基于兩步刻蝕工藝的錐形TSV制備方法研究

摘要：

以硅通孔（TSV）為核心的2.5D/3D封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)芯片之間的高速、低功耗和高帶寬的信號(hào)傳輸。常見的垂直TSV的制造工藝復(fù)雜，容易造成填充缺陷。錐形TSV的側(cè)壁傾斜，開口較大，有利于膜層沉積和銅電鍍填充，可降低工藝難度和提高填充質(zhì)量。在相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)的刻蝕條件下制備了錐形TSV，并通過增加第二步刻蝕來改善錐形TSV形貌。成功制備了直徑為10~40μm、孔口為喇叭形的錐形TSV。通過濺射膜層和銅電鍍填充，成功實(shí)現(xiàn)了直徑為15μm、深度為60μm的錐形TSV的連續(xù)膜層沉積和完全填充，驗(yàn)證了兩步刻蝕工藝的可行性和錐形TSV在提高膜層質(zhì)量和填充效果方面的優(yōu)勢。為未來高密度封裝領(lǐng)域提供了一種新的TSV制備工藝，在降低成本的同時(shí)提高了2.5D/3D封裝技術(shù)的性能。

0引言

微電子技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代集成電路在高性能、低成本和低功耗方面的突破。然而，微電子封裝技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，逐漸成為制約半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)一步提升的主要瓶頸。以硅通孔（TSV）為核心的2.5D/3D封裝技術(shù)是一種新型的高密度封裝技術(shù)，通過在硅基底上形成垂直方向的通孔，并用金屬材料填充，實(shí)現(xiàn)了芯片之間的立體互聯(lián)，被認(rèn)為是未來高密度封裝領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。TSV封裝技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，如縮減了芯片尺寸、提高了集成度、降低了信號(hào)傳輸延時(shí)和功耗、提升了數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬等。

常規(guī)的TSV是采用基于等離子刻蝕、循環(huán)交替刻蝕/鈍化過程的博世（BOSCH）工藝來刻蝕制備的，所得通孔側(cè)邊垂直度接近90°。該垂直圓柱形通孔有利于提升通孔的數(shù)量和密度。但是BOSCH工藝的循環(huán)刻蝕過程會(huì)造成側(cè)壁呈扇貝狀，導(dǎo)致后續(xù)沉積的膜層厚度不均勻。此外，垂直側(cè)壁也增加了后續(xù)電介質(zhì)絕緣層、阻擋層和銅種子層的沉積難度，難以實(shí)現(xiàn)良好的階梯覆蓋。膜層沉積時(shí)往往只能在TSV開口處形成較厚的膜層，而在TSV較深處的側(cè)壁和底部很難進(jìn)行沉積。這種厚度差異會(huì)影響TSV的電鍍填充效果，導(dǎo)致孔口過度填充，孔底出現(xiàn)空缺[1]。同時(shí)，由于電鍍液中的Cu 2+在TSV開口處補(bǔ)充的速率遠(yuǎn)高于TSV孔深處補(bǔ)充的速率，從而加劇了孔口和孔底部的沉積速率的不一致，進(jìn)一步導(dǎo)致了填充缺陷的產(chǎn)生。

為了解決這些問題，可以采用錐形TSV的結(jié)構(gòu)。錐形TSV消除了側(cè)壁上的扇貝狀結(jié)構(gòu)，并且具有傾斜的側(cè)壁，可以顯著提高絕緣層、阻擋層和銅種子層的均勻性和階梯覆蓋性能[2]。電鍍過程中，其較大的開口也有利于電鍍液中的Cu 2+在孔深處的快速補(bǔ)充，從而提高孔內(nèi)部的電鍍填充效率。因此，通過同時(shí)改善膜層質(zhì)量和離子通道，錐形TSV可以改進(jìn)TSV的填充效果和性能。

