一种低成本的硅垂直互连技术合金刀

一种低成本的硅垂直互连技术

一种低成本的硅垂直互连技术 2011年12月12日 来源： 1 引言 近年来，随着三维叠层封装技术和MEMS封装技术的发展，硅垂直互连技术正在受到越来越多的重视 [1]。这一技术通过在硅片上制作出垂直电互连来实现芯片正面与背面或上下芯片之间的互连，从而缩短了互连线的长度并为芯片提供更为优异的电性能。其应用包括：台面MOS功率器件的倒装芯片封装[2]、垂直集成传感器阵列的制造 [3]、RF-MEMS器件的封装[4]、高性能硅基板的开发 [5]和芯片的三维叠层封装[6]。 制作硅垂直互连的基本步骤为：利用激光熔融[2]、深层等离子体刻蚀[3-4,6] 、光辅助电化学刻蚀[5]或KOH刻蚀[7] 等方法之一，在硅片上制作通孔；然后再利用溅射、电镀或化学镀等方式在通孔上沉积金属层，实现硅垂直电互连。 虽然采用KOH湿法刻蚀工艺制作的硅通孔孔径较大，纵深比较低；但对于具有低、中引出端数的三维封装和高性能硅基板，其作为一种低刻蚀温度、低制造成本且适合于批量生产的硅通孔制作工艺，能够达到成本、性能的最优化。 铜由于具有较低的电阻率和工艺成本常被用于金属化互连的导电层；但铜易腐蚀、易扩散且与介质层的结合强度较弱，使得铜布线暴露在大气中或直接在其上淀积介质层时，都会影响到铜导电层的电性能和可靠性 [8-9]。因此，利用化学镀工艺的自选择沉积特性，直接在铜布线上沉积镍基合金薄膜作为防止铜腐蚀和铜向其上层介质扩散的覆盖层，比采用溅射工艺减少了后续的光刻且无需昂贵的真空设备，从而既保证了铜布线的性能，又降低了制造成本。图1为硅片上垂直互连的铜布线示意图。

本文采用KOH刻蚀工艺制作硅垂直互连用通孔，电镀Cu实现硅垂直电互连，在已有垂直互连的硅片上试验了干膜光刻工艺，以实现金属布线的图形化；研究了溅射Ti阻挡层和化学镀NiMoP覆盖层的阻挡特性。 2 实验 2.1 硅片上垂直互连的制作 实验采用Ф100 mm n型双抛（100）硅片作为试验片。整个试验的工艺流程如图2所示。

硅片用常规方法清洗，生长200 nm的氧化层，在其上LPCVD淀积150～200 nm的Si3N4作为KOH刻蚀的掩膜。双面光刻技术是分两次对硅片的正反两面进行光刻，首先在硅片的正面涂覆正胶曝光显影，用反应离子刻蚀工艺去除正面裸露的Si 3N4层，用丙酮去除其余的光刻胶；再次清洗硅片后，反面涂覆正胶并利用双面光刻机将正面已光刻的图形与掩模版上的对准标记对准曝光、显影刻蚀Si 3N4层，完成双面光刻工艺。使用缓冲氢氟酸（BOE）腐蚀掉两面的SiO2 层，完成双面刻蚀窗口的制作。体硅的双面刻蚀选用33％的KOH溶液，在80 ℃的超声水浴中刻蚀完成。清洗硅片后，PECVD淀积200 nm的SiO2 层作为通孔电互连的绝缘层，再依次溅射200 nmTi和200 nmCu分别作为Cu互连线的黏附层/扩散阻挡层和电镀种子层。使用酸性电镀铜溶液电镀10 μｍ的Cu层作为最终的硅通孔互连导电层。对于已完成硅通孔电互连的试验片在N 2气氛炉中，400 ℃下退火1 h；用扫描电子显微镜及其原子分布的线性扫描功能分析退火后Ti薄膜的扩散阻挡特性。 2.2 干膜光刻胶的光刻工艺 采用印制电路板工业常用的干膜光刻胶，在已有硅通孔互连的圆片基体上贴附干膜光刻胶，掩膜光刻形成图形，用碱性显影液去除未曝光的干膜；用氯化铁溶液刻蚀无干膜覆盖的裸露Cu层，实现Cu布线的图形化。 2.3 化学镀NiMoP覆盖层 采用化学镀技术在Cu布线上自选择淀积一层 NiMoP合金薄膜作为防止Cu腐蚀和扩散的覆盖层。化学镀前采用胶体钯活化处理 [10]，活化温度为室温，活化时间1 min，用去离子水清洗干净试验片的表面，再放入化学镀溶液中施镀1 min，化学镀溶液的主要配方见表1，调节镀液的温度为90 ℃，pH值为9。

