Cu-Al intermetallic evolution and reliability in joints for integrated circuits: role of different wires and bond-pads composition

In the microelectronics industry, a key point when dealing with integrated circuits is represented by interconnections reliability. This thesis, carried out in STMicroelectronics, studies the degradation of Cu-Al intermetallic joints, the basis of “wire bonding” technology. During the wire bonding process, intermetallic compounds (IMCs) grow between wires and bond-pads. Their evolution in terms of thickness and composition characterizes the mechanical resistance of the joints. During reliability assessments, joints degradation is investigated through high temperature ageing (HTS). Joints behaviour is generally described by the “wire pull” and “ball shear” mechanical tests. In this work, mechanical tests have been integrated with a new electrical characterization method. This approach enabled the selection of the most significant samples to be analyzed in terms of morphology. Mechanical results and electrical data were correlated with morphological and stoichiometric IMCs evolution by electronic microscopy techniques. Different configurations in terms of bond-pads thickness and composition versus wire composition have been prepared to study the effect of these parameters on the growth of IMCs. In particular the tests have been performed on: 1 μm-thick AlSiCu bond-pad, 3 μm-thick AlCu bond-pad and 3 μm-thick Al bond-pad versus wires in Cu 4N SOFT, Cu 4N HARD (99.99% Cu) and Cu 2N (99% Cu) with a diameter of about 30 μm. When comparing two samples with the same bond-pad, an increase in the joints lifetime is observed when using Cu 2N wires instead of Cu 4N wires. The intermetallic compounds are thinner and richer in aluminum in the Cu 2N wires sample. This suggests a reduced tendency for the aluminum to diffuse in Cu 2N due to different phases development with respect to the ones established in Cu 4N wires samples.

L’affidabilità delle interconnessioni in un circuito integrato è un punto chiave nella microelettronica. Questo lavoro di tesi, svolto presso STMicroelectronics, ha come oggetto lo studio della fisica di degradazione dei giunti intermetallici Cu-Al, su cui si basa la tecnologia di “wire bonding” tra il chip ed il relativo package. Tra filo e bond-pad, durante il processo di wire bonding, si sviluppano dei composti intermetallici (IMCs), la cui evoluzione in termini di spessore e composizione caratterizza le proprietà di tenuta meccanica del giunto. In particolare, prove di invecchiamento ad alta temperatura (HTS) permettono di studiare la degradazione dei giunti in chiave affidabilistica. Il comportamento dei giunti è generalmente descritto da test meccanici di “wire pull” e “ball shear”; nell’ambito di questa tesi si è associata una caratterizzazione innovativa di tipo elettrico. Questo approccio ha permesso di selezionare i campioni più significativi da analizzare in termini di morfologia. La correlazione tra osservabili meccanici, elettrici, e l’evoluzione morfologica e stechiometrica degli IMCs è stata approfondita attraverso tecniche di microscopia elettronica. Diverse configurazioni, in termini di spessore e composizione dei bond-pad e di composizione del filo, sono state realizzate con l’obiettivo di comprendere l’effetto di questi parametri sulla dinamica di crescita dell’IMC. In particolare, sono stati selezionati bond-pad in AlSiCu (spessi 1μm), in AlCu (3μm) e in Al (3μm) e fili di circa 30 μm di diametro in Cu 4N SOFT, Cu 4N HARD (99.99% Cu) e Cu 2N (99% Cu). Incrociando i risultati delle diverse tecniche sperimentali e di analisi, è stato possibile evidenziare un aumento del tempo di vita dei giunti ad alte temperature derivante dall’utilizzo di fili di rame 2N rispetto ai 4N. A parità di bond-pad e di tempo di invecchiamento, il campione con il filo 2N ha un layer intermetallico meno spesso e più ricco in alluminio rispetto al campione con il filo 4N, indicando una ridotta capacità da parte dell’alluminio di diffondere nel rame 2N dovuta alla tipologia di fasi che si sviluppano per effetto della diffusione allo stato solido ad alta temperatura.