研究表明，錐形TSV還具有可靠性和傳輸性能方面的優(yōu)勢。對(duì)不同幾何形狀TSV（包括紡錘形、錐形、橢圓形、三角形、四角形和圓柱形）的可靠性影響的研究表明，與其他TSV形狀相比，錐形TSV能更有效地均勻釋放垂直方向的熱應(yīng)力。這意味著TSV底部的應(yīng)力集中程度較低，從而降低了晶圓之間外部接觸區(qū)域發(fā)生故障的可能性，提高了TSV封裝的機(jī)械可靠性[3]。另外，對(duì)圓柱形和具有不同錐形角度的錐形TSV的功率損耗進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)錐形TSV由于表面積和寄生參數(shù)較小，具有更好的功率性能，能夠降低功率反射損耗，提高功率傳輸效率[4]。

目前有兩種方法可以制備錐形TSV，一種是改良的BOSCH工藝，一種是SF 6 /O 2低溫反應(yīng)離子刻蝕（RIE）法。改良的BOSCH工藝是在傳統(tǒng)的BOSCH工藝的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整脈沖時(shí)間，增加刻蝕脈沖時(shí)間，減少鈍化時(shí)間，從而形成錐形TSV [5]。然而，這種方法只能獲得有限的錐形角度（85°~90°），不能滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。為了改善錐形TSV的開口度，有些研究在BOSCH工藝后再進(jìn)行一次各向異性刻蝕，使孔口呈喇叭狀[6-7]。該工藝改善了孔口位置的膜層連續(xù)性，但對(duì)孔底，尤其是孔底拐角處的膜層改善還有待提高。

另一種方法是SF 6 /O 2低溫RIE法，此方法中SF 6分解得到的F*自由基各向同性地刻蝕硅，O 2的加入將F自由基與Si發(fā)生反應(yīng)生成物SiF x氧化成SiO x F y，SiO x F y附著在刻蝕槽的側(cè)壁上，在側(cè)壁上形成保護(hù)層，從而增加刻蝕的方向性[8]。低溫可以增加對(duì)氧化硅掩膜的刻蝕選擇比，降低反應(yīng)產(chǎn)物SiF 4的揮發(fā)性，從而增強(qiáng)鈍化效果，增加各向異性[9]。SF 6 /O 2低溫RIE法可以實(shí)現(xiàn)小于85°且可控的傾斜角并得到較大的深寬比，擴(kuò)大了TSV工藝整合的可能性[10]。但是，SF 6 /O 2低溫RIE法也存在一些缺點(diǎn)，如在掩膜與晶圓交界處容易形成側(cè)掏尖角，導(dǎo)致在該處沉積的介質(zhì)和金屬薄膜斷裂，增加了TSV通孔填充的難度和漏電的風(fēng)險(xiǎn)[11]。另外，低溫RIE通常要求極低的溫度（-40~ -100℃），使得大部分刻蝕機(jī)難以實(shí)現(xiàn)[10]。

因此，改良的BOSCH工藝和低溫RIE法都有一定的局限性，不能適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用場景。為了解決這個(gè)問題，本文提出了一種在非低溫條件下制備錐形TSV的兩步刻蝕法，并研究了如何控制和改善錐形角度和錐形TSV形貌。同時(shí)，通過研究錐形TSV中的膜層厚度和電鍍填充深度驗(yàn)證了所得到的錐形TSV在膜層沉積和電鍍填充過程中的優(yōu)勢。

1錐形TSV的兩步刻蝕

1.1錐形TSV的兩步刻蝕法

錐形TSV的等離子體各向異性刻蝕是在F *自由基刻蝕和氧氣鈍化之間找到一個(gè)平衡，使得側(cè)壁有節(jié)制地被刻蝕，且其刻蝕速率明顯小于孔底的刻蝕速率。錐形深孔的刻蝕是在SPTS反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中進(jìn)行的。在這個(gè)刻蝕過程中，溫度、電感耦合等離子體（ICP）功率、腔室壓力、射頻（RF）偏壓、氣體體積流量、SF 6與O 2的體積流速比均會(huì)影響刻蝕結(jié)果，如刻蝕速率、選擇性、通孔輪廓、側(cè)壁傾斜程度、側(cè)掏。