用扫描电子显微镜的电子能谱研究NiMoP薄膜的组成成分，用X射线衍射方法研究薄膜的微观组织结构，用四探针测试系统测定化学镀NiMoP 薄膜的电阻率。沉积薄膜后的硅片在N2气氛中，400 ℃下退火1 h；用俄歇电子能谱研究NiMoP/Cu结构中原子的扩散情况及其深度分布。 3 结果与讨论 3.1 硅片上垂直互连的制作结果 图3所示为硅片上垂直互连剖面的光学显微照片。

由于在非通孔部分的硅上没有出现明显的针孔和其地缺陷，说明150 nm以上的LPCVD氮化硅掩膜能很好地阻挡KOH溶液的腐蚀。剖面结构的对称性很好，说明在进行双面光刻的时候，正反两面的窗口图形对准比较精确，而且在KOH溶液刻蚀体硅的过程中，反应很均匀，与实验方案中预计的情况一致。剖面结构中电镀Cu互连金属层在各个位置分布比较均匀，特别在孔壁的中央拐角处，Cu也能够覆盖良好，没有出现断裂或无法覆盖的情况；说明电镀Cu互连金属层能够很好地通过KOH双面刻蚀的硅通孔实现300 μm厚硅片正反两面的电互连。 3.2 干膜光刻胶的光刻结果 由于在已有垂直互连的硅片上采用通常的旋涂工艺较难实现Cu布线的图形化，而干膜光刻胶由于具有较好的黏附性，能平整地贴附在已有硅通孔互连的圆片上；利用其自身的光敏特性曝光、显影形成图形，从而实现金属布线的图形化。图4是干膜光刻胶在曝光显影后的光学显微照片。能实现的最小光刻线宽为42 μｍ，可满足封装布线的要求且工艺成本较低。

3.3 干膜光刻胶的光刻结果 图5（a），（b）所示为Cu（10000 nm）/Ti（200 nm）/ SiO2（200 nm）/Si结构在400℃下热退火1 h后的扫描电子显微镜照片及其原子分布的线性扫描照片。

Ti作为难熔金属（熔点为1660 ℃ ），由于和SiO2具有很好的黏附性和自身的热稳定性；常被用作Cu互连线的黏附层和扩散阻挡层。由图5（a），（b）可知，在退火后Cu/Ti/SiO 2/Si多层结构之间依然有较清晰的界面，且各原子的深度分布在各界面处都有较大的起伏变化，这就很好地说明了Cu和Ti之间在400 ℃下热退火1 h后并无明显的扩散现象发生。因此，200 nm厚的Ti薄膜可作为Cu互连线的有效扩散阻挡层。 3.4 化学镀NiMoP覆盖层的特性 化学镀NiMoP薄膜的厚度由X光荧光分析仪（XRF-1800）和俄歇电子能谱（AES）深度分析共同表征为150～200 nm，薄膜表面为银白色。 表2所示为使用电子能谱分析（EDAX）得到的NiMoP覆盖层的组成成分。

由合金薄膜的理论可知，当薄膜中P的质量百分比低于3％时，得到的合金薄膜应为晶体结构，并具有较低的电阻率；图6为NiMoP覆盖层的X射线衍射（XRD）图谱，图中Ni（111）和Ni（200）衍射单峰的出现证明了合金薄膜为晶体结构。用四探针测试仪测得的NiMoP薄 膜的电阻率为70.2 μΩ ·cm，由此薄膜作为覆盖层时对Cu布线的电性能影响较小。

图7所示分别为含有NiMoP/Cu结构的样品在退火前后的俄歇电子能谱深度分析图谱。从图7（a）和（b）的对比中可以看出NiMoP薄膜（150～200 nm）在400 ℃退火1 h后，能作为铜扩散的有效阻挡层；加之镍基三元合金本身就具有较强的抗腐蚀特性，因此化学镀NiMoP合金薄膜能作为Cu布线的有效覆盖层。

4 结论 本文采用KOH湿法刻蚀工艺制作硅垂直互连用通孔；电镀10μｍ厚的Cu层作为垂直互连的导电层。在已有垂直互连的硅片上进行了干膜光刻实验，得到的Cu布线线宽为42μｍ，可满足封装布线的需求。溅射200 nm的Ti薄膜作为Cu互连线的黏附层/扩散阻挡层，化学镀150～200 nm厚的NiMoP薄膜作为Cu互连线的覆盖层。高温退火实验表明，在400 ℃下退火1 h后，Ti和NiMoP薄膜依然能作为Cu布线的有效扩散阻挡层。

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