共讀好書

田苗，劉民，林子涵，付學成，程秀蘭，吳林晟

(上海交通大學 a.電子信息與電氣工程學院先進電子材料與器件平臺；b.射頻異質(zhì)異構(gòu)集成全國重點實驗室)

摘要：

以硅通孔（TSV）為核心的 2.5D/3D 封裝技術(shù)可以實現(xiàn)芯片之間的高速、低功耗和高帶寬的信號傳輸。常見的垂直 TSV 的制造工藝復雜，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。在相對易于實現(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 10~40 μm、孔口為喇叭形的錐形 TSV。通過濺射膜層和銅電鍍填充，成功實現(xiàn)了直徑為 15 μm、深度為 60 μm 的錐形 TSV 的連續(xù)膜層沉積和完全填充，驗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域提供了一種新的 TSV 制備工藝，在降低成本的同時提高了 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)展相對滯后，逐漸成為制約半導體技術(shù)進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，實現(xiàn)了芯片之間的立體互聯(lián)，被認為是未來高密度封裝領域的主導技術(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、降低了信號傳輸延時和功耗、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)刻蝕過程會造成側(cè)壁呈扇貝狀，導致后續(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，難以實現(xiàn)良好的階梯覆蓋。膜層沉積時往往只能在 TSV 開口處形成較厚的膜層，而在 TSV 較深處的側(cè)壁和底部很難進行沉積。這種厚度差異會影響 TSV 的電鍍填充效果，導致孔口過度填充，孔底出現(xiàn)空缺 [1] 。同時，由于電鍍液中的 Cu 2+ 在 TSV 開口處補充的速率遠高于 TSV孔深處補充的速率，從而加劇了孔口和孔底部的沉積速率的不一致，進一步導致了填充缺陷的產(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+ 在孔深處的快速補充，從而提高孔內(nèi)部的電鍍填充效率。因此，通過同時改善膜層質(zhì)量和離子通道，錐形TSV可以改進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力。這意味著TSV底部的應力集中程度較低，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封裝的機械可靠性 [3] 。另外，對圓柱形和具有不同錐形角度的錐形TSV的功率損耗進行比較研究，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 低溫反應離子刻蝕（RIE）法。改良的 BOSCH 工藝是在傳統(tǒng)的 BOSCH 工藝的基礎上，通過調(diào)整脈沖時間，增加刻蝕脈沖時間，減少鈍化時間，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)壁上形成保護層，從而增加刻蝕的方向性 [8] 。低溫可以增加對氧化硅掩膜的刻蝕選擇比，降低反應產(chǎn)物 SiF 4 的揮發(fā)性，從而增強鈍化效果，增加各向異性 [9] 。SF 6 /O 2 低溫 RIE 法可以實現(xiàn)小于 85°且可控的傾斜角并得到較大的深寬比，擴大了 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，如在掩膜與晶圓交界處容易形成側(cè)掏尖角，導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險[11] 。另外，低溫 RIE 通常要求極低的溫度（-40~ -100 ℃），使得大部分刻蝕機難以實現(xiàn) [10] 。

因此，改良的 BOSCH 工藝和低溫 RIE 法都有一定的局限性，不能適應大多數(shù)應用場景。為了解決這個問題，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，通過研究錐形 TSV 中的膜層厚度和電鍍填充深度驗證了所得到的錐形 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 反應離子刻蝕機中進行的。在這個刻蝕過程中，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。

腔室壓力會影響反應離子的平均自由程，進而影響到各向異性。腔室壓力的減小會產(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，反應離子的平均自由程減小，離子偏轉(zhuǎn)嚴重，會導致側(cè)掏現(xiàn)象。側(cè)掏會在掩膜下方形成側(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 原子的吸附導致鈍化，而 F 原子的吸附導致硅刻蝕。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 原子的吸附導致的刻蝕，從而導致負錐度，孔形下大上小，同時側(cè)掏現(xiàn)象嚴重。當 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，形成正錐形深孔。

溫度對各向異性和側(cè)掏均有影響。溫度降低，可降低反應產(chǎn)物 SiF 4 的揮發(fā)性，生成鈍化層，增強鈍化效果。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，這樣的極低溫對于大多數(shù)刻蝕機來說是很難實現(xiàn)的。為了找到更易于實現(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 截面的光學顯微鏡圖。經(jīng)過 20 min 刻蝕，孔徑為 20 μm的孔深度達到了 67 μm。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)直徑最大處達到了 30 μm，但是由于側(cè)掏尖角的存在，開口處孔徑依然較小，為 23 μm。

