CMUT 面陣制備中的硅通孔金屬互連工藝設(shè)計

王 月，何常德，張文棟

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引 言

近年來，MEMS 微加工技術(shù)不斷成熟，電容式微機械超聲換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT）也在不斷更新和發(fā)展，目前已經(jīng)由CMUT 單個陣元發(fā)展到CMUT 面陣陣列。然而，CMUT面陣制造面對上電極的引線問題，將每一個陣元的上電極引出比較困難，根據(jù)這一情況，考慮采用硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術(shù)，利用硅晶片的通孔，建立從芯片的有效側(cè)面到背面的電連接，使器件上、下表面構(gòu)成導(dǎo)電通道，將傳感器頂部的上電極引到器件的背面與電路板焊錫連接。

目前，大多數(shù)傳感器的電極引出都是使用引線鍵合技術(shù)[1]，不過對于小尺寸的CMUT 面陣換能器來說，成千上百個上電極引出并封裝還是無法實現(xiàn)，硅通孔技術(shù)通過在硅片上制作通孔，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器穿通硅的垂直互連[2-4]。如今，TSV 技術(shù)在傳感器陣列、IC 芯片封裝等領(lǐng)域都有應(yīng)用[5-7]，然而，TSV 工藝是實現(xiàn)CMUT 面陣制備的難點，通孔內(nèi)金屬填充一般選用電鍍的方法，電鍍加工過程復(fù)雜且成本較高，加大了TSV 工藝的難度和成本[8-11]，而單純地進行器件的上下電極貫穿導(dǎo)通，并不需要用電鍍加厚種子層，只要沉積足夠厚的種子層即可。因為銅的電阻率較小，所以被硅通孔填充廣泛使用[12]，不過銅容易氧化，影響器件的電學(xué)特性，考慮使用更為惰性的金作為種子層。因此，本文設(shè)計了一種基于CMUT 面陣的無電鍍硅通孔金互連制備方法。

1 CMUT 面陣簡介

CMUT 是由真空密閉空腔、支撐在空腔上的振動薄膜、金屬圖形化上電極、氧化絕緣層、襯底及金屬下電極構(gòu)成。通過在CMUT 上電極和下電極之間加直流偏壓和交流激勵，使CMUT 處于工作狀態(tài)——發(fā)射和接收超聲波[13]。

CMUT 面陣是由CMUT 陣元排列組成，可以制成16×16 陣元、32×32 陣元和64×64 陣元等的CMUT 面陣，不過，隨著陣元數(shù)目的增加，上電極引出存在難度，陣元數(shù)目越多走線越密集，當(dāng)達到一定陣元數(shù)量時，將無法進行上電極引線，原始引線方法如圖1 所示。使用TSV技術(shù)進行穿通導(dǎo)線方法，可以清晰看出使用TSV 技術(shù)避免了器件正面大量密集的引線連接，減少了水平布線引起的損耗，并且相對簡單，既保護了器件正面，又使器件可以正常工作。應(yīng)用TSV 的CMUT 面陣結(jié)構(gòu)剖面圖和俯視圖如圖2 所示。

圖1 CMUT 原始上電極引線方法

圖2 應(yīng)用TSV 的CMUT 面陣結(jié)構(gòu)示意圖

2 TSV 工藝流程設(shè)計

TSV 技術(shù)簡單來說就是在硅片上制作一個垂直的通孔，然后沉積金屬進行導(dǎo)通互連，如圖3h）所示。在硅片上制作穿透的通孔，一般使用深硅刻蝕技術(shù)或激光燒灼方法完成，兩種方法比較如表1 所示。隨后，在通孔內(nèi)壁順次沉積氧化絕緣層、金屬阻擋層/粘附層和種子層。絕緣層是將硅通孔沉積金屬與襯底進行電學(xué)隔離，一般選用絕緣材料SiO2。阻擋層的作用是防止金屬種子層穿過氧化絕緣層后進入硅襯底，而影響傳感器的電學(xué)性能，它也作為種子層的粘附層，提高種子層與SiO2的粘附性，一般使用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬材料作為阻擋層，材料可以是鈦、鉭、鉻等[14]。具有導(dǎo)電能力的種子層一般選用電阻率較小和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬，大多數(shù)采用金屬銅（Cu）或金（Au）。

表1 激光刻蝕與深硅刻蝕的比較

TSV 是垂直通孔形狀，通孔側(cè)壁粗糙度是影響金屬沉積的重要因素，根據(jù)表1 分析可得，深硅刻蝕方法更能得到光滑側(cè)壁，有利于后續(xù)沉積金屬附著性[15]。高溫氧化工藝沉積的二氧化硅厚度均勻、致密且臺階覆蓋性好，適用于高深寬比的硅通孔。種子層淀積是通孔互連的關(guān)鍵一步，磁控濺射技術(shù)沉積金屬的速率較高，并且均勻性好，能夠完成通孔內(nèi)金屬的覆蓋。

通過綜合考慮設(shè)計一種適用于CMUT 面陣制備的硅通孔金屬互連工藝，設(shè)計中采用的主要工藝是深硅刻蝕（Bosch）工藝和磁控濺射工藝，采用的金屬材料主要是鉻（Cr）、金（Au），由于銅容易氧化，影響器件的電學(xué)特性，使用更為惰性的金作為種子層。具體工藝流程如圖3 所示。

