高深寬比硅通孔檢測技術(shù)研究

燕英強(qiáng)，吉 勇，明雪飛，陳 波，陳桂芳

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

高深寬比硅通孔檢測技術(shù)研究

燕英強(qiáng)，吉 勇，明雪飛，陳 波，陳桂芳

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

由于SEM顯微鏡、FIB顯微鏡檢測高深寬比硅通孔耗時、費(fèi)用高，研究了垂直掃描白光干涉技術(shù)檢測硅通孔的可行性。設(shè)定刻蝕/鈍化時間比率，改變深硅刻蝕功率和刻蝕時間，獲得不同深度和側(cè)壁粗糙度的硅通孔，并用垂直掃描白光干涉技術(shù)進(jìn)行檢測。研究結(jié)果表明垂直掃描白光干涉技術(shù)可以觀察硅通孔的形狀、測量側(cè)壁粗糙度、精確無損測量硅通孔深度，可以替代SEM、FIB檢測方法。

深硅刻蝕；白光干涉；側(cè)壁粗糙度；通孔形狀；通孔深度；無損檢測

1 引言

隨著電子元器件向著多功能、高性能、低功耗、更輕、更薄、更小的方向不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件三維封裝技術(shù)成為最有效、最快捷的技術(shù)途徑之一。利用TSV（Through Silicon Via，硅通孔）工藝進(jìn)行三維封裝可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件封裝密度增大、互連線縮短、外形尺寸縮小，并可極大改善芯片速度和低功耗的性能，實(shí)現(xiàn)更多的功能，擁有更好的性能[1~4]。近年，TSV工藝已經(jīng)成為半導(dǎo)體器件三維封裝技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。

深硅刻蝕工藝是最主流的硅通孔制作技術(shù)，是TSV工藝關(guān)鍵技術(shù)之一，也是TSV工藝的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，硅通孔形狀和側(cè)壁粗糙度嚴(yán)重影響硅通孔側(cè)壁薄膜淀積和電鍍填充質(zhì)量，必須對硅通孔形狀、側(cè)壁粗糙度及深度進(jìn)行檢測。測量硅通孔形狀、深度，通常是將硅通孔軸向剖開，采用高倍光學(xué)顯微鏡或SEM（掃描電子顯微鏡）等觀察硅通孔形狀、測量深度及通孔直徑；通常采用聚焦離子束顯微鏡（FIB）將通孔剖開并測量側(cè)壁粗糙度。這些檢測方法費(fèi)時、費(fèi)力且費(fèi)用較高。

本文對垂直掃描白光干涉方法是否適宜高深寬比硅通孔檢測進(jìn)行了研究。

2 垂直掃描白光干涉檢測技術(shù)

垂直掃描白光干涉測量技術(shù)利用兩列白光干涉產(chǎn)生的白光干涉條紋，其中央的零級條紋（容易與其他級條紋相區(qū)別）來指示零光程差的位置，從而獲得各點(diǎn)的相對高度，進(jìn)而重構(gòu)出表面三維輪廓。工作臺帶動試樣作垂直掃描運(yùn)動，使試樣表面不同高度的各點(diǎn)依次通過零光程差的位置，用面陣CCD記錄下各個位置的白光干涉條紋，經(jīng)過計算處理后即可獲得被測試樣的表面三維形貌[5~7]，參見圖1。

圖1 垂直掃描白光干涉測量原理

3 實(shí)驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

硅通孔設(shè)計直徑35 μm。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)152.4 mm〈100〉晶向硅片，SiO2和AZ4620光刻膠作深硅刻蝕掩模，按照硅片清洗→烘干→淀積SiO2→涂膠→前烘→曝光→顯影→后烘→干法刻蝕SiO2→深硅刻蝕→檢測的工藝流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）用丙酮、異丙醇、去離子水各超聲波清洗10 min；

（2）甩干硅片，并且在干燥箱中125 ℃烘烤20 min；

（3）PECVD淀積SiO2，厚度2 μm；

（4）旋涂AZ4620光刻膠13～15 μm；

（5）進(jìn)行軟烘、曝光、顯影；

（6）120 ℃后烘20 min；

（7）反應(yīng)離子刻蝕（RIE）SiO2；

（8）采用英國STS公司STS Multiplex深硅刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行硅通孔刻蝕；

