LTCC基板上薄膜多層布線工藝技術(shù)

汪繼芳，劉善喜

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

MCM-C/D多芯片組件的最大特點(diǎn)是采用了多層互連LTCC上薄膜多層布線技術(shù)，可以充分利用LTCC布線層數(shù)多并可實(shí)現(xiàn)無源元件埋置于基板內(nèi)層、薄膜細(xì)線條等優(yōu)點(diǎn)，從而使芯片等元器件能夠在基板上更加有效地實(shí)現(xiàn)高密度的組裝互連。而多層布線工藝以它的集成度高、密度大、信號(hào)傳輸距離短、傳輸速度快、高頻特性好的優(yōu)勢(shì)能有效降低連線電阻，并可大大提高薄膜混合集成電路的可靠性而備受青睞。LTCC上薄膜多層布線與硅上薄膜多層布線、高純氧化鋁陶瓷上薄膜多層布線相比，在基板表面處理、基板與薄膜界面結(jié)合、基板性能與薄膜加工的兼容控制上均有較大不同，新工藝多，難度更大。試驗(yàn)表明，從MCM-C/D產(chǎn)品的集成密度提高、電學(xué)性能保證、體積重量減小、工藝水平控制等方面考慮，LTCC上薄膜多層互連技術(shù)都是極其重要的關(guān)鍵技術(shù)，必須重點(diǎn)突破其工藝難題，如導(dǎo)帶與通孔柱形成技術(shù)、通孔的接觸電阻及斷臺(tái)和介質(zhì)層質(zhì)量等問題，才能真正掌握LTCC上薄膜多層布線技術(shù)。

2 LTCC上薄膜多層布線技術(shù)

薄膜多層布線技術(shù)主要有LTCC基板－薄膜界面加工和互連技術(shù)、導(dǎo)帶及通孔形成技術(shù)、介質(zhì)膜加工技術(shù)等。

2.1 LTCC基板－薄膜界面加工和互連技術(shù)

為了在LTCC 基板上制作多層薄膜布線，共燒后的多層LTCC基板必須進(jìn)行表面平整化、致密化、潔凈化處理，并使其能兼容薄膜工藝，與淀積薄膜（金屬膜、介質(zhì)膜）有較高的結(jié)合強(qiáng)度。所以薄膜工藝加工之前，必須對(duì)燒結(jié)后的LTCC多層基板的表面進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光，使基板的表面粗糙度達(dá)到0.1 μ m以下。同時(shí)還要控制基板的表面缺陷密度及相應(yīng)的平整度，然后采用等離子技術(shù)，用Ar或N2等離子體對(duì)基板表面進(jìn)行清洗，使凈化的表面與薄膜層有較好的親合力，薄膜附著強(qiáng)度達(dá)到20MPa。機(jī)械拋光工藝采用亞微米拋光膏，其中要注意控制諸如所加壓力、加工臺(tái)面速度、基板旋轉(zhuǎn)速度、拋光膏濃度等工藝參數(shù)。

通常在結(jié)構(gòu)制作時(shí)，在LTCC基板－薄膜界面處制備出由金屬通孔連接的方形焊盤，作為L(zhǎng)TCC基板－薄膜互連介質(zhì)，以便實(shí)現(xiàn)后續(xù)的薄膜多層布線。

2.2 導(dǎo)體材料的選擇

薄膜多層布線結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)體材料主要用作布線（信號(hào)線、電源線、接地線）、通孔互連、元器件焊區(qū)等，對(duì)其主要要求有較高的導(dǎo)電率、與基板有較強(qiáng)的粘附性等等。常用導(dǎo)體材料主要性能（電阻率ρ、熱導(dǎo)率λ、熔點(diǎn)t）見表1。

表1 薄膜多層布線常用材料

從表1中可以看出，Au、AL、Cu的電阻率較低，都是良好的導(dǎo)體材料。但鋁布線不宜過長(zhǎng)，因?yàn)槠潆娮杪势?，熔點(diǎn)低，工藝操作中容易氧化。金是理想的導(dǎo)體，不氧化、不生銹、不遷移，不與介質(zhì)材料反應(yīng)，電導(dǎo)率高，可焊性好，但金的價(jià)格昂貴。Cu具有最高的導(dǎo)電率和高的導(dǎo)熱率，且加工便宜，易于加工，抗電遷移性好，但易氧化，必須鍍一層Ni作保護(hù)層。因此為了更好地滿足其要求，我們主導(dǎo)體層選Cu，采取復(fù)合金屬膜TiW/Au/Cu/Ni。

