PECVD在TSV領(lǐng)域的應(yīng)用

李晶

（沈陽拓荊科技有限公司，沈陽 110179）

PECVD在TSV領(lǐng)域的應(yīng)用

李晶

（沈陽拓荊科技有限公司，沈陽 110179）

PECVD設(shè)備及工藝技術(shù)已在半導(dǎo)體前道互連工藝及TSV領(lǐng)域展現(xiàn)了其廣闊的應(yīng)用前景，介紹了拓荊PECVD在TSV領(lǐng)域的應(yīng)用，展現(xiàn)其良好的工藝表現(xiàn)。

等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）；硅通孔技術(shù)（TSV）；正硅酸乙酯（TEOS）；二氧化硅薄膜（SiO2）

硅通孔技術(shù)（TSV，Through-Silicon-Via）是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直通孔，實現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)。與以往常規(guī)的IC封裝鍵合和使用凸點疊加的技術(shù)不同，TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV與常規(guī)封裝技術(shù)有一個明顯的不同點，TSV的制作可以集成到制造工藝的不同階段。在晶圓制造Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor（CMOS）或Back-End-of-Line（BEOL）步驟之前完成硅通孔通常被稱作Via-first，此時TSV的制作可以在Fab廠前端金屬互連之前進(jìn)行，實現(xiàn)Core-to-Core的連接；在CMOS完成之后再進(jìn)行TSV的制作，然后完成器件制造和后端的封裝被稱為Via-middle；而將TSV放在封裝生產(chǎn)階段，通常被稱作Via-last，該方案的明顯優(yōu)勢是可以不改變現(xiàn)有集成電路流程和設(shè)計。

等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備可以在150～400℃下沉積具有良好性能的薄膜材料，而且具有對孔洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)良覆蓋率，因此在新近的TSV領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用性。PECVD技術(shù)是通過化學(xué)反應(yīng)的方式,利用等離子能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物的技術(shù)。PECVD通常用于淀積絕緣層，用射頻方式產(chǎn)生等離子體。離子的轟擊為次生物質(zhì)提供能量，使之能在較低的溫度下就可以在硅片上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成薄膜沉積，因而可應(yīng)用于金屬布線后的絕緣膜沉積等應(yīng)用。

1 TSV對PECVD的技術(shù)要求

TSV的制作可以集成到制造工藝的不同階段，因 Interposer（no devices）和 Via-first對介質(zhì)層沉積溫度沒有限制，但是對于Via-last，介質(zhì)層沉積溫度需要小于200℃,甚至更低的溫度。高溫和低溫PECVD工藝的開發(fā)至關(guān)重要。為了提高器件的整體性能，PECVD介質(zhì)層薄膜需要具有良好的電學(xué)性能和機械性能，例如高的擊穿電壓（Break Down Voltage），低的漏電流 （Leakage Current），良好的界面結(jié)合性以及適當(dāng)?shù)膽?yīng)力等。同時PECVD介質(zhì)層薄膜還必須具備良好的穩(wěn)定性。高深寬比 （AR>10:1）孔洞內(nèi)的覆蓋性是對PECVD技術(shù)的挑戰(zhàn)，這也是TSV對PECVD薄膜的一個重要需求。PECVD設(shè)備與其他的薄膜沉積方式（如spin on）相比，薄膜的質(zhì)量更好，主要體現(xiàn)在薄膜的電性、致密性和成膜成本上，其作為生產(chǎn)型設(shè)備具有一定優(yōu)勢。

2 PECVD工藝現(xiàn)狀

以下將主要從薄膜性能及其穩(wěn)定性、TSV孔覆蓋性以及薄膜附著性幾個方面進(jìn)行討論。

TEOS/O2PECVD薄膜的工藝性能見表1，結(jié)果顯示PECVD設(shè)備在高溫和低溫下工藝的各項技術(shù)指標(biāo)（膜厚均勻性、薄膜應(yīng)力、薄膜材料的電性能等）達(dá)到TSV領(lǐng)域要求，并且通過了馬拉松可靠性驗證。

