作者简介: 刘子玉(1986—), 女(汉), 吉林, 博士研究生。
为了满足日益减小的互连节距需求,该文研究了晶圆上窄节距铜凸点的成型技术。铜凸点成型主要包括溅射凸点下金属化层(under bump metallization, UBM)、 厚胶光刻、电镀、去胶、刻蚀UBM等。通过研究甩胶、前烘、曝光、显影、后烘等技术参数,优化了正性光刻胶AZ4620的厚胶光刻工艺,并通过理论分析验证了其合理性。同时,进行了湿法腐蚀和干法刻蚀UBM的对比实验,得到了用于超窄节距凸点去除UBM的不同方法。最终获得了节距20 μm、 直径10 μm、 高度10 μm的凸点,侧壁垂直度达到83.95°; 并采用剪切力测试方法表征晶圆上铜凸点强度的分布特点,得到剪切强度接近体材料的剪切强度。
Fine pitch copper bumping on wafers was characterized to meet the demand for smaller interconnections. Electroplating copper bumping involves under bump metallization (UBM) sputtering, thick photoresist, copper electroplating, photoresist removal and UBM etching. The spin coating, soft baking, exposure, developing and post exposure baking of AZ4620 thick photoresist were optimized theoretically. Wet and dry UBM etching are also compared. Copper bumps were fabricated with a 20 μm pitch, 10 μm diameter and 10 μm height with a 83.95° sidewall. The wafer level copper strength uniformity was also checked by shear testing.
随着集成电路的飞速发展,特征尺寸不断减小,互连密度也随之不断增大。为了进一步提高互连密度,新的封装互连技术不断涌现,其中用于三维互连的片间互连主要包括固液扩散键合(如铜锡铜键合)、 热压键合(如铜铜键合)和低温氧化物直接键合互连(direct bonding interconnect, DBI)[1,2,3,4]。这些互连技术关键是金属凸点的制备,铜凸点因其电阻率低、抗电迁移性能好、可靠性高以及能实现小节距等优势,广泛应用于各种键合技术中。根据国际半导体技术蓝图(ITRS)2011[3]给出的芯片焊盘节距发展趋势统计表显示: 2015年三维互连芯片焊盘节距会达到20 μm。因此,实现节距为20 μm的铜凸点成型有非常重要的应用价值。
Cu凸点成型通常采用电镀成型方法,首先利用厚胶光刻技术获得凸点图形的掩模,然后采用电镀获得一定高度的凸点。而由于厚胶在光刻的过程中存在Fresnel衍射效应[5],掩模的上表面会侧向减小,导致电镀Cu凸点上表面会增加,凸点的侧壁垂直度降低。为了增加铜凸点的侧壁垂直度,需要使掩模的厚度大于Cu的高度,同时优化厚胶光刻的工艺以尽量减小光刻胶侧向收缩的尺寸。随着图像尺寸减小、厚度增加,衍射效应变得更加明显,因此窄节距掩模光刻是制备窄节距凸点的关键。而为了防止凸点电学短路,需要去除非图形区的下金属化层(under bump metallization, UBM), 但是刻蚀UBM存在侧向腐蚀,而侧向腐蚀会降低UBM与衬底的粘度性而降低凸点的可靠性。当节距减小,凸点间隙减小,湿法腐蚀的溶液不容易进入凸点间隙,刻蚀难度增加。因此窄节距Cu凸点的UBM刻蚀也是影响凸点成型的重要因素。
本文主要针对节距为20 μm、 直径为10 μm铜凸点的成型技术进行研究,着重研究光刻胶AZ4620的厚胶光刻工艺及非图形区UBM刻蚀技术。最后获得了符合设计尺寸的铜凸点,并对铜凸点的形貌及强度进行了表征。
铜凸点制备工艺的研究有很多[6,7],本文主要采用图1的凸点成型流程。通过热氧制备400 nm二氧化硅(SiO2)作为绝缘层。然后溅射Ti或者TiW作为粘附层,溅射Cu作为电镀种子层,从而形成凸点的UBM。再进行AZ4620厚胶光刻,通过大马士革电镀工艺实现铜凸点成型,再利用丙酮和异丙醇去除光刻胶,最后刻蚀UBM。
