一種用于先進封裝的圓臺硅通孔的刻蝕方法

摘要

在集成電路的制造階段延續摩爾定律變得越發困難，而在封裝階段利用三維空間可以視作 對摩爾定律的拓展。硅通孔是利用三維空間實現先進封裝的常用技術手段，現有技術中對于應用于CMOS圖像傳感器件封裝的圓臺硅通孔，采用的是在頂部不斷橫向刻蝕的方式實現的，不利于封裝 密度的提高，且對于光刻設備的分辨率有一定的要求。針對現有技術中的問題，一種嚴格控制橫向 刻蝕尺寸（僅占原始特征尺寸的3%~12%）的圓臺硅通孔刻蝕方法被研究探索出來。該方法通過調節 下電極功率（≤30 W），獲得了側壁角度可調（70°~88°）、通孔底部開口尺寸小于光刻定義特征尺寸 的圓臺硅通孔結構。這一方法有望向三維集成電路領域推廣，有助于在封裝階段延續摩爾定律。

引言

依循摩爾定律，芯片的特征尺寸越來越小，以滿 足器件集成度的增長。但是，當芯片的特征尺寸小到 一定程度會出現量子效應等現象，從而改變芯片目前 所遵循的物理規律。因此，長期來看，單純采用越來越 先進的工藝技術來延續摩爾定律是不可持續的。值得 注意的是，先進工藝技術節點對特征尺寸的微縮主要 還是一種針對平面區域的概念。目前最先進的環柵技 術盡管可以實現晶體管立體/三維方向的堆疊，但還 沒有確切的量產記錄（韓國三星公司聲稱已可以實現 量產）。加入封裝交流群，加VX：tuoke08。相比于在芯片制造過程中利用三維空間，在芯 片封裝過程中利用三維空間的難度更低。能夠利用三 維空間的區域將增加芯片的集成度，實際上就可以視 作對摩爾定律的拓展。利用三維空間進行堆疊封裝， 可以實現高性能的異質集成，這樣的系統級封裝具有 更高的容量、更好的性能和更高的良率。

硅通孔（TSV）技術是先進封裝中的常用技術之 一，采用硅通孔技術實現三維空間中芯片或者線路 的垂直互連具有降低寄生效應、提高運行速率和降低 器件功耗等優點。硅通孔技術在先進封裝中的應用 可以分成以下幾類：（1）在三維空間中實現芯片的垂直 堆疊互連，這類通孔被稱作3D硅通孔（硅通孔是在芯 片所在的硅片上開通的，封裝與芯片制造的界限模糊 化，因此也被稱作3D IC）；（2）采用硅轉接板將不同芯 片的通信距離拉近，硅轉接板上的這類通孔被稱作2.5D硅通孔；（3）采用圓臺硅通孔技術，從而利用三維 空間對圖像傳感器件進行封裝。

同時，硅通孔技術也面臨一些挑戰。盡管采用硅 通孔的三維封裝電學性能優良，但其工藝流程相對復 雜，在生產成本上不如采用重新布線技術來實現三維 封裝。具體到硅通孔技術的工藝流程，其最主要的步 驟是硅通孔刻蝕和鈍化層、阻擋層金屬填充。在進行 硅通孔刻蝕時，通常采用Bosch工藝，但這種工藝形成 的硅通孔角度一般比較垂直，不利于后續的鈍化層、 阻擋層金屬填充。例如，在3D系統級封裝的硅通孔中 深寬比比較大，一般需要原子層沉積等技術來實現孔 的填充，導致產能降低。另外，雖然采用直孔替代斜孔 可以提高封裝的密度和可靠性，但是采用直孔無法掛 膠（即無法通過旋涂實現孔側壁鈍化膠的涂布），需要 改用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝生長 絕緣層、物理氣相沉積（PVD）工藝生長種子層和電鍍， 而每增加一步工藝過程都會增加產品的制造成本，過 長的工藝路線會使產品失去商業競爭力。因此，對于 應用于圖像傳感器件的封裝，其通孔一般采用圓臺結構，可以通過旋涂實現孔側壁鈍化膠的涂布，降低成 本?，F有的技術主要利用硅的側向刻蝕獲得這類圓臺結構，即現有技術對通孔側壁角度的工藝量化控制 是通過調節上開口的尺寸實現的。因此，現有技術中 的圓臺通孔的下開口尺寸與光刻膠定義的尺寸相同， 而上開口的尺寸則大于光刻膠定義的尺寸。這就對光 刻分辨率提出了更高的要求，即在圓臺通孔的上開口 尺寸一定的情況下，需要利用***定義出更小的圖 形。與光刻定義線條狀圖形不同，定義孔狀圖形對光 刻分辨率的要求更高，當孔的尺寸小到一定程度后， 定義的圖案會出現不圓等異常。并且，硅的側向刻蝕 容易導致開口尺寸的均勻性難以控制，甚至相鄰2個 孔之間會發生穿通，使得2個孔之間需要預留安全距 離，限制了封裝密度的提高。針對上述問題，本文提出 了一種應用于圖像傳感器件封裝的圓臺硅通孔的刻 蝕方法，可以保證其上開口與光刻定義的尺寸近乎一 致（偏差僅為3%~12%），從而降低工藝整合時對光刻 工藝的要求，并且可以避免硅側向刻蝕所導致的封裝 密度下降的問題。