（9）采用Contour GT-i非接觸式三維光學(xué)輪廓儀測量硅通孔形狀、深度及側(cè)壁粗糙度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)定刻蝕周期內(nèi)刻蝕/鈍化時間比為8 s:3 s，改變刻蝕功率、刻蝕時間等工藝參數(shù)，參見表1，獲得不同深度的硅通孔，并通過白光干涉技術(shù)檢測硅通孔形狀、測量硅通孔側(cè)壁粗糙度及深度。

4.1通孔形狀測量

將實(shí)驗(yàn)條件1#深硅刻蝕的硅通孔軸向剖開，分別用SEM、非接觸白光干涉輪廓儀Contour GT-i進(jìn)行檢測，參見圖2。SEM、白光干涉測量結(jié)果顯示通孔上下直徑相同、側(cè)壁近似垂直，白光干涉測試更形象、直觀。

表1 深硅刻蝕工藝參數(shù)

為防止硅片溫度過高，2#實(shí)驗(yàn)刻蝕50 min后停止刻蝕，機(jī)臺自動冷卻，其中刻蝕起始功率從50 W逐漸增加到75 W（增幅0.5 W·min-1），然后再刻蝕30 min，刻蝕功率起始功率75 W，終止功率90 W（增幅0.5 W·min-1）。白光干涉測試結(jié)果顯示通孔頂部側(cè)壁近似垂直，底部直徑急劇縮小，參見圖3。原因是刻蝕功率過大導(dǎo)致縱向/橫向（垂直方向）刻蝕速率比率過大，從而使得底部通孔直徑變小。垂直掃描白光干涉技術(shù)可以顯示剖開通孔形狀的二維、三維圖形，檢測結(jié)果形象、直觀。

圖2 1#實(shí)驗(yàn)SEM和白光干涉檢測對比

4.2通孔側(cè)壁粗糙度測量

粗糙度測量方法有原子力顯微鏡、聚焦離子束顯微鏡（FIB）、SEM顯微鏡、白光干涉、激光干涉等。采用FIB將通孔軸向剖開并測定粗糙度結(jié)果最直觀，參見圖4左。原子力顯微鏡不太適合測量曲面粗糙度，采用SEM顯微鏡測量側(cè)壁粗糙度，需要將通孔軸向剖開并研磨拋光，但硅屬于脆性材料，研磨拋光十分困難，極易導(dǎo)致側(cè)壁邊緣崩裂而無法測量，參見圖4右。

圖3 2#實(shí)驗(yàn)白光干涉照片

圖4 FIB照片和SEM照片

將1#、2#實(shí)驗(yàn)深硅刻蝕的硅通孔軸向剖開，用非接觸式白光干涉輪廓儀Contour GT-i對側(cè)壁粗糙度進(jìn)行檢測。1#實(shí)驗(yàn)的硅通孔頂部、中間、底部粗糙度Ra分別為95.003 nm、99.938 nm、118.534 nm，側(cè)壁粗糙度從頂部至底部逐漸增大，參見圖5。2#實(shí)驗(yàn)的硅通孔頂部、中間、底部側(cè)壁粗糙度Ra分別為192.664 nm、165.664 nm、191.526 nm，參見圖6。隨著刻蝕功率增加，刻蝕速率增加，周期內(nèi)徑向刻蝕深度增加，所以2#實(shí)驗(yàn)硅通孔側(cè)壁粗糙度大于實(shí)驗(yàn)1#的硅通孔側(cè)壁粗糙度。垂直掃描白光干涉技術(shù)可以快速、便捷地測量硅通孔側(cè)壁粗糙度。