铜凸点的目标节距为20 μm, 高度10 μm, 凸点尺寸为10 μm×10 μm。采用较高铜凸点是为了释放因芯片与基板热膨胀系数不匹配带来的应力,采用方形焊盘是因为掩模版制作更容易、成本更低。而为了提高铜凸点侧壁垂直度,光刻胶的厚度又需要大于铜凸点高度,因此光刻胶厚度设计为15 ~20 μm。
光刻胶选用美国Shipley公司生产的正性光刻胶AZ4620; 采用Karl Suss公司的MA6接触式光刻机进行光刻, UV波长是365 nm, 输出功率 10 mW; 电镀液采用Atotech公司生产的硫酸铜体系电镀液。
光刻的主要步骤是甩胶、软烘(前烘)、 曝光、显影、坚膜(后烘)。由于正性光刻胶厚胶光刻的影响因素很多[8,9,10],其中关键工艺步骤包括甩胶、曝光和后烘。本文针对上述的关键工艺步骤进行了对比实验,具体实验参数设计如表1所示。
 | 表1 节距为20 μm铜凸点制备中厚胶光刻工艺研究实验设计 |
光刻胶的厚度主要取决于甩胶的方法。为了旋涂光刻胶达到目标厚度,同时晶圆边缘无光刻胶聚集,对比了转速为2 000 r/min的单次甩胶和转速为 4 000 r/min 的两次甩胶的厚度及晶圆边缘质量。而对于两次甩胶,第一次甩胶的前烘时间影响曝光质量。根据AZ4620的光刻参数以及实验积累的相关经验,前烘温度设置为100℃, 时间分别设置2、 3和4 min。
厚胶光刻的衍射效应与掩模和光刻胶的间隙有关,而不同曝光模式掩模和光刻胶的间隙不同。因此,为了减小光刻中厚胶侧向收缩,对比了硬接触曝光和低真空曝光方式。
显影后,光刻胶中存在大量挥发性溶剂需要去除,这主要是防止电镀过程中图形尺寸变化及光刻胶污染金属铜。不同后烘方式去除水汽的机理不同会导致图形精度不同。因此,本文主要研究热板、烘箱及甩干3种后烘方式。热板后烘的温度为110℃, 时间为2 min; 烘箱后烘的温度为90℃, 时间为 30 min; 甩干的转速为4 000 r/min, 时间为2 min。
UBM的刻蚀容易出现腐蚀不完全或者侧向腐蚀严重的问题,节距越小此现象越严重。因此,本文着重研究湿法刻蚀和干法刻蚀对于UBM刻蚀的影响,从而获得适合窄节距凸点UBM的刻蚀工艺。
湿法刻蚀Cu采用铜氨溶液,配比为5 g CuCl2、 5 g NH4Cl、 84 mL NH3·H2O和2.5 L去离子水。原理是铜被二价铜的氨性络合物氧化为亚铜离子,进而再被氧化为二价铜络合物[11]。反应式为
湿法腐蚀TiW的腐蚀液是质量分数为30% H2O2。湿法腐蚀Ti的方法有三种: 1) 将体积分数为96%浓硫酸稀释成体积分数为20%硫酸,并在配置时立刻放入晶圆进行刻蚀; 2) 采用0.4 mol/L的氢氟酸进行刻蚀; 3) 采用质量分数为30%的 H2O2、 质量分数为40%的HF和去离子水按照体积比为1∶1∶80配成的溶液进行刻蚀。
干法刻蚀采用离子束刻蚀(ion beam etching, IBE), 主要从离子能量、加速电压、离子束流等方面进行研究获得Ti、 TiW和Cu的刻蚀速度。
为了满足下一步晶圆级键合的需求,凸点的侧壁垂直度、表面平整性、 UBM的粘附性和凸点的强度变得尤为重要。因此本文利用扫描电子显微镜(TESCAN LYRA3 FEG-SEM)观察和测量了凸点侧壁垂直度、表面平整性从而表征铜凸点的形貌。采用剪切力测试结果表征UBM的粘附性及凸点的强度分布特性。良好的UBM粘附性是测试凸点强度的前提条件。剪切断裂发生在铜凸点内部时说明UBM粘附性良好; 而发生在UBM时说明粘附性差,剪切强度大于粘附强度而无法定量分析。由于国际上没有通用的铜凸点强度测试的指标,而凸点直径过小无法完成单个凸点的剪切力测试。因此本文根据焊料凸点的JESD22-B117A剪切测试标准,每次对并排一列10个凸点进行剪切力测试,测试55列凸点,求出平均值,再除以10个凸点的面积计算名义剪切强度。采用的测试设备是Dage 4000拉力剪切力试验机。
2.1.1 甩 胶
转速为2 000 r/min条件下,光刻胶旋涂厚度为14.3 μm(见图2a), 但晶圆边缘处光刻胶凝聚严重。凝聚现象产生的原因可用固体上旋转粘性液滴的理论[10](见图3)解释,在旋转速度较高时离心力大于毛细力,粘性液滴向外扩展,但在最后阶段毛细力促使液滴在边缘凝聚。光刻胶越厚,毛细力导致的凝聚就越高,因此旋涂厚胶时边缘会存在边缘凝聚现象。然而通过在底层涂覆很厚的同类型液滴可以很好地抑制这种现象[12]。本文通过4 000 r/min两次旋涂光刻胶,在直径100 mm的晶圆上获得光刻胶厚度为16.5 μm(见图2b), 但边缘光刻胶凝聚现象基本不可见。优化的第一次旋涂后前烘时间为3 min。
 | 图2 台阶仪对光刻胶厚度进行测试 |
