---

 

 

張現(xiàn)順 黃廣號 楊春燕 袁海 邵領(lǐng)會 龐寶忠 楊宇軍 郝沄

（西安微電子技術(shù)研究所）

 

 

 

1 試驗材料及工藝

 

采用AP-1000型等離子清洗機對不同芯片進行等離子清洗試驗，驗證等離子過程對芯片鈍化膜形貌和電性能影響。等離子清洗中主要的工藝參數(shù)為：功率、時間、氣氛和清洗次數(shù)。

 

1.1 鈍化膜形貌影響試驗

 

試驗設(shè)定清洗工藝為功率500W、時間400s和純Ar氣氛（標(biāo)準(zhǔn)狀況下流量為350mL/min），選取CC4069RH芯片為研究對象，通過掃描電鏡（SEM）觀察芯片表層鈍化膜的形貌狀態(tài)，研究等離子清洗過程中芯片的物理損傷，并對芯片損傷層的位置及深度進行分析。

 

1.2 電性能影響試驗

 

設(shè)定等離子清洗氣氛為純Ar（標(biāo)準(zhǔn)狀況下流量為350mL/min），通過調(diào)整功率和時間變量，研究了等離子清洗工藝對78L12芯片電性能的影響。對清洗后的78L12芯片進行150℃、4h退火和125℃、168h老煉，并測試其電性能的變化。

 

2 試驗結(jié)果及分析

 

2.1 等離子清洗對鈍化膜形貌的影響規(guī)律

 

2.1.1 CC4069RH芯片聚酰亞胺膜起皺現(xiàn)象

 

在設(shè)定的等離子清洗工藝參數(shù)下，經(jīng)過連續(xù)兩次等離子清洗后，CC4069RH芯片表面出現(xiàn)了“圈狀”痕跡，如圖1所示。CC4069RH芯片的鈍化膜層材料為聚酰亞胺，相對于其他的鈍化膜材料（如氮化硅、氧化硅等）而言，有著質(zhì)軟、易變形等特點。在等離子清洗過程中，等離子體中的Ar+離子會加速轟擊陰極基板上的電路組件和芯片，在此過程中，芯片表面的聚酰亞胺鈍化膜發(fā)生了物理性起皺收縮，且起皺收縮痕跡均為弧形。

 

利用SEM局部放大圈狀起皺部位，如圖2所示。圈狀起皺的弧線位置呈現(xiàn)略微凸起，且凸出弧線的寬度約1μm。但是，整個聚酰亞胺鈍化膜完整連續(xù)，沒有出現(xiàn)裂紋。

 

2.1.2 鈍化膜損傷位置

 

將電路內(nèi)部表面存在圈狀物的芯片取下，利用加氧等離子刻蝕的方法去除芯片表面的有機聚酰亞胺鈍化膜?？涛g前后光鏡下芯片的形貌如圖3所示，掃描電鏡下的形貌如圖4所示。鈍化膜去除后圈狀物消失，且下層的鋁條和硅基體上沒有弧形的痕跡，因此，等離子清洗對芯片損傷位置僅位于鈍化膜上，鈍化膜下層的鋁條和硅基體沒有損傷。

 

2.1.3 等離子清洗對不同鈍化膜材料的影響

 

選取不同鈍化膜材料的芯片進行等離子清洗試驗，研究膜層材料對等離子清洗過程的響應(yīng)情況。試驗中選取不同種類的氮化硅和聚酰亞胺鈍化膜的芯片各10只，經(jīng)過多次等離子清洗后，放大200倍觀察芯片表面的狀態(tài)，結(jié)果見表1。

 

在相同的等離子清洗工藝參數(shù)下，氮化硅鈍化的54HC273和RM4136兩種芯片在多次等離子清洗后，表面未出現(xiàn)鈍化膜起皺現(xiàn)象，而聚酰亞胺鈍化的芯片對等離子清洗過程的響應(yīng)情況差別較大。

 

2.1.4 小結(jié)

 

聚酰亞胺鈍化膜的芯片在經(jīng)過等離子清洗后可能會出現(xiàn)鈍化膜局部略微凸起的圈狀起皺現(xiàn)象，不同鈍化膜材料對等離子清洗響應(yīng)的差異較大。起皺芯片的整個聚酰亞胺鈍化膜為完整連續(xù)的，起皺部位沒有出現(xiàn)裂紋，且下層的鋁條和硅基體沒有損傷。

 

2.2 等離子清洗對78L12芯片電性能的影響規(guī)律

 

2.2.1 常規(guī)等離子清洗工藝下78L12芯片的響應(yīng)規(guī)律

 

混合集成電路生產(chǎn)中常規(guī)的等離子清洗工藝參數(shù)為：功率500W，時間400s，純Ar氣氛（標(biāo)準(zhǔn)狀況下流量為350mL/min）。使用AP-1000型等離子清洗機在上述工藝參數(shù)下對5只78L12芯片進行等離子清洗，并對等離子清洗前后78L12芯片的輸出電壓進行測試，結(jié)果見表2。