ICP功率和RF偏壓是影響刻蝕速率的主要因素。ICP功率越高，等離子體的密度越大，離子通量越大，刻蝕速率越高。RF偏壓越高，轟擊晶圓的離子能量越大，刻蝕速率和陡直度越高。

腔室壓力會(huì)影響反應(yīng)離子的平均自由程，進(jìn)而影響到各向異性。腔室壓力的減小會(huì)產(chǎn)生較高的各向異性，增加刻蝕垂直度。而腔室壓力增加，離子濃度增加，反應(yīng)離子的平均自由程減小，離子偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致側(cè)掏現(xiàn)象。側(cè)掏會(huì)在掩膜下方形成側(cè)掏尖角（或下切），形成如圖1(a)所示的孔形。

F與O原子數(shù)比是影響側(cè)壁傾斜度（即錐形角度）的主要因素[12]。這是由于F原子和O原子在表面的競爭吸附，O原子的吸附導(dǎo)致鈍化，而F原子的吸附導(dǎo)致硅刻蝕。F與O原子數(shù)比增加，表面吸附的O原子的側(cè)壁鈍化跟不上F原子的吸附導(dǎo)致的刻蝕，從而導(dǎo)致負(fù)錐度，孔形下大上小，同時(shí)側(cè)掏現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)F與O原子數(shù)比減小，O原子的競爭吸附減少了F原子的吸附刻蝕，鈍化效果增強(qiáng)，形成正錐形深孔。

溫度對(duì)各向異性和側(cè)掏均有影響。溫度降低，可降低反應(yīng)產(chǎn)物SiF 4的揮發(fā)性，生成鈍化層，增強(qiáng)鈍化效果。在孔底，由于等離子體產(chǎn)生的離子轟擊使鈍化層脫離，進(jìn)行所謂的濺射刻蝕。而側(cè)壁由于受到較少的離子轟擊，其上的鈍化層得到部分保留。這樣，溫度降低，各向異性提高，側(cè)掏減少。研究表明，將基底溫度設(shè)置為約-100℃，可以將各向異性刻蝕減至最低程度[13]。

但是，這樣的極低溫對(duì)于大多數(shù)刻蝕機(jī)來說是很難實(shí)現(xiàn)的。為了找到更易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法，此處將溫度控制為5℃。經(jīng)過調(diào)整，第一步刻蝕參數(shù)設(shè)置為：溫度為5℃，腔室壓力為25 mTorr（1 Torr≈133 Pa），ICP功率為800 W，射頻（RF）功率為50 W，SF 6和O 2體積流量均為40 cm 3 /min，刻蝕時(shí)間為20 min。

圖1（b）為第一步刻蝕后帶有側(cè)掏尖角的錐形TSV截面的光學(xué)顯微鏡圖。經(jīng)過20 min刻蝕，孔徑為20μm的孔深度達(dá)到了67μm。側(cè)壁的傾斜角度，即錐形TSV的錐形角度為86°。雖然第一步刻蝕形成了錐形，孔內(nèi)直徑最大處達(dá)到了30μm，但是由于側(cè)掏尖角的存在，開口處孔徑依然較小，為23μm。

為了消除側(cè)掏尖角，改善孔的形狀，在去除掩膜層后進(jìn)行第二步各向同性刻蝕?？涛g參數(shù)設(shè)置為：溫度為25℃，腔室壓力為35 mTorr，ICP功率為800 W，SF 6、Ar和C 4 F 8體積流量分別為80、40和10 cm 3 /min，刻蝕時(shí)間為2 min。第二步刻蝕中只使用了有刻蝕作用的SF 6，而不用有鈍化作用的O 2。同時(shí)，Ar和C 4 F 8的加入可以降低刻蝕速度，避免由于刻蝕速率過快導(dǎo)致的表面粗糙。圖1（c）為第二步各向同性刻蝕去除側(cè)掏尖角的示意圖。圖1 (d)為經(jīng)過2 min各向同性刻蝕后所得到的TSV截面的光學(xué)顯微鏡圖。明顯可以看到側(cè)掏尖角已被去除。同時(shí)，孔底直徑幾乎沒有變化，但是孔上部擴(kuò)大，錐形角度增加，形成喇叭狀。這一形貌更有利于膜層的連續(xù)沉積和無孔隙的電鍍填充。