2.3 導(dǎo)帶及通孔柱形成技術(shù)

導(dǎo)體復(fù)合金屬膜TiW/Au/Cu/Ni采取的工藝是先濺射TiW/Au作為粘附層，再用瑞紅的負(fù)性光刻膠光刻出5 μ m厚的電鍍模具；然后電鍍5 μ m厚的Cu導(dǎo)帶，再光刻5 μ m厚的通孔電鍍模具，電鍍5 μm厚的Cu柱，再在其上鍍一層薄的Ni層，防止Cu氧化；再去除光刻膠，濕法刻蝕多余的粘附層。這樣導(dǎo)帶與通孔就形成了。

2.4 介質(zhì)膜加工技術(shù)

薄膜多層布線的實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)層的質(zhì)量是關(guān)鍵。介質(zhì)層的主要功能是作為多層布線的層間絕緣，我們選用聚酰亞胺作為介質(zhì)膜，是因?yàn)槠渚哂休^低的介電系數(shù)、較高的熱穩(wěn)定性，非常好的電絕緣性。

聚酰亞胺是一種液態(tài)高分子聚合物，它可以像光刻膠一樣采用旋涂的方法涂布在硅片表面上，本實(shí)驗(yàn)聚酰亞胺的旋涂速度為4000rpm/s，厚度為10μ m。采用熱板進(jìn)行固化處理，從而保證光刻過程不發(fā)生變形及線條平直。由于其后續(xù)工藝為濺射TiW/Au，所采用的工藝需抽真空，如果固化溫度低，聚酰亞胺中溶劑揮發(fā)不完全，在真空腔室中，殘余溶劑繼續(xù)揮發(fā)，導(dǎo)致金屬層褶皺。實(shí)驗(yàn)中熱處理分兩步，第一步為預(yù)亞胺化，第二步為亞胺化，其具體條件如表2。

表2 兩步熱處理具體條件

3 工藝流程及制作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

工藝研究中，采用了薄膜多層布線間金屬柱互連工藝，工藝流程如下：

（1）準(zhǔn)備多層LTCC基板，拋光并清洗干凈。

（2）在LTCC基板濺射粘附層（種子層）TiW/Au，然后涂敷光刻膠（厚度為5 μm），經(jīng)過曝光顯影形成導(dǎo)帶圖形，然后電鍍Cu導(dǎo)帶（厚度為5 μm）形成第一層互連層。

（3）再涂敷光刻膠（厚度為5 μm），經(jīng)過曝光顯影形成通孔圖形，然后電鍍Cu柱（厚度為5μm）形成第一層金屬柱。在Cu表面鍍一層Ni膜，以防止Cu被氧化或腐蝕，提高可靠性。

（4）去除光刻膠，用濕法刻蝕去除多余粘附層TiW/Au。

（5）旋涂聚酰亞胺，并使之固化，形成胺膜。

（6）對(duì)聚酰亞胺表面進(jìn)行機(jī)械拋光，使之平整，并露出Cu表面，以便與下一層布線互連。

（7）重復(fù)步驟（2）至（6），即可得出金屬柱互連的薄膜多層布線結(jié)構(gòu)。

工藝流程如圖1所示。

3.2 工藝制作要點(diǎn)

經(jīng)過不斷工藝摸索，經(jīng)優(yōu)化后的工藝參數(shù)如表3。

4 常見的問題及解決方法

4.1 介質(zhì)膜“龜裂”

在聚酰胺酸溶液從樹脂到聚酰亞胺介質(zhì)膜的形成過程中經(jīng)常出現(xiàn)“龜裂”的現(xiàn)象。聚酰胺酸溶液在環(huán)化過程中，亞胺化充分，形成的介質(zhì)膜分子結(jié)構(gòu)應(yīng)該是完整的鏈狀。如果出現(xiàn)斷鏈狀分子結(jié)構(gòu)，介質(zhì)膜內(nèi)應(yīng)力不均勻，便會(huì)導(dǎo)致“龜裂”。它不僅影響介質(zhì)層與基板、金屬層的粘附性，而且嚴(yán)重影響介質(zhì)層的絕緣電阻，使許多布線電路中層與層的金屬導(dǎo)帶短路，失去介電作用。

