聶圓燕，郭晶磊，陳海峰

（中國電子科技集團公司第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出現(xiàn)的，和電路種類沒有特定的關系。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，設計了以下實驗。

實驗一：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該更明顯。

實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。

實驗三：去離子水清洗工藝。假設圓片在水中放置引起了電化學侵蝕，圓片在水中放置時間越長，反應產(chǎn)物應越明顯。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行SEM分析。

實驗結(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，電化學侵蝕越嚴重，侵蝕坑也越大。實驗過程中還發(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8 μm）

由以上實驗說明，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慣不一樣，這就解釋了圈狀物出現(xiàn)的隨機性。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腐蝕反應[4]引起的。

3 電化學腐蝕反應機理及理論模型[1-4]

電化學腐蝕也叫雙金屬腐蝕，即當兩種不同的金屬在水中或潮濕的環(huán)境下進行電接觸時，就會發(fā)生電化學腐蝕。由定義可以看出電化學反應發(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，只有當兩個條件都滿足，電化學腐蝕才會發(fā)生。當電化學反應對形成時，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-銅晶胞可能會導致電化學腐蝕反應的發(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，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，說明電化學腐蝕反應可能發(fā)生。

H2O和O2之間的反應如下：

PAD孔上的鋁-銅晶胞間發(fā)生電化學腐蝕反應時，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)生電化學反應的理論模型如下：

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

從以上理論模型中我們可以看出，發(fā)生電化學侵蝕后，鋁被侵蝕而形成氫氧化鋁Al(OH)3，當用去離子水對圓片進行沖水時，電化學侵蝕的反應產(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。電化學腐蝕反應的最初鋁-銅晶核和周圍的鋁是連在一起的，當電化學反應繼續(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。

由電化學腐蝕反應模型可得，要消除電化學腐蝕反應的發(fā)生可以從兩個方面入手。首先由化學反應式（4），可以通過采用二氧化碳（CO2）鼓泡的方法抑制電化學反應生成物的產(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備無法實現(xiàn)CO2自動鼓泡功能，只有通過采用嚴格控制操作的方式來消除電化學侵蝕。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腐蝕反應的發(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重。金屬后濕法清洗設備帶有二氧化碳（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侵蝕。在硬件條件無法滿足的情況下，也可以通過嚴格控制濕法操作解決去離子水清洗的電化學侵蝕問題。

［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.