影响.Cu互连线的晶粒尺寸随着线宽的变窄而减小.与平坦Cu膜相比,Cu互连线形成微小的晶粒和较弱的 (111) 织构.300℃、30min退火促使Cu互连线的晶粒长大、(111) 织构发展,从而提高了Cu互连线抗电徙动的能力.结果表明,Cu的扩散涉及晶界扩散与界面扩散,而对于较窄线宽的Cu互连线,界面扩散成为Cu互连线电徙动失效的主要扩散途径.     

名词术语释义

——铜互连铜互连是指以Cu作为金属互连材料的一系列半导体制造工艺,以此克服传统工艺中采用A l作为金属互连材料在芯片尺寸越来越小时产生的信号延时增大的问题。在90nm及其以下的技术节点上,主要信号延时将来自互连电路部分。因此,选用电阻率比较小的金属互连材料和选用介电常数比较小的介电材料是降低信号延时、提高时钟频率的两个主要方向。Cu的电阻率为1.7μΩ·cm,A l的电阻率为2.8μΩ·cm,所以C u更为优越;采用C u线可以降低互连层的厚度,减少电容;C u的电子迁移失效时间比A l大1～2个数量级,可以在更小的互连层厚度上通过更高…     

基于Weibull分布2.5D封装热疲劳可靠性评估

针对2.5D立体封装中热膨胀系数及结构尺寸均存在较大差异、极易在热应力作用下产生热疲劳失效的可靠性问题,开展多芯片硅基集成封装互连界面温度循环加速试验,并基于Weibull分布对2.5D封装互连界面热适配性能进行评估分析,实现了2.5D封装可靠性指标的评估和失效率鉴定方案的制定.     

FA刻蚀设备

Plasma Accelerator干法刻蚀设备主要用于先进芯片的失效分析。它具有更高的刻蚀速度、高质量的复制率、直观的操作和低损伤，可以支持全范围的干法刻蚀失效分析流程。该工具可以去除钝化层和金属间/层间介电材料，可以保证获得清洁、平滑的刻蚀平面，而不产生金属分层或腐蚀现象。     

SiC基IGBT高铅焊料芯片固晶层的热冲击失效机理

目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料，探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。结果表明，温度冲击会促进焊料与SiC芯片背面的Ti/Ni Ag镀层反应生成的块状Ag₃Sn从芯片/焊料层界面往焊料基体内部扩散，而焊料与Cu界面反应生成的扇贝状Cu₃Sn后形成的富Pb层阻止了Cu和Sn的扩散反应，Cu₃Sn没有继续生长。750次温度冲击后，焊料中的Ag与Sn发生反应生成Ag₃Sn网络导致焊点偏析，性质由韧变脆，焊点剪切强度从29.45 MPa降低到22.51 MPa。温度冲击模拟结果表明，芯片/焊料界面边角处集中的塑性应变能和不规则块状Ag₃Sn导致此处易开裂。     

关于PBGA中“爆玉米花”现象的分析

本文运用断裂力学法分析塑料焊球阵列封装(PBCA)的爆玉米花现象,专门对封装粘片中发生的裂纹,粘片中的裂纹增大以及焊料掩模和铜之间界面处裂纹增大进行研讨,通过两种方法(裂纹尖端开度位移法和有效裂纹闭合技术)确定裂纹尖端参数,诸如应变能释放率,应力强度系数及不同裂纹长度的相角。     

低成本倒装片组装的断裂力学分析

本文论述了不同厚度的印制电路板上不完全下填充倒装芯片的焊点可靠性，着重强调了对不同裂纹（剥离）长度焊点角上与温度相关的应力和塑料应变能的确定，陈述了采用断裂力学法求得在下填充物和焊料掩膜之间界面处裂纹尖端的应变能释放率和相角。     

芯片叠层封装的失效分析和热应力模拟

通过高温高湿加速实验对双芯片叠层封装器件的失效进行了研究,观察到存在塑封料与上层芯片、BT基板与塑封料或贴片胶的界面分层和下层芯片裂纹等失效模式．结合有限元分析对器件内热应力分布进行了计算模拟,分析了芯片裂纹的失效机理,并从材料性能和器件结构角度讨论了改善叠层封装器件可靠性的方法．     

芯片叠层封装的失效分析和热应力模拟

通过高温高湿加速实验对双芯片叠层封装器件的失效进行了研究,观察到存在塑封料与上层芯片、BT基板与塑封料或贴片胶的界面分层和下层芯片裂纹等失效模式.结合有限元分析对器件内热应力分布进行了计算模拟,分析了芯片裂纹的失效机理,并从材料性能和器件结构角度讨论了改善叠层封装器件可靠性的方法.