摘要：為提高高密度薄膜多層布線基板的BCB通孔質(zhì)量，提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法，利用激光掃描共聚焦顯微鏡和掃描電鏡，對間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影和傳統(tǒng)浸沒顯影的BCB通孔顯微形貌和微觀結(jié)構(gòu)進行了對比分析，同時，用掃描電鏡和四探針測試儀，對間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的BCB通孔導通電阻及通孔互連剖面進行了研究。結(jié)果表明：間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影與傳統(tǒng)浸沒顯影相比，50和20μm通孔內(nèi)部顯影充分，通孔輪廓邊緣光滑；通孔內(nèi)部基本沒有雜質(zhì)富集，無BCB膠底膜殘存。不同位置區(qū)域?qū)ν讓娮栌绊戄^小，50和20μm通孔導通電阻平均偏差均小于1 mΩ；而不同的顯影時間和噴淋壓力對通孔導通電阻影響較大，當顯影時間為65～90 s，或當噴淋壓力為5～20 MPa時，50μm通孔導通電阻均下降至10 mΩ，20μm通孔導通電阻均下降至40 mΩ；50和20μm通孔臺階覆蓋良好。采用此顯影方法制作出高密度薄膜多層布線基板實物，互連導通率均達到 100%。
關鍵詞：BCB；高密度薄膜多層布線基板；顯影；形貌；通孔互連；導通電阻
中圖分類號：TN305.7 文獻標志碼：A
BCB（Benzocyclobutene）以其低介電常數(shù)、低介電損耗、低吸水率、高熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性以及高薄膜平整度和低固化溫度等優(yōu)良性能，已廣泛應用于高級微電子領域[1-3]，包括多層布線、應力緩沖/鈍化層、GaAs介質(zhì)內(nèi)層、高頻器件、濾波器、MEMS以及生物芯片等[4-10]。特別是在多層布線應用中，BCB介質(zhì)常被用作為高密度薄膜多層布線基板的層間絕緣介質(zhì)材料，其介質(zhì)通孔互連的導通性能直接影響著信號的高速傳輸，因此，BCB通孔光刻成為該基板制造的關鍵，可利用其光敏特性實現(xiàn) BCB 通孔制作。
傳統(tǒng)浸沒顯影方式進BCB通孔顯影， 容易導致通孔的高阻連接甚至互連斷路問題，特別是高深寬比的通孔顯影，造成信號斷路的幾率越來越大，為此，必須使用高昂的等離子刻蝕設備，采用O2/C2F6、O2/SF6等特殊氣體進行BCB去底膜工藝[11]，造成了基板制造過程中工藝周期增加，工藝復雜程度提高，甚至制造成本的大幅上升?；诖耍疚奶岢鲆环N高密度薄膜多層布線基板的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法，可滿足高密度、微小孔徑的BCB通孔顯影。并通過研究間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影對BCB的通孔形貌、微觀結(jié)構(gòu)、導通電阻以及通孔互連剖面的影響，形成形貌良好的BCB通孔及通孔互連圖形，實現(xiàn)BCB通孔的低阻性互連，滿足高密度薄膜多層布線基板高可靠應用。
1.間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方法
間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影示意圖如圖 1 所示， 間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方法是顯影噴嘴按照一定噴淋壓力將顯影液噴淋到基板上，借助顯影液的表面張力使其均勻鋪展在基板表面， 停止噴淋，利用離心力以正向和反向交替低速旋轉(zhuǎn)方式進行顯影，大大提高顯影均勻性；一定工藝時間后，顯影噴頭再次噴淋新的顯影液，并沖走舊的顯影液，避免了舊顯影液的重復污染；繼續(xù)顯影，重復幾次直到顯影結(jié)束。然后自動切換噴嘴，噴淋定影液進行定影，一定工藝時間后基板高速旋轉(zhuǎn)并氮氣吹干。其中噴淋壓力、噴嘴角度、轉(zhuǎn)速、顯影液溫度可調(diào)節(jié)。
圖1 間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影示意圖
2.實驗
