热应力相关MEMS微结构与全铜互连的可靠性研究

当器件结构尺寸降低到微米量级后，薄膜应力、热膨胀失配等引入的热应力不仅会造成与信号相匹敌的噪声，更重要的是在循环加载温度的环境下，应力的热效应还会产生结构性能的漂移和改变，也易造成微结构的断裂、分层、疲劳等机械失效。由此可见，热应力是影响MEMS微结构和微型互连可靠性的主要因素之一。对于MEMS微结构和全铜互连的热应力分析和研究不仅有助于提高产品的可靠性，而且对于设计具有指导意义。对热应力相关的问题的研究已成为MEMS等微结构和微型互连可靠性研究中重要的课题。<br> 本论文基于对MEMS微结构和全铜互连的热应力调查，提炼出与热应力相关的温度不稳定等可靠性问题，结合薄膜应力理论、热膨胀理论，热弹性和热塑性以及疲劳寿命等理论、三维建模与数值分析以及三维形貌测试、电学测试和剪切试验、拉曼测试等技术，对于MEMS微结构的温度漂移失效进行了失效分析、对高密度互连结构潜在断裂失效进行了失效评估和，并对其潜在的疲劳进行了寿命估计。<br> 结合理论分析、有限元建模与三维形貌测试、拉曼光谱测试等技术，对MEMS系统及微结构的温度漂移失效分析，首次发现MEMS系统的温度漂移和MEMS微结构的温度稳定性直接相关并保持了线性一致，而微结构的温度漂移是由热应力的温度效应造成的。其中首次对硅一玻璃键合以及硅-铝薄膜结构的温度效应进行建模和数值分析，发现形变和应力结果与实验结果吻合。说明硅-玻璃高温键合产生的热应力是微结构温度漂移的主要因素；热应力的温度效应造成活动结构的移动是结构和系统温度漂移的最关键因素；而薄膜由于尺度和结构相比过于薄而对于系统和结构温度漂移的影响不大，但是对于零点性能起调节作用。总之，热应力是造成MEMS微系统和微结构温度漂移失效的最主要原因。<br> 本论文结合国际上对于倒装焊互连通用的可靠性估计和评价方式--有限元数值分析将最新的三维全场GPD模型的精度优化到与三维全场通用模型精度相同的水平。将GPD模型进一步简化，建立了半GPD全场模型，大大降低了计算资源的消耗并保持了高精度。利用最简的半GPD全场三维模型首次对高密度高深宽比的全铜互连结构进行可靠性评估，提出了增加铜基板、增加单侧有机材料支柱和PBO缓冲层等微电子工艺兼容的新型结构，并最终获得将芯片内最大热应力降低到了与当前商用的焊球倒装焊技术的最大热应力相当水平甚至更低的60MPa以内的方案。通过有限元数值分析，首次评估了高密度全铜互连承受热应力最大铜柱的疲劳寿命为74989次热循环，说明高密度全铜互连结构可以避免疲劳失效。总之，通过有限元数值分析和结构、材料的优化，实现了对高密度全铜互连的可靠性设计，认为高密度、高深宽比、低成本工艺的全铜互连具备工业应用潜力。