第四章 結果與討論
4.2 無電鍍鈷磷合金阻障層與銲錫之界面反應
本實驗所採用之銲錫為接近共晶組成的錫鉛銲錫，由錫-鉛相圖（圖 4-12）
可知其共晶溫度約183°C，故本實驗所採用之 250°C 熱處理溫度下，應可得到錫 鉛之共晶結構，且界面的擴散行為乃在一液態情況下進行。根據前人研究結果顯 示，鈷跟銅都會與錫鉛中的錫反應產生介金屬化合物，故作為潤濕層的銅金屬會 先與錫鉛反應，而由銅-錫的相圖（圖 4-13）可知，銅與錫會產生Cu6Sn5及Cu3Sn 兩種介金屬化合物，依熱處理的溫度及時間來決定所出現的化合物為何。根據鈷 -銅（圖 4-14）以及鈷-錫（圖 4-15）的相圖，鈷與銅在 422°C下幾乎不互溶，因 此鈷可作為一良好之銅擴散阻障層，而鈷與錫則可能互溶產生一介穩相。本實驗 之試片結構為矽/氧化矽/鈦/銅/鈷/銅/銲錫，在 250°C、氮氣環境下，分別進行 0、
0.5、6、18、24 小時之熱處理，其SEM截面型貌如圖 4-16 至 4-20 所示。
圖 4-12. 錫-鉛二元合金相圖。
圖 4-13. 銅-錫二元合金相圖。
圖 4-14. 鈷-銅二元合金相圖。
圖 4-15. 鈷-錫二元合金相圖。
圖4-16 為尚未熱處理試片之截面，銲錫與下層無電鍍 UBM 層間並無介金屬
PbSn
Cu/Co/Cu
10 µm
圖 4-16. 熱處理前之試片界面形貌。PbSn IMCs Co/Cu
10 µm
圖 4-17. 經 0.5 小時熱處理之試片界面形貌。PbSn IMCs Co/Cu
10 µm
圖 4-18. 經 6 小時熱處理之試片界面形貌。IMCs PbSn
Co/Cu 10 µm
圖 4-19. 經 18 小時熱處理之試片界面形貌。
Co/Cu IMCs PbSn
10 µm
圖 4-20. 經 24 小時熱處理之試片界面形貌。圖4-21 至 4-25 為不同熱處理時間試片之元素線掃描分析，由基板的銅金屬 層往銲錫層方向進行掃描，每組試片皆取四點以上的位置分析，茲將其平均顯示 之結果討論如下。
圖 4-21 顯示，未經熱處理之試片其鈷、銅、錫鉛等分層明顯，並無互相擴 散情形。進行熱處理後，擴散情形同時產生，熱處理時間較短的0.5 小時試片（圖 4-22），潤濕層的銅金屬開始向銲錫層擴散，由線掃描分析圖可發現銅與錫的元 素訊號峰開始有重疊的趨勢，此表示交互擴散與介金屬化合物應已發生，但因熱 處理時間很短，各區域的介金屬化合物生成的速率不同，其厚度尚不均勻，故隨 著取樣區域不同，擴散的距離亦有所不同。由線掃描分析及鈷層厚度約為600 nm 去推算，熱處理0.5 小時試片所生成的介金屬化合物厚度約 1 至 2 µm 不等，與 前述的SEM 截面形貌所得結果相符。觀察圖 4-23 的熱處理時間 6 小時試片分析 可知，隨著熱處理時間的增加，潤濕層的銅金屬持續與錫鉛作用形成介金屬化合 物，故介金屬化合物厚度不會繼續增加，且原本於介金屬化合物內的銅亦往上擴
散至錫鉛內部，因此整個介金屬化合物的區域將不再侷限於界面處，且錫會開始 往下層的阻障層金屬擴散。而熱處理時間再拉長，表示錫往下層阻障層金屬擴散 的情形會越來越明顯，但根據本實驗元素線掃描分析結果顯示，錫雖然會與銅及 鈷相互擴散反應，不過當作為潤濕層的銅完全被消耗掉之後，錫元素最多只擴散 到鈷磷鍍層與銲錫的界面處或鈷磷鍍層的表面，圖4-25 熱處理至 24 小時的試片 線掃描分析中，可清楚看出錫元素的訊號峰到鈷磷鍍層前便開始下降，雖然鈷元 素與錫元素的訊號峰值有部分重疊處，但錫無法穿透鈷層的阻擋，因此，可證實 本實驗所沉積的無電鍍鈷磷鍍層可應用於UBM 層。之前的成分與結構分析結果 顯示初鍍之鈷層具有極高之磷含量，可推論其應為非晶質之結構，而以上錫無法 擴散通過無電鍍鈷層的實驗結果可做為此一推論之佐證。
0 2 4 6 8
Distance
P Co Cu Sn Pb
Cu/Co/Cu PbSn
CoCu
Cu PbSn
5 µm
圖 4-21. 熱處理前試片界面之EDX線掃描分析結果。
0 2 4 6 8 10 12 CoIMCs
Cu
-2 0 2 4 6 8 10 12 14
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Cu IMCs
PbSn
0 2 4 6 8 10 12 14
下層銅導線也能有良好的阻障效果，故證明無電鍍鈷磷合金能同時阻擋銲錫材料 及銅金屬層的擴散，可做為銅製程晶片之覆晶接合的阻障層材料。
圖4-26 為熱處理 24 小時後的試片，在無電鍍鈷磷合金層所作的點元素成分 分析，結果顯示鈷磷鍍層完全無錫、鉛等元素的訊號出現，表示鈷磷合金鍍層能 夠完全發揮其擴散阻障的功效，成功阻擋錫鉛擴散進入下層銅金屬導線，再度證 實了本實驗之無電鍍鈷磷合金擴散阻障層對對於阻擋錫鉛擴散之能力，亦與前述 結果相符，而此一擴散阻障之能力應為高磷含量的非晶質鈷層結構所致。
圖 4-26. 熱處理 24 小時試片之鈷磷鍍層成分分析。
第五章
物，當作為潤濕層的銅完全被消耗掉之後，錫最多只會擴散至鈷磷鍍層與 銲錫的界面處或鈷磷鍍層的表面，無法穿透鈷層的阻擋，250°C 熱處理 24 小時之試片，仍未在鈷磷鍍層發現錫的元素訊號，故證實無電鍍鈷磷鍍層 可做為擴散阻障層，而此一擴散阻障之能力應為高磷含量的非晶質鈷層結 構所致。另外，針對基板模擬導線用的銅金屬層與無電鍍鈷層間的反應，
可觀察到即使隨著熱處理時間的增加，銅的訊號與鈷的訊號始終維持一個 分層且無明顯的改變，訊號峰亦無完全重疊部分，表示本實驗所得之鈷層 除了能有效阻擋上層銲錫往下擴散之外，亦能阻絕下層的銅往上擴散，證 明無電鍍鈷磷合金能同時阻擋銲錫及銅的擴散，可同時做為銅製程晶片之 銅導線與銲錫覆晶接合的阻障層材料。
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