 | 图3 旋转液滴铺展的不同阶段<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="b10-1000-0054-54-1-78">10</xref>]</sup> |
2.1.2 曝 光
曝光对于厚胶光刻是非常关键的。采用硬接触模式曝光,图形的精度较低,正方形的边角消失如图4a所示。而采用低真空模式曝光,图形的精度提高,正方形图像形貌改善如图4b所示。这是因为衍射效应[5]导致厚胶侧向曝光,光刻胶侧壁垂直度降低。而侧壁垂直度取决于最大衍射距离(见图4c中横向位置), 最大衍射距离与掩模版和光刻胶的接触距离成正比,而最大衍射距离产生的位置与曝光量有关,如图4c所示[5]。采用低真空模式曝光减小了掩模版和光刻胶的接触距离,从而降低了最大衍射距离,因此图形侧向曝光的距离减小,后烘之后图形边缘拱起较小,图形清晰度提高。
2.1.3 后 烘
采用热板加热进行后烘,无论硬接触曝光(见图4a)还是低真空曝光(见图4b)都会出现光刻胶的拱起。因为热板后烘是通过热传导的形式使水汽蒸发,热量是从底部向上部传播,底层水汽先逸出,顶层水汽后逸出。底层水汽一部分从图形区一侧逸出,使图形侧向收缩,另一部分底部水汽从上部逸出,因此光刻胶受到水平方向2个力和竖直方向1个力,受力分析图见图5a, 竖直方向的力使得光刻胶拱起。虽然烘箱后烘晶圆是整体加热,但同样受到如图5a中3个方向的力,因此后烘拱起现象依然存在(见图5c)。而甩干不存在此问题,光刻胶只受水平离心力,没有竖直方向的力,受力分析图如图5b所示。因此甩干可有效去除水汽的同时不出现光刻胶的拱起现象。但由于厚胶曝光过程中衍射现象一定存在,方形的直角处衍射更为严重,因此图形直角处存在圆角。这可通过涂覆甘油等改善表面质量以及将图形改为圆形来进一步提高精度。
综合观察刻蚀速度和形貌等发现: 采用质量分数为30%双氧水和铜氨溶液适合腐蚀TiW/Cu, 采用质量分数分别为30%的H2O2、 40%的HF和去离子水按照体积比为1∶1∶80配成的溶液和铜氨溶液适合腐蚀Ti/Cu。但腐蚀窄节距凸点的UBM时,局部区域易出现腐蚀不完全。由于湿法腐蚀具有各项同性的特性,通过增加腐蚀时间来去除腐蚀未完全的UBM, 会造成严重的侧向腐蚀而导致侧壁垂直度降低。IBE干法刻蚀具有各向异性的特性,可以解决刻蚀侧向腐蚀的问题。IBE刻蚀的铜凸点见图6,图6a表明非图形区的UBM已经完全去除,图6b表明侧向腐蚀很小。但IBE也存在工艺时间长的问题,刻蚀TiW和Ti速度较慢。通过探索刻蚀的离子能量、加速电压、离子束流等参数,刻蚀Cu速度达到40 nm/min, 刻蚀TiW速度为 0.3 nm/min, 刻蚀Ti的速度是 0.3 nm/min。
通过扫面电子显微镜(SEM)观察凸点表面(见图6a)和截面(见图6b), 测量凸点节距为20.3 μm, 高度为10.32 μm, 与设计尺寸相符。根据图6b显示的凸点尺寸参数可以得到侧壁的角度值为 83.95°, 基本接近垂直。这是因为图4c的厚胶光刻存在衍射效应造成光刻胶侧壁向内倾斜,电镀铜凸点就会出现向外倾斜。剪切测试后,凸点断裂面都发生在铜凸点内部(见图7a), 说明UBM粘附性非常好。经统计分析55列凸点的剪切测试结果,剪切力分布见图7b, 每列凸点的平均剪切力为 0.231 N, 标准差为0.018 9 N, 这表明晶圆上凸点机械强度分布均匀,一致性较好。计算名义剪切强度值为231.24 MPa, 与铜的体材料的剪切强度基本一致,说明本文中测试铜凸点强度的方法合理。
通过研究优化了节距为20 μm铜金属凸点的成型工艺。获得旋涂AZ4620厚胶的优化工艺,其中对于直径为100 mm及以下的晶圆,采用4 000 r/min两次甩胶可实现厚度为16 μm的超窄节距光刻图形。同时优化了光刻工艺中曝光方式、后烘及UBM刻蚀参数,最终制备了直径为10 μm、 高度为10 μm的铜凸点。通过凸点截面分析表征了凸点侧壁垂直度接近90°, 而剪切力测试和断口观察表明UBM粘附性较好,剪切力分布均匀并且平均名义剪切强度与体材料接近。
致谢 感谢清华大学微电子所陈禹吉在实验中给予的帮助; 同时感谢中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所加工平台在工艺上给予的支持。
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
|
| [4] |
|
| [5] |
|
| [6] |
|
| [7] |
|
| [8] |
|
| [9] |
|
| [10] |
|
| [11] |
|
| [12] |
|