等离子清洗对芯片钝化膜及电性能的影响

 

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张现顺 黄广号 杨春燕 袁海 邵领会 庞宝忠 杨宇军 郝沄

（西安微电子技术研究所）

 

 

 

1 试验材料及工艺

 

采用AP-1000型等离子清洗机对不同芯片进行等离子清洗试验，验证等离子过程对芯片钝化膜形貌和电性能影响。等离子清洗中主要的工艺参数为：功率、时间、气氛和清洗次数。

 

1.1 钝化膜形貌影响试验

 

试验设定清洗工艺为功率500W、时间400s和纯Ar气氛（标准状况下流量为350mL/min），选取CC4069RH芯片为研究对象，通过扫描电镜（SEM）观察芯片表层钝化膜的形貌状态，研究等离子清洗过程中芯片的物理损伤，并对芯片损伤层的位置及深度进行分析。

 

1.2 电性能影响试验

 

设定等离子清洗气氛为纯Ar（标准状况下流量为350mL/min），通过调整功率和时间变量，研究了等离子清洗工艺对78L12芯片电性能的影响。对清洗后的78L12芯片进行150℃、4h退火和125℃、168h老炼，并测试其电性能的变化。

 

2 试验结果及分析

 

2.1 等离子清洗对钝化膜形貌的影响规律

 

2.1.1 CC4069RH芯片聚酰亚胺膜起皱现象

 

在设定的等离子清洗工艺参数下，经过连续两次等离子清洗后，CC4069RH芯片表面出现了“圈状”痕迹，如图1所示。CC4069RH芯片的钝化膜层材料为聚酰亚胺，相对于其他的钝化膜材料（如氮化硅、氧化硅等）而言，有着质软、易变形等特点。在等离子清洗过程中，等离子体中的Ar+离子会加速轰击阴极基板上的电路组件和芯片，在此过程中，芯片表面的聚酰亚胺钝化膜发生了物理性起皱收缩，且起皱收缩痕迹均为弧形。

 

利用SEM局部放大圈状起皱部位，如图2所示。圈状起皱的弧线位置呈现略微凸起，且凸出弧线的宽度约1μm。但是，整个聚酰亚胺钝化膜完整连续，没有出现裂纹。

 

2.1.2 钝化膜损伤位置

 

将电路内部表面存在圈状物的芯片取下，利用加氧等离子刻蚀的方法去除芯片表面的有机聚酰亚胺钝化膜。刻蚀前后光镜下芯片的形貌如图3所示，扫描电镜下的形貌如图4所示。钝化膜去除后圈状物消失，且下层的铝条和硅基体上没有弧形的痕迹，因此，等离子清洗对芯片损伤位置仅位于钝化膜上，钝化膜下层的铝条和硅基体没有损伤。

 

2.1.3 等离子清洗对不同钝化膜材料的影响

 

选取不同钝化膜材料的芯片进行等离子清洗试验，研究膜层材料对等离子清洗过程的响应情况。试验中选取不同种类的氮化硅和聚酰亚胺钝化膜的芯片各10只，经过多次等离子清洗后，放大200倍观察芯片表面的状态，结果见表1。

 

在相同的等离子清洗工艺参数下，氮化硅钝化的54HC273和RM4136两种芯片在多次等离子清洗后，表面未出现钝化膜起皱现象，而聚酰亚胺钝化的芯片对等离子清洗过程的响应情况差别较大。

 

2.1.4 小结

 

聚酰亚胺钝化膜的芯片在经过等离子清洗后可能会出现钝化膜局部略微凸起的圈状起皱现象，不同钝化膜材料对等离子清洗响应的差异较大。起皱芯片的整个聚酰亚胺钝化膜为完整连续的，起皱部位没有出现裂纹，且下层的铝条和硅基体没有损伤。

 

2.2 等离子清洗对78L12芯片电性能的影响规律

 

2.2.1 常规等离子清洗工艺下78L12芯片的响应规律

 

混合集成电路生产中常规的等离子清洗工艺参数为：功率500W，时间400s，纯Ar气氛（标准状况下流量为350mL/min）。使用AP-1000型等离子清洗机在上述工艺参数下对5只78L12芯片进行等离子清洗，并对等离子清洗前后78L12芯片的输出电压进行测试，结果见表2。