本文采用 Cyclotene 4026-46系列光敏BCB介質(zhì)作為絕緣介質(zhì)層材料，顯影液為DS3000，襯底材料為50 mm×50 mm 的Al2O3陶瓷基板，第1、第2層的薄膜布線層采用0.15 μm/1μm/0.15μm的Cr/Cu/Cr 復合薄膜。光敏BCB通孔互連制作流程如圖2所示 。 首先在Al2O3 陶瓷基板表面制作Cr/Cu/Cr第1層薄膜布線，旋涂增粘劑和BCB 膠，轉(zhuǎn)速均為3000 r/min，30 s，膜厚約為10μm，進行預烘、曝光、顯影前烘工藝，分別采用傳統(tǒng)浸沒顯影方式和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式進行通孔顯影，傳統(tǒng)浸沒顯影方式為直接將Al2O3陶瓷基板置于 DS3000 顯影液中顯影，顯影溫度為40℃，然后置于室溫下 DS3000中浸沒定影，氮氣吹干；而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影可一次性完成顯影、定影和氮氣吹干步驟，顯影溫度為40℃，設置噴嘴角度為70°（此時噴液量可 100%覆蓋 Al2O3 陶瓷基板，有利于顯影均勻性）， 轉(zhuǎn)速為50 r/min，噴淋壓力0～20 MPa，兩種顯影方式的顯影終端時間均為50 s，顯影時間均為60～100s，即過顯百分比均為10%～100%，對BCB通孔進行顯微形貌觀察與分析；然后置于210℃氮氣氣氛中固化40 min ，在固化后BCB介質(zhì)層上制作Cr/Cu/Cr 第2層薄膜布線（可重復如上操作），形成層間通孔互連，此時對層間通孔互連結(jié)構(gòu)進行通孔導通性能分析。
采用OLS4100激光掃描共聚焦顯微鏡觀察BCB介質(zhì)通孔表面及三維形貌，測量通孔內(nèi)臺階高度，并觀察層間通孔互連的剖面形貌。采用VERSA 3D掃描電鏡觀察通孔微觀形貌， EDS 分析通孔微區(qū)成分； 采用Model-120四探針測試儀測量Kelvin結(jié)構(gòu)的通孔導通情況。Kelvin結(jié)構(gòu)包含帶通孔的兩層互連測試結(jié)構(gòu)，以及無通孔的與測試結(jié)構(gòu)布線長度相同的單層薄膜布線參考結(jié)構(gòu)。其通孔導通電阻為兩者電阻差，除以相差的通孔個數(shù)。
圖 2 光敏 BCB 通孔互連樣品制備流程圖
3.結(jié)果與討論
3.1BCB 通孔顯微形貌對比分析
BCB 通孔形貌與 BCB 通孔顯影質(zhì)量密切相關。通常 BCB 通孔孔徑（通孔孔徑≤ 20 μm）越小越難顯影[12]，這是由于通孔孔徑越小、深寬比越大時，衍射效應越明顯， 圖形畸變程度越嚴重，不利于通孔光刻。為考察間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影效果及能力，對比分析傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影在孔徑為 20 和 50 μm 時 BCB 通孔顯微形貌，考察其間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影質(zhì)量。
在顯影時間均為75s，過顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力10 MPa 時，研究傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式下20和50μm 通孔光學形貌，結(jié)果如圖 3 所示。從圖 3(a)和(c)可以看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下，50μm 通孔輪廓邊緣光滑，通孔內(nèi)部呈現(xiàn)“彩色干涉環(huán)”，20μm通孔輪廓收縮變形，通孔內(nèi)部完全被底膜覆蓋。由圖3(b)和(d)可以看出，當間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的噴淋壓力為10 MPa時，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮，均未見BCB膠底膜殘留，僅在環(huán)形邊緣位置可見少量側(cè)墻底膜。這是因為傳統(tǒng)浸沒顯影受到顯影深度效應影響，顯影劑分子的擴散速度逐漸降低，顯影液在微小通孔內(nèi)傳質(zhì)困難，顯影速率小，而由于不受到噴淋壓力的作用，使得顯影液中溶解產(chǎn)物易重新帶入通孔內(nèi)部，從而在微小通孔內(nèi)產(chǎn)生BCB膠底膜。而通過施加噴淋壓力，沖洗掉溶解在顯影液中的 BCB 膠底膜，增加通孔內(nèi)顯影速率， 顯著降低并清除通孔內(nèi)部BCB膜底膜，提高了通孔顯影均勻性。
圖 3 不同顯影方式 20 和 50 μm 通孔的光學形貌圖片
圖 4 為在顯影時間均為75 s，過顯百分比均為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為10 MPa 時，不同顯影方式20和50μm的通孔三維形貌及截面處通孔臺階曲線。從圖 4 (a)和(c) 可看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下，50μm 通孔側(cè)壁較陡直，通孔側(cè)壁處被大面積環(huán)形BCB膠底膜覆蓋，通孔底部中心到膜層表面臺階高度為12.341μm，20μm通孔側(cè)壁及中心完全被BCB膠底膜覆蓋，其臺階高度為11.219 μm。