圖5 1#實(shí)驗(yàn)硅通孔側(cè)壁粗糙度白光干涉測試結(jié)果

圖6 2#實(shí)驗(yàn)硅通孔側(cè)壁粗糙度白光干涉測試結(jié)果

4.3硅通孔深度測量

通常，測量硅通孔的刻蝕深度為破壞性測試，即將硅通孔軸向剖開后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）測量通孔的深度，此測量方法費(fèi)時、費(fèi)力，且不適合在線檢測。為驗(yàn)證非接觸白光干涉輪廓儀Contour GT-i深孔深度測量無損檢測的可行性及深度檢測能力，在1#實(shí)驗(yàn)條件下增加刻蝕總時間獲得不同深度的硅通孔，白光干涉測量通孔深度分別為266.416 5 μm、367.702 3 μm，參見圖7（a）和圖8（a）。為確認(rèn)測量結(jié)果的正確性，將硅通孔軸向剖開，并用SEM顯微鏡對深度進(jìn)行了測量，深度分別為266.3 μm、368.2 μm，參見圖7（b）和圖8（b）?？梢姡梅墙佑|式白光干涉輪廓儀Contour GT-i可以快速、便捷地對深孔的深度進(jìn)行無損測量，并且測量結(jié)果精確。

5 結(jié)論

現(xiàn)在垂直掃描白光干涉技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，通過軟件可以繪制出高深寬比硅通孔形狀的二維、三維圖像，非常直觀地觀察通孔形狀整體形貌，并可以測量硅通孔側(cè)壁粗糙度；通過與SEM深度測量結(jié)果對比，垂直掃描白光干涉技術(shù)可以對高深寬比硅通孔深度進(jìn)行快速、精確的無損檢測，并可形成通孔三維形貌。

垂直掃描白光干涉技術(shù)測量時無需真空條件和噴金處理，可以對硅通孔刻蝕質(zhì)量進(jìn)行簡單、快速、非接觸、甚至無損檢測，其測量垂直分辨率可達(dá)百分之幾個納米，垂直掃描量程可達(dá)幾毫米。其完全可以取代SEM顯微鏡、FIB顯微鏡，測量高深寬比、大深度硅通孔形狀、側(cè)壁粗糙度及深度，并且簡單、方便、快速、費(fèi)用較低。

圖7 1#實(shí)驗(yàn)硅通孔側(cè)壁粗糙度白光干涉與SEM測試結(jié)果

圖8 1#實(shí)驗(yàn)硅通孔側(cè)壁粗糙度白光干涉與SEM測試結(jié)果

[1] 童志義. 3D IC集成與硅通孔（TSV）互連[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2009, 170（3）：27-34.

[2] 趙璋，童志義. 3D-TSV技術(shù)——延續(xù)摩爾定律的有效通途[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2011, 194：27-34.

[3] Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology Pasadena [J]. NASA 2009 Body of Knowledge（BoK）：Through-Silicon Via Technology.

[4] 陳海英. 芯片級三維集成前景光明[J]. 混合微電子技術(shù)，2010, 7（2-3）：111-115.

[5] 戴蓉，謝鐵邦，常素萍. 垂直掃面白光干涉表面三維形貌測量系統(tǒng)[J]. 光學(xué)技術(shù). 2006, 7（32）：525-545.

[6] 張文棟. 微米納米器件測試技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社. 2010. 35-37.

[7] 郭彤，胡春光，陳津平，傅星，胡小唐. 垂直掃描白光干涉術(shù)用于微機(jī)電系統(tǒng)的尺寸表征[J].光學(xué)學(xué)報，2007, 4（7-4）：668-672.

A Research of Inspect Technology for High Aspect Rate TSVs

YAN Yingqiang, JI Yong, MING Xuefei, CHEN Bo, CHEN Guifang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

A feasibility is studied to inspect TSVs by vertical scan technology of white light interference because of consuming time and high fee to inspect high aspect ratio TSVs by SEM or FIB microscope. Different depth and sidewall roughness TSVs is fabricated by fi xing etch/passivation rate and changing etch power and etch time, and inspect them by vertical scan technology of white light interference. The research results indicate vertical scan technology of white light interference can replace SEM and FIB microscope for checking via shapes, measuring to via sidewall roughness and giving a precision and nondestructive measure to via depth.

DRIE; white light interference; via sidewall roughness; via shape; via depth; nondestructive inspect

TN305.94

A

1681-1070（2014）11-0009-04

燕英強(qiáng)（1980—），男，山東鄆城人，碩士，目前在中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所從事晶圓級三維封裝、TSV（硅通孔）三維封裝工藝研究工作。

2014-10-20