异构集成模块金属互连失效的分析与研究

作     者：宋明宣 

作者单位：中国电子科技集团公司电子科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：林罡

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：异构集成 晶圆键合 fan-in TSV 失效分析 

摘      要：异构集成技术是通过集成不同材料和工艺的器件,提高芯片整体的性能的一种高密度、高融合度的集成技术。异构集成器件能够在设计之初实现更好的性能参数、集成更多的模块功能,但是在失效分析、可靠性评价以及可靠性试验方面相比于传统的单芯片涉及到的因素更多,需要进一步的研究和探索。本文对异构集成芯片所涉及到的几种典型工艺以及其所产生的失效现象进行了分析和研究,通过可靠性试验设计以及失效分析工具对故障机理展开分析。首先是晶圆键合界面的有机物污染现象,在对一款硅基三维集成芯片的失效分析实践中,对失效件的预处理方法进行了分析和研究,总结出介质层剥离是测量芯片内部有源或无源器件的有效样品处理方法。对于三维异构集成模块密闭的封装结构,同样难以直接到观察、测试内部独立的芯片,难以对失效模块进行故障定位以及FIB剖切。通过试验发现金刚刀裂片、磨削制样等预处理方法能够有效降低三维集成模块的失效分析难度,提高分析效率。失效分析结果显示,双层布线中金属层间的有机物阻隔,以及在晶圆键合界面因有机污染而出现的空洞和裂缝,会造成金属互连系统异常进而导致整个模块的电性能异常,认识了金属互连系统的几种失效模式和机理。其次,通过对一款Fan-in封装芯片进行300℃、40h的高加速寿命试验,对试验样品的失效情况进行深入研究,找出了重布线结构设计中Au-Al接触界面发生互溶失效的可靠性薄弱点。设计了 Au-TiW-Al平面结构的模拟试验,对试验后出现的Au-Al互溶现象进行了聚焦离子束、电子能谱等相关分析,确定了失效机理是TiW阻挡层薄膜质量不佳导致的金属扩散。为了寻找到更优质的扩散阻挡层而设计了包括的Au-Mo-Al和Au-Ni-Pd-Al平面扩散阻挡层模拟试验,得出结果是Au-Ni-Pd-Al结构中的Ni可以阻挡Au、A1互溶,其能够应用于Fan-in封装中异质金属的接触界面。最后,研究了三维垂直互连中出现的TSV电阻异常偏大和TSV背面漏电两种失效现象,通过聚焦离子束剖切获得了通孔截面金属层的形貌。经过TSV通孔的工艺流程分析,得出TSV电阻异常偏大的原因是孔内金属Cu与粘附层不牢固导致的金属层间脱开。另外,TSV背面漏电的原因是在刻蚀介质层时晶圆发生翘曲,导致介质层通孔偏移了正确的位置,不能覆盖住Si衬底而使其与Cu柱绝缘。研究丰富了对于TSV电阻异常情况可能对应的失效机理的认知。