2 試驗部分

2.1試驗儀器與材料

本研究使用的試驗儀器包括：上海微電子公司生 產的SMEE SSB500步進式***，北方華創公司生 產的HSE P230等離子體刻蝕機，日立公司生產的SU8010冷場發射掃描電子顯微鏡。本研究使用的試驗材料包括：12英寸硅晶圓，電子 級O2、He、SF6、C4F8、Ar，德國All Resist公司生產的光刻 膠和顯影液，北京化工廠生產的H2SO4（濃）和H2O2。

2.2試驗方法

本研究使用的12英寸硅晶圓，其（100）晶面垂直 于晶圓平面朝上。試驗采用Piranha溶液H2SO4（濃）和H2O2以7:3的配比組成]清洗后，在晶圓上旋涂光刻 膠。然后，試驗使用步進式***進行光刻，并通過顯 影定義出待刻蝕的圖形。最后，試驗使用等離子體刻 蝕機進行刻蝕，刻蝕后的剖面結構使用冷場發射掃描 電子顯微鏡進行表征。

其中，等離子體刻蝕是關鍵的試驗步驟，等離子 體刻蝕的基準工藝配方如表1所示。

其中，氣壓用于達到等離子體產生的條件，應用 于刻蝕機的等離子體屬于低溫等離子體，需要一定的 真空才能產生，而電感耦合等離子體形成所需要的真 空一般在26.66 Pa以下；上電極功率產生等離子體；下 電極射頻功率牽引腔室中的等離子體向下運動作用 于晶圓；SF6用于產生氟基自由基刻蝕硅片；O2用于形 成硅氧復合物保護孔道結構的側壁，從而實現各向異 性刻蝕；工藝時間與所需要的刻蝕深度相關。

2.3試驗結果

圖1為光刻膠顯影后（即等離子體刻蝕之前）檢測 （ADI）的剖面掃描電子顯微鏡圖像，光刻所定義出的 特征尺寸約為50μm。

圖2為等離子體刻蝕后檢測（AEI）的剖面掃描電 子顯微鏡圖像。

從圖2（a）可以看出，其硅通孔的上開口尺寸（大 約為54μm）與光刻定義的特征尺寸（大約為50μm） 相差無幾，下開口尺寸（大約為43μm）則顯著小于光 刻定義的特征尺寸，再結合約65μm的刻蝕深度值， 可得出其側壁的平均角度大約為85°，有利于后續的 填充工藝；而從圖2（b）的放大圖可以更加清晰地看 出，硅通孔的頂部沒有出現明顯的在光刻膠底部向硅 通孔內側的刻蝕現象，即沒有明顯的下切現象出現。進一步的研究還發現，當光刻定義出的圖案的特征尺 寸減小時，采用上述等離子體刻蝕技術所刻蝕出的圖 形的下切尺寸的絕對值也會隨之減小，而下切尺寸占 光刻定義尺寸的比值雖有上升，但有逐步趨于飽和的 趨勢，預示其有望向尺寸更小的三維封裝方向發展， 但相應地也存在一定的挑戰。

3 分析與討論

對形成上述形貌的影響因素進行探討。首先，調 整工藝配方中的上電極功率，若上電極功率增加，對 形貌的影響不大（上開口尺寸約為57μm，下開口尺寸 約為49μm，刻蝕深度約為65μm，下切現象加重，但 側壁的平均角度保持為約85°不變），圖3為等離子體 刻蝕后的剖面掃描電子顯微鏡圖像。上電極功率增加 后的等離子體刻蝕工藝配方如表2所示。

試驗結果證明，上電極功率并不是形成該形貌的 主要影響因素。通過進一步的探索發現，若減小下電 極功率，則可以獲得側壁角度更加傾斜的硅通孔（上 開口尺寸約為62μm，下開口尺寸約為35μm，刻蝕深 度約為65μm，側壁平均角度約為76°），圖4為其等 離子體刻蝕后的剖面掃描電子顯微鏡圖像。