1.2不同孔徑的刻蝕

圖2為經(jīng)過相同刻蝕過程（20 min的第一步刻蝕和2 min的第二步刻蝕）后不同設(shè)計(jì)直徑（即掩膜開口孔徑）的深孔的截面圖?？梢悦黠@看到孔深隨著孔徑的增大而增大，而錐形程度卻減小了。

圖3(a)測量了孔深和孔底直徑、孔口直徑，并與設(shè)計(jì)直徑進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，在相同的刻蝕條件下，大孔徑的孔深度較大，孔底直徑更容易比設(shè)計(jì)直徑偏大。這是因?yàn)樵谙嗤目涛g條件下，刻蝕氣體更容易進(jìn)入大尺寸孔內(nèi)，因此對(duì)于孔底及側(cè)壁的刻蝕會(huì)更快。相反，對(duì)于小尺寸的孔徑，刻蝕氣體難以進(jìn)入，因此刻蝕速率相對(duì)較慢。這與深硅刻蝕中與深寬比相關(guān)的負(fù)載效應(yīng)（ARDE）相一致。

圖3(a)中可以看到，孔口直徑均比孔底直徑大14~19μm，印證了孔的錐形形貌。通過孔口直徑（a），孔底直徑（b）和孔深（d），計(jì)算得到孔壁的錐形角度（θ），即

圖3 (b)中黑色的點(diǎn)線為通過孔深、孔口和孔底直徑計(jì)算得到的錐形角度。但是通過圖2可以觀察到孔側(cè)壁并不是直線，孔上部普遍孔壁更傾斜，錐形角度更小。因此選擇測量孔的上1/3和下1/3分別作為孔口和孔底的錐形角度。圖3 (b)中紅色和藍(lán)色線分別畫出了孔口和孔底的錐形角度。

可以看到，不同孔徑的孔底錐形角度比較相似，在86.6°~88.9°之間。而孔口的錐形角度則比孔底小，在68°~79°之間，并且在10~30μm孔徑范圍內(nèi)隨著孔徑的增大而增大，即傾斜度降低。這說明大孔徑的喇叭口傾斜程度更小，而小孔徑的喇叭口傾斜程度更大，這一現(xiàn)象也可以在圖2中直觀地看出。這是因?yàn)?，在相同的第二步各向同性刻蝕工藝下，樣品表面部分刻蝕速率是相同的。無論是大孔徑圖形還是小孔徑圖形，在孔口處的側(cè)向刻蝕速率是相同的。因此，對(duì)于小尺寸的孔徑來說，相同時(shí)間的刻蝕會(huì)導(dǎo)致其孔口直徑增加的比例更大，這也就意味著孔口處會(huì)更加傾斜。而當(dāng)孔徑繼續(xù)增大，這一影響逐漸減小，導(dǎo)致孔徑30μm以上的孔口錐形角度變化不大。

2膜層沉積

刻蝕后的硅深孔內(nèi)需要依次沉積絕緣層、阻擋層和種子層：絕緣層用來電隔離硅基底和填充的導(dǎo)電材料，通常選用二氧化硅；阻擋層用來防止銅原子穿透二氧化硅絕緣層而導(dǎo)致的封裝器件產(chǎn)品性能下降甚至失效，一般使用化學(xué)穩(wěn)定性較高的金屬材料及其化合物，如Ta、Ti、TaN等；種子層在后續(xù)的電鍍填充中提供導(dǎo)電，一般使用Cu。兩步刻蝕得到的喇叭狀的孔口角度較平滑，有利于膜層在孔口的連續(xù)分布。上大下小的錐形TSV也使得孔口的遮蔽效應(yīng)減小，有利于孔底部的膜層沉積。