由圖 4(b)和(d)可以看出，當間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影噴淋壓力為 10 MPa 時，50和20μm 通孔側(cè)壁陡直，通孔側(cè)墻覆蓋面小，其通孔底部中心到膜層表面臺階高度分別為12.361 和 11.970 μm，與圖 4 (a)和(c) 臺階高度相差分別為 0.02 和 0.751 μm，即為 BCB 膠底膜厚度。這是因為受膜厚影響， 前烘易引起 BCB 膠底部到表面的有機溶劑揮發(fā)速度差，造成殘留的有機溶劑濃度在深度方向存在梯度[13-14]，從而造成底部到表面BCB 的熱交聯(lián)程度不同，產(chǎn)生“側(cè)墻效應”，使得通孔底部中心以及側(cè)壁處易產(chǎn)生表面噪聲、出現(xiàn)底膜，而當通孔孔徑較小時，使殘留的底膜從側(cè)壁向底部中心延伸，直至通孔內(nèi)部完全被覆蓋。而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式利用 10 MPa 的高壓噴淋顯影，加快新鮮顯影液傳送到通孔側(cè)壁和溶解產(chǎn)物排出的速度，降低“側(cè)墻效應”對微小通孔內(nèi)側(cè)壁與通孔底部顯影差異性的影響。
圖 4 不同顯影方式 20 和 50 μm 通孔三維形貌及臺階曲線，
3.2.BCB通孔微觀結(jié)構(gòu)對比分析
進一步對比分析傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影過程中通孔的微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分，對其進行 SEM 觀察和 EDS 分析。圖5、圖6為在顯影時間為75 s，過顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為 10 MPa 時，不同顯影方式下20和50μm 的通孔 SEM照片及EDS 譜圖。從圖 5 (a)和(c)可以看出， 傳統(tǒng)浸沒顯影的50μm 通孔內(nèi)部有明顯片狀殘膠殘留，通孔內(nèi)部微區(qū)表面含碳、氧、硅、鉻和銅成分，其中鉻和銅為基板-薄膜界面 Cr/Cu/Cr 復合薄膜層中所含元素，這表明通孔內(nèi)部存在少量BCB膠底膜；由圖5 (b) 和(d)可以看出，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的 50μm通孔內(nèi)部邊界清晰，內(nèi)部基本沒有雜質(zhì)富集。通孔內(nèi)部微區(qū)表面含鉻和銅成分，未見BCB組成成分；從圖 6 (a)和(c)可以看出， 傳統(tǒng)浸沒顯影的20μm 通孔輪廓收縮變形，通孔內(nèi)部微區(qū)表面含碳、氧、硅成分，而碳、氧、硅為BCB主要組成元素，表明通孔內(nèi)部已基本被BCB膠底膜覆蓋；由圖6 (b)和(d)可以看出，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的 20 μm 通孔內(nèi)部邊界清晰，通孔內(nèi)部微區(qū)表面含鉻和銅成分，未見BCB組成成分。這表明與傳統(tǒng)浸沒顯影相比，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的通孔內(nèi)部基本無 BCB 膠底膜，可滿足孔徑為50和 20 μm 的BCB微小通孔顯影。
圖 5 50μm通孔的SEM照片及EDS 譜
圖 6 20μm通孔的SEM照片及EDS譜
3.3層間通孔導通電阻分析
采用間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式形成高密度BCB微小通孔后，需要對其進行基板層間通孔互連工藝研究，考察其間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式對層間互連導通性能的影響。
在顯影時間為75 s，過顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為 10 MPa 時，分別選取基板上、下、左、右、中不同位置，不同顯影方式下使用四探針測試儀測量Kelvin 結(jié)構(gòu)20和50μm 的通孔導通情況，各5組， 并通過測試結(jié)構(gòu)及參考結(jié)構(gòu)計算得到通孔導通電阻平均值。不同位置處通孔導通電阻平均值結(jié)果如表 1 所示。
表 1 不同位置區(qū)域的通孔導通電阻測試結(jié)果
由表1可看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下， 20μm 通孔導通電阻阻值無窮大，50μm 通孔導通電阻差異性較大，其通孔導通電阻平均偏差大于15 mΩ ，不利于微小通孔互連， 后續(xù)將不作對比分析；而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式下，20和50μm 通孔不同位置處通孔導通電阻差異性均較小，其通孔導通電阻平均偏差均小1 mΩ ，說明間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影可大大降低不同位置處顯影差異，通孔導通電阻一致性好，有利于高密度薄膜多層布線基板的通孔互連。
