一種高密度薄膜多層布線基板BCB通孔制作技術

丁 蕾，陳 靖，羅 燕，王立春

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

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)浸沒顯影方式進行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.基于此，本文提出一種高密度薄膜多層布線基板的間歇旋轉噴淋顯影新方法，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噴淋顯影對BCB的通孔形貌、微觀結構、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 間歇旋轉噴淋顯影方法

間歇旋轉噴淋顯影示意圖如圖1所示，間歇旋轉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并氮氣吹干.其中噴淋壓力、噴嘴角度、轉速、顯影液溫度可調(diào)節(jié).

圖1 間歇旋轉噴淋顯影示意圖

Fig.1 Schematic diagram of intermittent rotary spray development

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/1 μm/0.15 μm的Cr/Cu/Cr復合薄膜.光敏BCB通孔互連制作流程如圖2所示.

圖2 光敏BCB通孔互連樣品制備流程圖

Fig.2 Schematic of process for photosensitive BCB via interconnection

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，轉速均為3 000 r/min，30 s，膜厚約10 μm，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噴淋顯影方式進行通孔顯影，傳統(tǒng)浸沒顯影方式是直接將Al2O3陶瓷基板置于DS3000顯影液中顯影，顯影溫度40 ℃，然后置于室溫下DS3000中浸沒定影，氮氣吹干；而間歇旋轉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)，轉速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60～100 s，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構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結構的通孔導通情況.Kelvin結構包含帶通孔的兩層互連測試結構，以及無通孔的與測試結構布線長度相同的單層薄膜布線參考結構.其通孔導通電阻為兩者電阻差，除以相差的通孔個數(shù).

3 結果與討論

3.1 BCB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，考察其間歇旋轉噴淋顯影質(zhì)量.

在顯影時間均為75 s，過顯百分比為50%，間歇旋轉噴淋壓力10 MPa時，研究傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉噴淋顯影方式下20和50 μm通孔光學形貌，結果如圖3所示.從圖3(a)和(c)可以看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下，50 μm通孔輪廓邊緣光滑，通孔內(nèi)部呈現(xiàn)“彩色干涉環(huán)”，20 μm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，當間歇旋轉噴淋顯影的噴淋壓力為10 MPa時，50和20 μm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

Fig.3 Optical micrograph of 20 microns and 50 microns vias of different development modes：(a) 50 μm, traditional immersion development；(b)50 μm, intermittent rotary spray development；(c) 20 μm, traditional immersion development；(d)20 μm, intermittent rotary spray development

圖4為在顯影時間均為75 s，過顯百分比均為50%，間歇旋轉噴淋壓力為10 MPa時，不同顯影方式20和50 μm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，50 μm通孔側壁較陡直，通孔側壁處被大面積環(huán)形BCB膠底膜覆蓋，通孔底部中心到膜層表面臺階高度為12.341 μm，20 μm通孔側壁及中心完全被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，當間歇旋轉噴淋顯影噴淋壓力為10 MPa時，50和20 μm通孔側壁陡直，通孔側墻覆蓋面小，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B(yǎng)CB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“側墻效應”，使得通孔底部中心以及側壁處易產(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壁和溶解產(chǎn)物排出的速度，降低“側墻效應”對微小通孔內(nèi)側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

Fig.4 Three-dimensional shape and step curves of 20 microns and 50 microns vias of different development modes: (a) 50 μm,traditional immersion development; (b)50 μm, intermittent rotary spray development; (c) 20 μm, traditional immersion development; (d)20 μm, intermittent rotary spray development

3.2 BCB通孔微觀結構對比分析

進一步對比分析傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉噴淋顯影過程中通孔的微觀結構和微區(qū)成分，對其進行SEM觀察和EDS分析.圖5、圖6 是在顯影時間為75 s，過顯百分比為50%，間歇旋轉噴淋壓力為10 MPa時，不同顯影方式下20和50 μm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50 μm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，間歇旋轉噴淋顯影的50 μm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20 μm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 50 μm通孔的SEM照片及EDS譜圖

Fig.5 SEM photo and EDS patterns of 50 microns vias: (a)traditional immersion development，SEM photo; (b)intermittent rotary spray development, SEM photo; (c) traditional immersion development, EDS pattern; (d)intermittent rotary spray development, EDS pattern

圖6 20 μm通孔的SEM照片及EDS譜圖

Fig.6 SEM photo and EDS patterns of 20 microns vias: (a)traditional immersion development, SEM photo; (b)intermittent rotary spray development, SEM photo; (c) traditional immersion development, EDS pattern; (d)intermittent rotary spray development, EDS pattern

3.3 層間通孔導通電阻分析

采用間歇旋轉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結構20和50 μm的通孔導通情況，各5組，并通過測試結構及參考結構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果

由表1可看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下， 20 μm通孔導通電阻阻值無窮大，50 μm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；而間歇旋轉噴淋顯影方式下，20和50 μm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于1 mΩ，說明間歇旋轉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10 MPa時，不同過顯百分比對通孔導通電阻變化情況.采用Kelvin結構分別測量孔徑為20和50 μm的通孔導通電阻.從圖7可看出，在過顯百分比10%～100%時，50 μm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65 s～90 s時，通孔導通電阻較低，且阻值保持穩(wěn)定，維持在10 mΩ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20 μm通孔導通電阻變化

Fig.7 Variation of 50 microns and 20 microns via on-resistance with different overdevelop percentages

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結構分別測量孔徑為20和50 μm的通孔導通電阻.從圖8可看出，當噴淋壓力為0時，即類似于傳統(tǒng)浸沒顯影，50 μm通孔導通電阻阻值達到40 mΩ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20 μm通孔而言，當噴淋壓力為0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40 mΩ以下.這表明噴淋壓力為0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

Fig.8 Variation of 50 microns and 20 microns via on-resistance with different spray pressures

3.4 層間通孔互連剖面分析

進一步分析間歇旋轉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50 μm時，通孔周圍的上下層布線呈“淺碟形”結構，通孔臺階覆蓋良好，通孔底部互連良好；通孔為20 μm時，通孔周圍的上下層布線呈“U”形結構，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]，使得通孔側壁上邊緣交聯(lián)程度大于側壁下邊緣交聯(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

Fig.9 Microscopic images of 50 microns and 20 microns via interconnection profiles

4 結 論

本文提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉噴淋顯影新方法，制作出4塊50 μm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≤50 mΩ)，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，間歇旋轉噴淋顯影在噴淋壓力為0時，顯影不充分，50和20 μm通孔內(nèi)部存在BCB膠底膜；當噴淋壓力為10 MPa時，50和20 μm通孔輪廓邊緣光滑，側壁陡直，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮，均未見BCB膠底膜殘留.

2)通過通孔微觀結構和微區(qū)成分分析，20和50 μm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結構時，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.