芯片制造過程中的電化學(xué)侵蝕控制

聶圓燕，郭晶磊，陳海峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，無錫 214035）

1 引言

后端布線工藝鏡檢經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些雙金屬電路圓片的PAD孔（Bond pad，鍵合孔）上有圓圈狀的異常物（如圖1），且圈狀異常物只在PAD孔上有，金屬條上從未出現(xiàn)過。在線圓片跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)該圈狀物是在通孔腐蝕工藝后才出現(xiàn)的。另外還發(fā)現(xiàn)對于同一種電路，有些批次有圈狀異常有些沒有，說明該圈狀異常是隨機(jī)出現(xiàn)的，和電路種類沒有特定的關(guān)系。初步懷疑圈狀異物是因金屬被侵蝕而產(chǎn)生的侵蝕坑。由于侵蝕坑會影響鍵合孔的質(zhì)量，導(dǎo)致鍵合孔鍵合時粘附性不好等問題。因此在芯片制造過程中消除金屬侵蝕坑非常重要。為了消除侵蝕坑，首先要知道引起圈狀物異常的根本原因，從而找到徹底消除該問題的方法。

圖1 芯片PAD孔上圈狀物顯微鏡和SEM分析照片

2 實(shí)驗及結(jié)果分析

分析流程后端工序在金屬淀積工藝后，有三種工藝過程會對金屬表面造成侵蝕從而形成侵蝕斑：通孔腐蝕后的過腐蝕工藝、EKC清洗工藝以及去離子水清洗工藝[1]。為了找到引起PAD孔上圈狀異常的根本原因，設(shè)計了以下實(shí)驗。

實(shí)驗一：改變通孔腐蝕時過腐蝕工藝的時間。如果是過腐蝕工藝引起的侵蝕，增加過腐蝕工藝時間侵蝕應(yīng)該更明顯。

實(shí)驗表明通孔腐蝕過腐蝕工藝不會引起侵蝕。

表1 改變過腐蝕工藝時間

實(shí)驗二：EKC清洗工藝。取在線通孔報廢的圓片做EKC清洗，EKC清洗后鏡檢沒有發(fā)現(xiàn)圈狀物，說明EKC清洗工藝也不會引起侵蝕。

實(shí)驗三：去離子水清洗工藝。假設(shè)圓片在水中放置引起了電化學(xué)侵蝕，圓片在水中放置時間越長，反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)越明顯。取金屬淀積后的圓片快沖8次后在水中放置一段時間后再甩干，然后顯微鏡檢查看圈狀物情況并進(jìn)行SEM分析。

實(shí)驗結(jié)果說明金屬淀積后的圓片在去離子水中放置時會產(chǎn)生侵蝕坑，且圓片在水中放置時間越長，電化學(xué)侵蝕越嚴(yán)重，侵蝕坑也越大。實(shí)驗過程中還發(fā)現(xiàn)采用高溫淀積的鋁由于晶粒很大在水中長時間放置也不容易產(chǎn)生侵蝕。

圖3 水中放置30min后侵蝕坑SEM分析照片（最長跨度達(dá)8 μm）

由以上實(shí)驗說明，通孔腐蝕工藝后電路PAD孔上的侵蝕坑是由去離子水清洗工藝引起的。由于后端工藝設(shè)備中只有濕法清洗工藝是全手動操作的，不同操作人員的操作習(xí)慣不一樣，這就解釋了圈狀物出現(xiàn)的隨機(jī)性。研究資料表明去離子水清洗工藝時產(chǎn)生的金屬侵蝕坑是由電化學(xué)腐蝕反應(yīng)[4]引起的。

3 電化學(xué)腐蝕反應(yīng)機(jī)理及理論模型[1-4]

電化學(xué)腐蝕也叫雙金屬腐蝕，即當(dāng)兩種不同的金屬在水中或潮濕的環(huán)境下進(jìn)行電接觸時，就會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。由定義可以看出電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的兩個必要條件：第一，兩種不同的金屬即金屬間存在勢差；第二，存在勢差的兩種金屬有電接觸，即兩種金屬放置在電解液中，只有當(dāng)兩個條件都滿足，電化學(xué)腐蝕才會發(fā)生。當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)對形成時，一種金屬作為陽極被侵蝕得較快，另一種金屬作為陰極被侵蝕得較慢。

