在21世纪,半导体器件发展日新月异。随着器件的集成度越来越高,要求器件的特征尺寸也在迅速减小,这对于器件内部互连线的材料提出了很高要求。由于铜具有优良的导电、导热性能,目前已经成为互连线的重要材料,广泛应用于大规模集成电路芯片、微电子封装、微型机电系统、太阳能电池等设备中。虽然铜具备以上诸多优点,然而铜具有很高的亲氧性,在放置、封装加热等过程中,表面极易发生氧化,氧化的互连导线电阻会急剧升高,造成器件性能不稳甚至发生损坏;而氧化膜过厚会降低引线框架与封装树脂之间的结合强度,从而导致封装体发生开裂、分层现象。因此研究和解决铜层的氧化失效问题对于提高器件可靠性有至关重要的作用。本文主要研究基衬底对电沉积铜互连层可靠性能的影响,因为基衬底对电沉积铜层的形貌及结构有重大影响,而这种影响直接关系到铜层的抗氧化性能。本实验以三种金属衬底为基体材料,用电沉积方法在其上形成铜互连层。分析并比较不同衬底上生长的铜互连层在形貌和结构上的差异,研究这些差异对于铜氧化后,氧化物的微观结构、氧化膜厚度以及氧化膜/树脂结合界面的结合强度的影响,并从氧化动力学的角度探讨铜氧化行为机理。研究结果表明,在C194合金衬底上和纯镍金属衬底为多晶型衬底,其上生长的铜层受到衬底形貌影响较大,镀层颗粒较大,排列不致密。镍磷合金衬底为非晶衬底,其上生长的铜层不受衬底外延生长作用的影响,在25oC、电流密度2A/dm~2的条件下呈现Cu(111)密排面生长取向,镀层平整致密。氧化后的产物中,可以明显观察到氧化物形貌受到之前镀层结构的影响。C194合金衬底上和镍衬底上的铜层氧化产物颗粒粗大,排列稀疏,而镍磷合金衬底上的铜层氧化产物颗粒较细,排列致密。通过X射线衍射分析(XRD)检测到氧化物主要成分为氧化铜和氧化亚铜,镍衬底上电沉积铜层中氧化物含量随着氧化温度升高迅速增加,而镍磷合金衬底上的电沉积铜层中氧化物含量随着氧化温度升高迅速不明显,证明前者的氧化反应速度较快,因而生成的氧化物较多。通过计时电流法可测得氧化膜厚度,实验结果表明氧化膜厚度与氧化膜/树脂界面的结合强度并不成正比。C194合金衬底上的铜氧化膜厚度比镍磷衬底上的铜氧化膜厚,但是结合强度较好。氧化动力学研究结果显示,两种类型衬底上铜氧化机理类似,其氧化物的生长均符合对数生长规律。氧气分子和铜离子通过缺陷进行快速离子交换,以晶界扩散的形式完成氧化反应。C194衬底上的铜氧化膜结构没有镍磷衬底上的铜氧化膜结构致密,所以氧化速度快。另一方面C194衬底上的铜氧化扩散激活能比镍磷衬底上的铜氧化扩散激活能小,这意味着C194衬底上的电沉积铜层进行氧化反应需要克服更少的能量,所以有更易发生氧化反应的倾向。