圖7為在顯影時間75 s，噴淋壓力10MPa時，不同過顯百分比對通孔導通電阻變化情況。采用 Kelvin 結(jié)構(gòu)分別測量孔徑為20和50μm 的通孔導通電阻。從圖7可看出，在過顯百分比 10%～100%時，50μm 通孔導通電阻隨過顯百分比的增加呈先下降后基本保持穩(wěn)定，在過顯百分比為 30%～ 80%時，即顯影時間為 65s～90s 時，通孔導通電阻較低，且阻值保持穩(wěn)定，維持在10mΩ 以下。20 μm 通孔導通電阻隨過顯百分比的增加呈先下降后上升趨勢，在過顯百分比為40%～60%時，通孔導通電阻較低，約為 35 mΩ，且阻值保持穩(wěn)定。這說明間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影有利于通孔導通電阻阻值的顯著下降，顯影寬容度較大，有利于降低顯影的高敏感性和低重復性。
圖 7 不同過顯百分比的50和20μm 通孔導通電阻變化
圖 8 為在顯影時間為 75 s，過顯百分比為50%時，不同噴淋壓力對通孔導通電阻變化情況。采用Kelvin結(jié)構(gòu)分別測量孔徑為20和50μm的通孔導通電阻。從圖8可看出，當噴淋壓力為0 MPa時，即類似于傳統(tǒng)浸沒顯影50μm 通孔導通電阻阻值達到40mΩ 以上，當噴淋壓力在5～20 MPa 時，隨著噴淋壓力的增加，通孔導通電阻迅速降低，阻值維持在 10 mΩ 以下；而對于20μm通孔而言，當噴淋壓力為 0 MPa 時，通孔導通電阻阻值無窮大，即層間互連斷路，當噴淋壓力在5～20 MPa時，隨著噴淋壓力的增加，通孔導通電阻迅速降低，阻值維持在40mΩ 以下。這表明噴淋壓力為0 MPa 時不利于微小通孔的顯影，增加噴淋壓力可以進一步消除 BCB 膠體內(nèi)部高密度平衡態(tài)和低密度非平衡態(tài)的溶解差異，逐步達到溶解一致，因此，當噴淋壓力增加到一定壓力時， 通孔導通電阻保持穩(wěn)定。
圖 8 不同噴淋壓力的 50 和 20 μm 通孔導通電阻變化
3.4.層間通孔互連剖面分析
進一步分析間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式對層間通孔互連剖面形貌的影響。圖9為50和
20 μm通孔互連剖面顯微照片。由圖9可知， 通孔為50μm時，通孔周圍的上下層布線呈“淺碟形”結(jié)構(gòu)，通孔臺階覆蓋良好，通孔底部互連良好；通孔為20μm時，通孔周圍的上下層布線呈“U”形結(jié)構(gòu)，通孔臺階覆蓋良好，通孔底部互連良好。這是由于受膜厚的影響，高深寬比的微小通孔容易造成通孔底部吸收減弱和光反射損失[15]，使得通孔側(cè)壁上邊緣交聯(lián)程度大于側(cè)壁下邊緣交聯(lián)程度，且隨著通孔孔徑越小，此趨勢越明顯。由此可見，采用間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式有利于層間微小通孔互連。
圖 9 50 μm（a）和 20 μm（b）通孔互連剖面顯微圖片
4.結(jié)論
本文提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法，制作出4塊50μm 通孔的高密度 BCB/Cu 薄膜多層布線基板，并對基板內(nèi)部所有網(wǎng)絡互連線進行測試，互連導通率均達到 100%（規(guī)定導通網(wǎng)絡阻值≤50mΩ），且無互連網(wǎng)絡之間短路（規(guī)定網(wǎng)絡之間阻值≥20 MΩ）。
1）從通孔形貌來看，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影在噴淋壓力為 0 MPa 時，顯影不充分，50和 20μm 通孔內(nèi)部存在 BCB 膠底膜；當噴淋壓力為10 MPa 時，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，側(cè)壁陡直，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮，均未見 BCB 膠底膜殘留。
2）通過通孔微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析，20和50μm通孔內(nèi)部邊界清晰，內(nèi)部基本沒有雜質(zhì)富集，且通孔內(nèi)部中心微區(qū)表面主要含鉻和銅成分，表明通孔內(nèi)部中心無 BCB 膠底膜殘留，底部為基板-薄膜界面 Cr/Cu/Cr 復合薄膜層。
3）從層間通孔導通電阻分析來看，采用 Kelvin 結(jié)構(gòu)時，50 和 20 μm 通孔在滿足一定的過顯百分比時，通孔導通電阻下降最快，且阻值保持穩(wěn)定，顯影寬容度大；在噴淋壓力 5～20 MPa 時，通孔導通電阻迅速降低，此時電阻最小，且阻值保持穩(wěn)定。
4）通過層間通孔互連剖面分析，50 和20 μm 通孔臺階覆蓋良好，通孔底部互連良好。
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