本文使用的絕緣層、阻擋層和種子層分別為2μm SiO 2、50 nm Ta和800 nm Cu。在Oxford電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備中沉積SiO 2絕緣層,沉積條件為：ICP功率為1 000 W，溫度為200℃，腔室壓力12 mTorr，SiH 4、Ar和N 2 O體積流量分別為14、60和70 cm 3 /min，沉積時(shí)間為195 min。在Denton多靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中濺射了阻擋層和種子層。阻擋層Ta的濺射條件為：濺射直流功率為200 W，Ar體積流量為40 cm 3 /min，時(shí)間為150 s。種子層Cu的濺射條件為：濺射直流功率為200 W，Ar體積流量為40 cm 3 /min，時(shí)間為1 200 s。

圖4對(duì)比了一步刻蝕和兩步刻蝕后得到的20μm直徑，65μm深度孔的孔口處和孔底拐角處（一般為膜層最薄處）的膜層沉積情況。由于掃描電子顯微鏡（SEM）的成像原理和精度限制，Ta和Cu層無法區(qū)分，在圖像上表現(xiàn)為一層（Ta/Cu層）。為了研磨得到可觀察的截面，使用樹脂填充了孔內(nèi)空間，樹脂在SEM圖中表現(xiàn)為不導(dǎo)電導(dǎo)致的高亮區(qū)域?？梢栽趫D4 (a)和圖4 (b)中看到，ICP-化學(xué)氣相沉積（CVD）沉積SiO 2的過程中會(huì)在孔口的側(cè)掏尖角位置沉積更多的SiO 2，使尖角更加突出，這會(huì)進(jìn)一步惡化后續(xù)種子層的沉積環(huán)境。在圖4 (b)中，雖然同樣孔口位置絕緣層沉積比較多，但是喇叭狀開口可以部分彌補(bǔ)其導(dǎo)致的孔形變化。從圖4 (c)和圖4 (d)種可以看到，孔底拐角處的膜層厚度比孔口小了很多，而有側(cè)掏尖角的圖4(c)中膜層已經(jīng)觀察不到連續(xù)的膜層。

為了進(jìn)一步確認(rèn)孔底金屬的分布情況，對(duì)孔底部拐角處和孔口位置進(jìn)行了能量色散X射線光譜（EDX）分析。表1列出了孔口位置和孔底拐角處O、Si、Ta和Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w O、w Si、w Ta和w Cu）。EDX測試中電子束的穿透深度為1~2μm。因此，在孔口，當(dāng)金屬膜層較厚時(shí)，EDX主要收集到金屬膜層的信號(hào)。在孔底，當(dāng)金屬膜層較薄時(shí)，EDX穿過金屬膜層，更多地收集到了絕緣層和基底的材料信息。從表1中可以看到，在孔口，金屬Ta和金屬Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.01%和59.18%，這說明有充足量的阻擋層和種子層。而在一步刻蝕后的有側(cè)掏尖角的孔底拐角處，金屬Ta的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.22%。說明阻擋層的沉積受側(cè)掏尖角影響不大，能夠覆蓋到孔底。而O元素和金屬Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到了2.83%和0.15%。說明絕緣層和種子層的量不足。第二步刻蝕去除側(cè)掏尖角后，O元素和Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至3.15%和1.07%?？梢姡瑑刹娇涛g去除側(cè)掏尖角對(duì)孔底絕緣層和種子層的改善有明顯作用。

在電鍍填充過程中，種子層是金屬沉積的起始點(diǎn)，其厚度和連續(xù)性對(duì)電鍍填充的質(zhì)量具有重要影響。如果種子層過薄或不連續(xù)，金屬無法在孔底沉積，就會(huì)導(dǎo)致孔底缺陷，如空洞、針孔、短路等[14]。要確定膜層對(duì)填充的真實(shí)影響，還需要通過電鍍填充結(jié)果來確定。