產(chǎn)生“龜裂”主要是因?yàn)閬啺坊粡氐?。亞胺化的過程，就是聚酰胺酸溶液受熱使溶劑揮發(fā)、固化，轉(zhuǎn)變?yōu)閬啺纺さ倪^程。合理地固化和控制工藝過程中的吸潮程度，是保證介質(zhì)膜具有良好亞膜結(jié)構(gòu)和可靠性的關(guān)鍵。試驗(yàn)證明，如果亞胺化起始溫度低，時(shí)間短，聚酰亞胺中的溶劑與水分不能充分揮發(fā)，就不能形成機(jī)械強(qiáng)度良好的亞胺膜。而亞胺化的起始溫度高，時(shí)間長(zhǎng)或短，都會(huì)使聚酰亞胺膜層表面的溶劑及水分迅速揮發(fā)而首先亞胺化，這種表面首先亞胺化的膜層，阻礙了層內(nèi)溶劑及水分的揮發(fā)，其結(jié)果不僅造成介質(zhì)層基軟，影響金屬的附著力，經(jīng)高溫處理后，就會(huì)因膜內(nèi)溶劑和水分急劇汽化，膨脹而產(chǎn)生“龜裂”或金屬起泡，從而失去介質(zhì)作用并降低金屬的附著力。所以亞胺化的過程中階梯升溫是非常必要的。

4.2 通孔接觸電阻大、斷路

通孔是連接各層導(dǎo)帶的通道，其連接情況是影響多層互連及MCM可靠性的關(guān)鍵之一。對(duì)通孔的要求是接觸電阻小，無斷路等。簡(jiǎn)單工藝是在聚酰亞胺膜上刻蝕通孔圖形，然后蒸發(fā)導(dǎo)體層，在形成布線導(dǎo)體層的同時(shí)也完成了通孔金屬化。這種工藝簡(jiǎn)單易行，但會(huì)出現(xiàn)通孔接觸電阻大、通孔處導(dǎo)帶斷路的現(xiàn)象。接觸電阻大主要有材料問題、介質(zhì)層厚度與金屬導(dǎo)帶的厚度差問題、刻蝕不干凈，通孔內(nèi)容易殘留底膜等原因。而斷臺(tái)是因?yàn)閷?dǎo)帶厚度與介質(zhì)膜厚度相等或小于介質(zhì)膜厚度時(shí)，在通孔圖形邊沿的棱角處接觸很小或者斷裂。其斷路示意圖如圖2。

經(jīng)過工藝比較，我們采用電鍍通孔柱的工藝，即先光刻出通孔的電鍍模具，然后選擇性鍍Cu，形成金屬柱，然后涂敷介質(zhì)膜，固化，經(jīng)機(jī)械拋光露出通孔柱頂，以便與上一層導(dǎo)帶互連。這種工藝可靠性高，金屬柱還可用于散熱通道，對(duì)于高密度布線工藝是非常有利的。

4.3 腐蝕種子層時(shí)對(duì)導(dǎo)帶的保護(hù)

在工藝試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)用碘和碘化鉀混合溶液腐蝕多余種子層Au時(shí)，Cu導(dǎo)帶及Cu通孔柱都受到很大程度的破壞，且顏色發(fā)黑，所以在漂種子層時(shí)我們采用正性光刻膠光刻導(dǎo)帶的反版，作為腐蝕時(shí)的保護(hù)層，這樣Cu導(dǎo)帶及Cu通孔柱就不會(huì)被破壞。

4.4 電鍍前的基片處理

Cu導(dǎo)帶具有很高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，加工成本低且易于加工，抗電遷移性好，但是缺點(diǎn)是容易氧化，Cu導(dǎo)帶暴露在空氣當(dāng)中很快會(huì)氧化，所以在電鍍Cu柱之前采用稀硫酸漂CuO，以露出Cu導(dǎo)帶界面。

5 結(jié)束語

通過LTCC基板－薄膜界面加工和互連技術(shù)、導(dǎo)帶及通孔形成技術(shù)、介質(zhì)膜加工技術(shù)的研究，解決了在LTCC基板上薄膜多層布線制作中的工藝難題，開發(fā)出一套LTCC基板上薄膜多層布線的工藝技術(shù)。該技術(shù)已用于單位科研生產(chǎn)項(xiàng)目6層布線產(chǎn)品的研制。

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