從圖4可以看出，相比于高深寬比的Bosch工藝， 該等離子體刻蝕技術在側壁粗糙度方面具有優勢，有 利于后續工藝以及保證器件的電學性能。下電極功率 減小后的等離子體刻蝕工藝配方如表3所示。

對試驗的結果進行分析，增加上電極功率會加大 下切現象（通過單側下切尺寸占光刻定義出的原始特 征尺寸的比例來定量描述該現象），但不會明顯影響 側壁的平均角度，而減小下電極功率則可以明顯減小 側壁的平均角度，等離子體刻蝕結果對比如表4所示。

從唯象的角度，對減小下電極射頻功率可以獲得 圓臺型微孔結構進行分析討論：對于電感耦合等離子 體刻蝕機而言，其上電極射頻功率用于產生等離子 體，下電極射頻功率用于牽引腔室中的等離子體向下 運動并作用于晶圓。等離子體的平均自由程有限，在 孔道結構中運動時更容易發生湮滅，當下電極功率不 足時，會使得到達孔道結構底部的等離子體明顯少于 頂部，進而獲得上大下小的圓臺型微孔結構。

現有文獻中，硅通孔的下開口尺寸與光刻膠定義 的特征尺寸保持一致，傾斜側壁是通過較大的下切現 象獲得的，圖5（a）為現有文獻中的刻蝕技術示意圖。而本文提出的刻蝕方法，是硅通孔的上開口尺寸與光 刻膠定義的特征尺寸保持一致，通過對側壁的保護作 用使得下開口明顯小于光刻膠定義的特征尺寸而獲 得傾斜側壁。圖5為本文提出的等離子體刻蝕技術與 現有文獻中的刻蝕技術對比示意圖，當光刻膠定義的 特征尺寸一定的情況下，通過本文提出的刻蝕方法能 得到尺寸更小的硅通孔結構，從而使得硅通孔技術對 于光刻分辨率的要求降低。從定量的角度分析，采用現有技術來實現側壁角度為76°的硅通孔，假設刻蝕 深度為65μm、光刻定義的特征尺寸為50μm，通過一 個簡單的三角函數運算可以得到現有技術的上開口 需要達到82μm（現有技術的下開口尺寸與光刻定義 的特征尺寸50μm保持一致），比原始的特征尺寸50μm多出32μm，比本文報道的上開口尺寸還要多 出20μm，單側的下切值占特征尺寸的比例達到32%， 遠大于3%~12%的比例，不利于封裝密度的提高。

另外，不同于集成電路制造領域（特別是制約先 進制程發展的特征尺寸領域）的光刻定義的圖案（主 要是線條狀的圖案），先進封裝領域的光刻圖案主要 是圓孔狀的圖案，在相同特征尺寸下的圓形圖案比線 條狀圖案對光刻分辨率的要求更高。

對硅通孔的側壁角度進行進一步的分析：一方 面，硅通孔刻蝕后的工藝是鈍化膠的涂布工藝或者通孔的填充工藝，所以通孔刻蝕的側壁不能太直，否則 不利于后續的鈍化膠涂布（無法掛膠）或者填孔工藝 （封口效應）；另一方面，通孔刻蝕的側壁又不能太斜， 太斜的話會降低晶圓利用率，并且在回刻步驟中容易 破壞側壁的絕緣層。因此，這類圓臺硅通孔的側壁傾 斜角度在70°~88°最適宜。研究結果證明，通過調節下 電極功率可以實現圓臺硅通孔側壁傾斜角度的調節。

本技術所能實現的硅通孔深寬比還有待提升，目 前并不適合集成電路的高密度互連，更加適合分立器 件的先進封裝，例如微機電系統器件（如低阻硅柱的 三維互連等）以及圖像傳感器件等的三維封裝。此 類器件的共同特征是所需的互連接口數量較少，而器 件尺寸又相對比較大。另外，采用本技術形成的硅通 孔側壁粗糙度具有優勢，有利于減少光學傳輸損耗， 還可以應用于半導體照明等領域。

4 結論

本文提出了一種圓臺硅通孔的刻蝕方法，可以在 先進封裝（特別是針對圖像傳感器件的封裝）中引入 側壁平均角度在70°~88°的硅通孔互連結構。通過施 加30 W及以下的下電極功率實現圓臺硅通孔的刻 蝕，該圓臺硅通孔的下開口尺寸顯著小于光刻定義的 特征尺寸。與現有文獻中的刻蝕技術不同，該刻蝕技 術可以降低工藝整合時對光刻分辨率的要求，且有利 于提高封裝密度。該刻蝕技術對于高深寬比的刻蝕還 具有一定的局限性，對于如何將該技術擴展到三維封 裝硅通孔刻蝕還需要進一步的研究和探索。

審核編輯：湯梓紅