3電鍍填充

以高純銅片作為陽極，帶有TSV的濺射了種子層的晶圓作為陰極進(jìn)行電鍍填充。電鍍液采用新陽SYS2520甲基磺酸體系電鍍液，并加入針對(duì)深孔電鍍的UPT3360系列添加劑。首先，采用10 mA/cm 2的電流密度進(jìn)行預(yù)電鍍，以在深孔內(nèi)壁形成一層均勻的銅層。接著，將電流密度提高到40 mA/cm 2，進(jìn)行正式填充電鍍。不同直徑的TSV需要不同的電鍍時(shí)間才能達(dá)到完全填充。如，10μm和30μm直徑的TSV分別需要6 h和10 h的填充時(shí)間。

圖5為直徑15μm的孔，在不同的孔形下，經(jīng)過相同的膜層濺射和電鍍填充步驟后的截面圖。圖5 (a)為一個(gè)通過BOSCH工藝刻蝕的直徑為15μm、深度為100μm的垂直TSV的電鍍填充效果。填充深度大約為30μm。由于種子層未能完全覆蓋，孔深處大部分沒有得到填充。在圖5 (b)中，一步錐形刻蝕后形成的錐形深孔的填充深度增加到了40μm。然而，由于側(cè)掏尖角的存在，孔的填充深度增加有限，因此孔仍然沒有完全填滿。在圖5 (c)中，第二步各向同性刻蝕將側(cè)掏尖角完全消除，電鍍填充深度進(jìn)一步增加，使得深度為60μm的孔得以完全填充。

由此可見，錐形TSV的形成和側(cè)掏尖角的消除有助于增加TSV的填充深度。這是由于擴(kuò)大了的孔口提高了種子層在深孔側(cè)壁，尤其是孔底區(qū)域的覆蓋率，從而改善了電鍍過程中孔內(nèi)的導(dǎo)電情況；另外，較大的孔口也讓鍍液中的銅離子更容易擴(kuò)散到孔內(nèi)并發(fā)生還原反應(yīng)。

圖5 (d)和(e)分別放大了圖5 (b)和(c)中側(cè)壁上的近似位置。由于阻擋層和種子層已經(jīng)和填充的銅合為一層，很難觀察到阻擋層和種子層的具體情況。但是，在圖5 (d)中可以觀察到帶有側(cè)掏尖角的深孔中絕緣層出現(xiàn)了斷裂。鑒于阻擋層和種子層在絕緣層的上層，可以推斷它們也出現(xiàn)了斷裂情況。絕緣層的斷裂可能導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)電流泄漏和信號(hào)丟失。阻擋層的斷裂會(huì)導(dǎo)致銅向硅基底的擴(kuò)散。種子層的斷裂會(huì)影響填充效果。在斷裂位置附近出現(xiàn)了填充空缺與這一推斷吻合。在圖5 (e)中側(cè)掏尖角被消除后，絕緣層保持了連續(xù)性。雖然不能直接觀察到阻擋層和種子層的連續(xù)分布，但阻擋層的EDX數(shù)據(jù)和孔的完全填充現(xiàn)象證明了阻擋層和種子層的完全連續(xù)覆蓋。

4結(jié)論

本文提出了一種用于制備錐形TSV的兩步刻蝕工藝。該工藝首先采用RIE在相對(duì)常溫下形成錐形TSV，然后進(jìn)行各向同性刻蝕以消除側(cè)掏尖角并優(yōu)化錐形輪廓。通過這種工藝，可以在直徑10~40μm的孔中實(shí)現(xiàn)底部錐形角度約為87°，頂部錐形角度為68°~79°的喇叭狀錐形TSV。本文還驗(yàn)證了錐形側(cè)壁對(duì)薄膜連續(xù)性和TSV填充質(zhì)量的影響，并在孔徑15μm，孔深60μm的TSV中實(shí)現(xiàn)了連續(xù)膜層分布和完全填充。證明了錐形TSV和側(cè)掏尖角的去除有助于實(shí)現(xiàn)完整的薄膜覆蓋，從而改善了TSV的隔離、阻擋和填充效果。通過兩步刻蝕工藝，降低了TSV制備的工藝難度和工藝成本，提高了填充質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。這將在高密度、高質(zhì)量封裝中有巨大的應(yīng)用潛力，對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和科研領(lǐng)域都具有重要意義。




審核編輯：劉清