圖3 TSV 工藝流程圖

3 實驗與分析

3.1 實驗步驟

1）備片：所選用硅晶圓為直徑4 英寸的裸氧化硅片，雙面氧化層厚度均為500 nm，硅片總厚度為（375±15）μm，電阻率＜0.001 5 Ω·cm，表面潔凈。

2）在刻蝕之前要先進行光刻膠的涂覆與光刻，以遮擋不需要刻蝕的部分，并暴露需要被刻蝕的部分，即用SiO2和光刻膠做掩模材料。此次實驗使用正性光刻膠AZ4620（厚膠掩模效果好），采用勻膠機將光刻膠旋涂在硅片表面，然后依據(jù)已經(jīng)制備好的掩膜板進行光刻，將需要刻蝕的開口做出，顯影后使用臺階儀測量光刻膠厚度，測量膠厚為10 μm，能夠保護不需要刻蝕的部分。

3）并用RIE（Reactive Ion Etching）反應(yīng)離子刻蝕氧化層，腐蝕反應(yīng)氣體為CHF3。

4）然后使用深硅刻蝕機從硅片的一面開始刻蝕通孔，利用SF6對硅晶圓進行刻蝕，并不斷利用C4F8在側(cè)壁進行高分子聚合物的沉積以保護邊緣不被刻蝕，經(jīng)深硅刻蝕得到直徑為80 μm，100 μm，120 μm，150 μm，深380 μm 的TSV，如圖4 所示進行深硅刻蝕后通孔深度測量。

5）去膠清洗處理：用丙酮去除光刻膠，并使用BOE濕法腐蝕孔周圍的殘余氧化層，然后使用標準清洗對硅片進行清洗，去除孔內(nèi)刻蝕殘余雜質(zhì)。

6）通過工藝溫度為1 000 ℃的熱氧化工藝（臺階覆蓋率大）在硅晶圓表面和通孔側(cè)壁沉積一層厚度為1 μm的致密的SiO2絕緣層、使用磁控濺射鍍膜機沉積阻擋層/粘附層Cr、種子層Au。

7）沉積完種子層的硅片，再噴涂（表面起伏很大的晶圓，保護通孔側(cè)壁金屬）光刻膠AZ4620，光刻出硅片兩面圖形。隨后將硅片浸泡在Cr、Au 腐蝕液中去掉不需要區(qū)域的金屬，形成圖形化的金屬層。

對完成深孔刻蝕的硅片使用共聚焦顯微鏡進行觀察和測量，其孔深測量如圖4 所示。測量得到通孔深度為380.498 μm。

圖4 深硅刻蝕后TSV 通孔深度測量

3.2 通孔形狀分析

進一步測量各尺寸的TSV 通孔直徑，使用共聚焦顯微鏡分別對80 μm，100 μm，120 μm，150 μm 四個尺寸的通孔正、反面進行通孔直徑測量，如圖5 所示。測量得到各尺寸的TSV 通孔正、反面尺寸半徑值匯總曲線如圖6 所示。

測量得到的四個尺寸的TSV 通孔正、反面尺寸差值曲線如圖7 所示?？梢钥闯?0 μm 直徑通孔正、反兩面的尺寸差值較大，150 μm 直徑通孔正、反兩面的尺寸差值在0 附近波動，100 μm 波動 較 大，120 μm 波動較小，150 μm 波動最小。

圖5 TSV 通孔尺寸共聚焦顯微鏡測量圖

圖6 TSV 通孔正反面尺寸測試值匯總

結(jié)合通孔正反面尺寸差值圖和實際通孔直徑與理論值比較表可以發(fā)現(xiàn)，直徑越?。ㄉ顚挶仍酱螅┑耐?，刻蝕后正反兩面通孔尺寸差值越大，形成上大下小的通孔，影響后續(xù)沉積工藝正常進行。由表2 可以看出150 μm 直徑的通孔上下直徑近似，可以看成垂直通孔；通孔呈現(xiàn)上寬下窄的形貌，由于從上到下刻蝕，上口被刻蝕的次數(shù)過多導(dǎo)致上口變大?？梢园l(fā)現(xiàn)刻蝕后結(jié)果都存在過刻現(xiàn)象，直徑過刻25 μm 以內(nèi)。

圖7 TSV 通孔正反面尺寸差值

表2 實際通孔直徑與理論值比較

4 導(dǎo)通性測試

驗證硅通孔的導(dǎo)通性能，使用Agilent34410A 數(shù)字萬用表調(diào)成二極管檔位對通孔的通斷進行測試，隨機測量10 個通孔，結(jié)果顯示通孔導(dǎo)通性良好。測量通孔的導(dǎo)通電阻，利用歐姆檔測量每個通孔的阻值，測量方法如圖8 所示。

圖8 數(shù)字萬用表測電阻

當(dāng)兩個表筆接觸阻值為0.053 Ω 時，測試結(jié)果如表3 所示，結(jié)果表明通孔為150 μm 時通孔間電阻大約在0.6～0.9 Ω。

表3 通孔電阻大小

5 結(jié) 語

為了實現(xiàn)CMUT 面陣換能器的上電極引線，實現(xiàn)上電極由器件正面到背面的電互連，本文設(shè)計了一種基于CMUT 面陣的無電鍍硅通孔金屬互連制備方法，并通過實驗驗證了其可行性。在實驗中進行了深硅刻蝕后不同通孔直徑實際值與理論值的比較以及不同直徑的通孔磁控濺射金屬層后的導(dǎo)通電阻。結(jié)果表明，380 μm厚的硅通孔最佳直徑為150 μm，此孔徑通孔垂直度高，孔間電阻約為0.6～0.9 Ω，通孔導(dǎo)通性良好。在實現(xiàn)低成本、批量化的CMUT 面陣超聲換能器制備中，該方法具有很好的應(yīng)用價值。

注：本文通訊作者為張文棟。