在芯片制造過程中，金屬鋁常被用來作為金屬互聯(lián)。而為減小電遷移效應(yīng)和控制金屬的晶粒，通常在鋁中加入銅，形成鋁-銅合金（本室用來作為互連的金屬為Al-1%Si-0.5%Cu）。然而在芯片加工過程中的去離子水清洗工藝時，PAD孔上的鋁-銅晶胞可能會導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。首先，由于鋁-銅之間存在勢差，滿足條件一；其次，去離子水本身不是電解液，但是由于水（H2O）和溶解在水中的氧氣（O2）之間會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有侵蝕性的氫氧離子（OH-），使去離子水變成弱的電解液（滿足條件二）。兩個條件都成立，說明電化學(xué)腐蝕反應(yīng)可能發(fā)生。

H2O和O2之間的反應(yīng)如下：

PAD孔上的鋁-銅晶胞間發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)時，鋁（Al）作為陽極被腐蝕得快而銅（Cu）作為陰極被腐蝕得慢。鋁-銅晶胞發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的理論模型如下：

在帶負(fù)電荷的鋁-銅晶核周圍的鋁離子將被侵蝕而產(chǎn)生氫氧化鋁，化學(xué)反應(yīng)式如下：

從以上理論模型中我們可以看出，發(fā)生電化學(xué)侵蝕后，鋁被侵蝕而形成氫氧化鋁Al(OH)3，當(dāng)用去離子水對圓片進(jìn)行沖水時，電化學(xué)侵蝕的反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鋁將被水沖走并在PAD孔上留下侵蝕斑。同時鋁合金中的銅將會聚集在侵蝕坑的中間形成鋁-銅晶核。電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的最初鋁-銅晶核和周圍的鋁是連在一起的，當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生時，鋁-銅晶核最終將和周圍的鋁完全隔離。去離子水清洗快沖時鋁-銅也有可能被水沖走。

由電化學(xué)腐蝕反應(yīng)模型可得，要消除電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生可以從兩個方面入手。首先由化學(xué)反應(yīng)式（4），可以通過采用二氧化碳（CO2）鼓泡的方法抑制電化學(xué)反應(yīng)生成物的產(chǎn)生[1]；其次，將圓片放置在干燥的環(huán)境中即脫離電解液放置。

很多芯片加工廠因金屬后濕法清洗設(shè)備帶有二氧化碳（CO2）自動鼓泡裝置，沒有出現(xiàn)過類似問題。由于本室金屬后清洗設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)CO2自動鼓泡功能，只有通過采用嚴(yán)格控制操作的方式來消除電化學(xué)侵蝕。即在金屬淀積后的濕法清洗操作時要求圓片沖水后立即甩干，通過減少圓片在水中的放置時間來控制電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。采取該措施8個月內(nèi)PAD孔上沒有再出現(xiàn)侵蝕斑，至此由于濕法清洗工藝造成的電化學(xué)腐蝕問題已得到徹底的解決。

4 結(jié)論

芯片PAD孔上的圈狀異常是由金屬淀積后去離子清洗工藝時的電化學(xué)腐蝕引起的侵蝕斑，金屬淀積后圓片在水中放置的時間越長侵蝕越嚴(yán)重。金屬后濕法清洗設(shè)備帶有二氧化碳（CO2）自動鼓泡裝置時，可以從硬件上徹底消除由去離子清洗工藝引起的電化學(xué)侵蝕。在硬件條件無法滿足的情況下，也可以通過嚴(yán)格控制濕法操作解決去離子水清洗的電化學(xué)侵蝕問題。

［1］ Hua Younan, E. C. Low, L. H. An,et al.Failure Analysis and Elimination of Galvanic Corrosion on Bondpads during Wafer Sawing[C]. The proceedings from the 26h International Symposiumfor Testing and Failure Analysis,Nov 12-16 2000,Meydenbauer Convention Center, Bellevue(Seattle), Washington,USA, 2000.369-372.

［2］Hua Younan. Studies on Elimination Solutions of Galvanic Corrosion on Microchip Al Bondpads in Wafer Fabrication and Assembly Processes[C]. The proceedings from the International Conference on Semiconductor Electronics 7-9 Dec, Kuala Lumpur, Malaysia ,2004.

［3］Hua Younan. A Study on Discolored Bondpads & Galvanic Corrosion[C]. The Proceedings from the 24th International Symposiumfor Testing andFailure Analysis, 15-19 Nov,Hyatt Regency, DFW-East Tower, Dallas, Texas, USA,1998, 269-272.

［4］Hua Younan. A Study on Al Bondpad Grain Boundaries and Galvanic Corrosion in Wafer Fabrication[C]. The proceedings from the International Conference on Semiconductor Electronics 7-9 Dec, Kuala Lumpur, Malaysia ,2004.