為了消除側(cè)掏尖角，改善孔的形狀，在去除掩膜層后進行第二步各向同性刻蝕。刻蝕參數(shù)設置為：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，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 截面的光學顯微鏡圖。明顯可以看到側(cè)掏尖角已被去除。同時，孔底直徑幾乎沒有變化，但是孔上部擴大，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）后不同設計直徑（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，并與設計直徑進行了比較。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計直徑偏大。這是因為在相同的刻蝕條件下，刻蝕氣體更容易進入大尺寸孔內(nèi)，因此對于孔底及側(cè)壁的刻蝕會更快。相反，對于小尺寸的孔徑，刻蝕氣體難以進入，因此刻蝕速率相對較慢。這與深硅刻蝕中與深寬比相關的負載效應（ARDE）相一致。

圖 3(a)中可以看到，孔口直徑均比孔底直徑大 14~19 μm，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），計算得到孔壁的錐形角度（θ），即

圖 3 (b)中黑色的點線為通過孔深、孔口和孔底直徑計算得到的錐形角度。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)中紅色和藍色線分別畫出了孔口和孔底的錐形角度?？梢钥吹?，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。這是因為，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，對于小尺寸的孔徑來說，相同時間的刻蝕會導致其孔口直徑增加的比例更大，這也就意味著孔口處會更加傾斜。而當孔徑繼續(xù)增大，這一影響逐漸減小，導致孔徑 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致的封裝器件產(chǎn)品性能下降甚至失效，一般使用化學穩(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 2 μm SiO 2 、50 nm Ta 和 800 nm Cu。在 Oxford 電感耦合等離子體化學氣相沉積（PECVD）設備中沉積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，時間為 1 200 s。

圖 4 對比了一步刻蝕和兩步刻蝕后得到的 20 μm 直徑，65 μm 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)為不導電導致的高亮區(qū)域?？梢栽趫D 4 (a)和圖 4 (b)中看到，ICP-化學氣相沉積（CVD）沉積 SiO 2 的過程中會在孔口的側(cè)掏尖角位置沉積更多的 SiO 2 ，使尖角更加突出，這會進一步惡化后續(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其導致的孔形變化。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。

為了進一步確認孔底金屬的分布情況，對孔底部拐角處和孔口位置進行了能量色散 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)量分數(shù)（w O 、w Si 、w Ta 和 w Cu ）。EDX 測試中電子束的穿透深度為 1~2 μm。因此，在孔口，當金屬膜層較厚時，EDX 主要收集到金屬膜層的信號。在孔底，當金屬膜層較薄時，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)量分數(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)量分數(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)量分數(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)量分數(shù)上升至 3.15%和 1.07%?？梢?，兩步刻蝕去除側(cè)掏尖角對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，其厚度和連續(xù)性對電鍍填充的質(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，就會導致孔底缺陷，如空洞、針孔、短路等[14] 。要確定膜層對填充的真實影響，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 的電流密度進行預電鍍，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 ，進行正式填充電鍍。不同直徑的 TSV 需要不同的電鍍時間才能達到完全填充。如，10 μm 和 30 μm 直徑的 TSV分別需要 6 h 和 10 h 的填充時間。

圖 5 為直徑 15 μm 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)為一個通過 BOSCH 工藝刻蝕的直徑為 15 μm、深度為 100 μm 的垂直 TSV 的電鍍填充效果。填充深度大約為 30 μm。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 40 μm。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，電鍍填充深度進一步增加，使得深度為 60 μm 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)的導電情況；另外，較大的孔口也讓鍍液中的銅離子更容易擴散到孔內(nèi)并發(fā)生還原反應。

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致該區(qū)域出現(xiàn)電流泄漏和信號丟失。阻擋層的斷裂會導致銅向硅基底的擴散。種子層的斷裂會影響填充效果。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 在相對常溫下形成錐形TSV，然后進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 10~40 μm 的孔中實現(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。本文還驗證了錐形側(cè)壁對薄膜連續(xù)性和 TSV 填充質(zhì)量的影響，并在孔徑 15 μm，孔深 60 μm 的 TSV 中實現(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用潛力，對半導體產(chǎn)業(yè)鏈和科研領域都具有重要意義。

審核編輯 黃宇