 

在常规工艺参数下等离子清洗78L12芯片，该芯片在常温和加热条件下（85℃）输出电压均会有0.1V左右的上升，甚至更高。等离子清洗后78L12芯片的输出电压异常，不满足指标要求。因此，等离子清洗工艺过程影响了78L12芯片的电性能，使该芯片不能正常、稳定的工作。

 

2.2.2 不同等离子清洗工艺下78L12芯片的响应规律

 

2.2.2.1 等离子清洗功率对78L12芯片的影响

 

控制等离子清洗过程中的时间（400s）和气氛不变，通过改变等离子清洗功率，研究等离子清洗功率对78L12芯片的影响规律。等离子清洗功率为100W、200W、300W、400W、500W时，78L12芯片的常温和加热条件下（85℃）输出电压的变化如图5所示。

 

在等离子清洗时间和气氛不变的前提下，随着清洗功率的增加，等离子清洗前后78L12芯片在常温和加热条件下输出电压变化量均呈近似线性增加的趋势。

 

2.2.2.2 等离子清洗时间对78L12芯片的影响

 

控制等离子清洗过程中的功率（500W）和气氛不变，通过改变等离子清洗时间，研究等离子清洗时间对78L12芯片的影响规律。等离子清洗时间为100s、200s、300s、400s、500s时，78L12芯片的常温和加热条件下（85℃）输出电压的变化如图6所示。

 

在等离子清洗功率和气氛不变的前提下，随着清洗时间的增加，等离子清洗前后78L12芯片的常温和加热条件下输出电压变化量不断增加，并趋于稳定。

 

2.2.3 退火工艺对78L12芯片电性能的影响

 

将常规工艺等离子清洗后78L12芯片置于150℃的空气环境中存储4h，随后测试其输出电压，结果见表3。

 

等离子清洗后的78L12芯片置于150℃的空气中退火4h后，芯片的输出电压明显回落。加热条件下储存环境加速了芯片材料内部原子的运动速度和振动频率，促使原子向平衡状态的转变，表现为78L12芯片输出电压的回落。这也说明等离子清洗中78L12芯片电压的升高是一个可逆的过程，芯片内部并未发生击穿性损伤。

 

2.2.4 加电老炼对78L12芯片电性能的影响

 

将退火后的78L12芯片在125℃下老炼168h后，测量芯片的输出电压，见表4。78L12芯片经过功率老炼考核之后，输出电压值稳定。相比于等离子清洗之前测定的初始电压，老炼后的输出电压略有下降，这是等离子清洗后芯片退火不彻底，在125℃、168h的加热条件下诱导下退火过程持续进行，输出电压进一步下降。

 

2.2.5 小结

 

78L12芯片的输出电压随着等离子清洗功率和时间的增加均逐渐增大。在加热条件下退火及加电老炼的过程中，该芯片的电性能逐渐恢复，其长期可靠性不受影响。

 

3 结论

 

本文通过试验研究，验证了键合前等离子清洗工艺过程对芯片钝化膜形貌和电性能的影响。结果表明：

 

1）部分聚酰亚胺膜芯片在键合前等离子清洗过程中会出现钝化膜局部略微凸起、呈现圈状起皱的物理现象，但是钝化膜为完整连续的，没有出现裂纹。随着等离子清洗次数的增加，起皱问题会更加严重。氮化硅膜芯片在多次等离子清洗后未出现钝化膜起皱的现象。因此，对于聚酰亚胺膜的芯片，需控制等离子清洗的次数，即进行一次等离子清洗。而氮化硅钝化膜的芯片可以进行多次等离子清洗，无圈状起皱的风险。

 

2）在等离子清洗对芯片电性能影响的研究中发现，随着等离子清洗功率和时间的增加，78L12芯片的输出电压均呈增加的趋势。在等离子清洗过程中造成芯片的输出电压的变化是一个可逆的过程，在退火及加电老炼等过程中，输出电压逐渐回落，恢复平衡。因此，等离子清洗过程未对芯片造成不可恢复的电性能损伤，芯片的长期可靠性得以保证。