 

在常規(guī)工藝參數(shù)下等離子清洗78L12芯片，該芯片在常溫和加熱條件下（85℃）輸出電壓均會有0.1V左右的上升，甚至更高。等離子清洗后78L12芯片的輸出電壓異常，不滿足指標(biāo)要求。因此，等離子清洗工藝過程影響了78L12芯片的電性能，使該芯片不能正常、穩(wěn)定的工作。

 

2.2.2 不同等離子清洗工藝下78L12芯片的響應(yīng)規(guī)律

 

2.2.2.1 等離子清洗功率對78L12芯片的影響

 

控制等離子清洗過程中的時間（400s）和氣氛不變，通過改變等離子清洗功率，研究等離子清洗功率對78L12芯片的影響規(guī)律。等離子清洗功率為100W、200W、300W、400W、500W時，78L12芯片的常溫和加熱條件下（85℃）輸出電壓的變化如圖5所示。

 

在等離子清洗時間和氣氛不變的前提下，隨著清洗功率的增加，等離子清洗前后78L12芯片在常溫和加熱條件下輸出電壓變化量均呈近似線性增加的趨勢。

 

2.2.2.2 等離子清洗時間對78L12芯片的影響

 

控制等離子清洗過程中的功率（500W）和氣氛不變，通過改變等離子清洗時間，研究等離子清洗時間對78L12芯片的影響規(guī)律。等離子清洗時間為100s、200s、300s、400s、500s時，78L12芯片的常溫和加熱條件下（85℃）輸出電壓的變化如圖6所示。

 

在等離子清洗功率和氣氛不變的前提下，隨著清洗時間的增加，等離子清洗前后78L12芯片的常溫和加熱條件下輸出電壓變化量不斷增加，并趨于穩(wěn)定。

 

2.2.3 退火工藝對78L12芯片電性能的影響

 

將常規(guī)工藝等離子清洗后78L12芯片置于150℃的空氣環(huán)境中存儲4h，隨后測試其輸出電壓，結(jié)果見表3。

 

等離子清洗后的78L12芯片置于150℃的空氣中退火4h后，芯片的輸出電壓明顯回落。加熱條件下儲存環(huán)境加速了芯片材料內(nèi)部原子的運動速度和振動頻率，促使原子向平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為78L12芯片輸出電壓的回落。這也說明等離子清洗中78L12芯片電壓的升高是一個可逆的過程，芯片內(nèi)部并未發(fā)生擊穿性損傷。

 

2.2.4 加電老煉對78L12芯片電性能的影響

 

將退火后的78L12芯片在125℃下老煉168h后，測量芯片的輸出電壓，見表4。78L12芯片經(jīng)過功率老煉考核之后，輸出電壓值穩(wěn)定。相比于等離子清洗之前測定的初始電壓，老煉后的輸出電壓略有下降，這是等離子清洗后芯片退火不徹底，在125℃、168h的加熱條件下誘導(dǎo)下退火過程持續(xù)進行，輸出電壓進一步下降。

 

2.2.5 小結(jié)

 

78L12芯片的輸出電壓隨著等離子清洗功率和時間的增加均逐漸增大。在加熱條件下退火及加電老煉的過程中，該芯片的電性能逐漸恢復(fù)，其長期可靠性不受影響。

 

3 結(jié)論

 

本文通過試驗研究，驗證了鍵合前等離子清洗工藝過程對芯片鈍化膜形貌和電性能的影響。結(jié)果表明：

 

1）部分聚酰亞胺膜芯片在鍵合前等離子清洗過程中會出現(xiàn)鈍化膜局部略微凸起、呈現(xiàn)圈狀起皺的物理現(xiàn)象，但是鈍化膜為完整連續(xù)的，沒有出現(xiàn)裂紋。隨著等離子清洗次數(shù)的增加，起皺問題會更加嚴(yán)重。氮化硅膜芯片在多次等離子清洗后未出現(xiàn)鈍化膜起皺的現(xiàn)象。因此，對于聚酰亞胺膜的芯片，需控制等離子清洗的次數(shù)，即進行一次等離子清洗。而氮化硅鈍化膜的芯片可以進行多次等離子清洗，無圈狀起皺的風(fēng)險。

 

2）在等離子清洗對芯片電性能影響的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著等離子清洗功率和時間的增加，78L12芯片的輸出電壓均呈增加的趨勢。在等離子清洗過程中造成芯片的輸出電壓的變化是一個可逆的過程，在退火及加電老煉等過程中，輸出電壓逐漸回落，恢復(fù)平衡。因此，等離子清洗過程未對芯片造成不可恢復(fù)的電性能損傷，芯片的長期可靠性得以保證。