低溫PECVD TEOS SiO2薄膜（＜200℃）容易具有吸水性，導(dǎo)致吸水后的薄膜電性能會下降，并且會影響與下一層金屬層的附著性，所以在低溫條件下沉積的薄膜其穩(wěn)定性至關(guān)重要。傅里葉紅外光譜（FTIR）利用光干涉技術(shù)在紅外波段測量材料的吸收光譜。特征波長的吸收峰反映的是材料的分子基團和材料的成分。低溫PECVD TEOS SiO2薄膜主要的Si-O峰出現(xiàn)在940～1 080 cm-1范圍內(nèi)，在1 050 cm-1處達(dá)到最大。其余的兩個Si-O-Si峰出現(xiàn)在816 cm-1和436 cm-1處。對于不穩(wěn)定的薄膜在Si-OH處有一個明顯的峰，并且隨時間變化。Si-OH可以通過3 605～3 650 cm-1間的峰和935～941 cm-1間的峰進(jìn)行檢測。通過設(shè)備和工藝的優(yōu)化能夠開發(fā)出具有良好穩(wěn)定性的PECVD TEOS SiO2薄膜，克服了其吸水性的缺點。應(yīng)用FTIR通過對PECVD一周連續(xù)的檢測，驗證其薄膜的化學(xué)成分的穩(wěn)定性，見圖1。

表1 TEOS/O2PECVD薄膜的工藝性能

圖1 低溫PECVD TEOSSiO2薄膜FTIR圖譜隨時間的變化

一般來說，各工藝參數(shù)間是相互關(guān)聯(lián)的，改變其中的一個參數(shù)可能不只影響薄膜的一個性能指標(biāo)。為了能有效地判斷工藝問題，每一次必須只改變一個參數(shù)，并對相應(yīng)的結(jié)果以及薄膜特征進(jìn)行測試，各個工藝參數(shù)對薄膜應(yīng)力的影響見圖2，通過控制LF power和gap以及O2流量等可以調(diào)整薄膜的應(yīng)力。通常不穩(wěn)定薄膜吸水之后其應(yīng)力值會朝著壓應(yīng)力方向變化，但是通過對工藝的優(yōu)化可以實現(xiàn)薄膜應(yīng)力隨時間增長保持不變，這也表明了該薄膜具有較好的抗水性，圖3顯示了低溫PECVD TEOS SiO2薄膜應(yīng)力穩(wěn)定性。值得注意的是，提高薄膜的某一個性能可能會對薄膜的其他性能產(chǎn)生影響。因此，需要調(diào)整各個工藝參數(shù)來優(yōu)化總體性能。

圖2 各工藝參數(shù)對薄膜應(yīng)力的影響

圖3 低溫PECVD TEOS SiO2薄膜應(yīng)力穩(wěn)定性監(jiān)測

優(yōu)化后的低溫PECVD TEOS SiO2薄膜的電學(xué)性能到達(dá)TSV領(lǐng)域的要求，其擊穿電壓（Break Down Voltage）大于10 MV/cm，漏電流（Leakage Current）小于 1×10-9A/cm2@1 MV/cm，并且隨時間變化保持穩(wěn)定，見圖4。綜上所述，即使是低溫條件下，通過設(shè)備及工藝的優(yōu)化，低溫PECVD SiO2薄膜性能是優(yōu)異的且具有良好的穩(wěn)定性。中覆蓋性的表現(xiàn)見圖5。

圖4 低溫PE-TEOS SiO2薄膜電性穩(wěn)定性監(jiān)測

低溫TEOS PECVD薄膜具有優(yōu)異的覆蓋率，滿足TSV領(lǐng)域?qū)Ρ∧じ采w率的要求。不同深寬比的孔徑覆蓋率表現(xiàn)不同，例如AR1:1孔徑的覆蓋率能達(dá)到75%以上，AR10:1孔徑的覆蓋率能達(dá)到20%以上，低溫TEOS PECVD工藝在AR1:1孔徑

圖5 低溫TEOS PECVD工藝覆蓋性（AR1:1）

另外使用百格法測試了低溫PECVD薄膜的附著性，驗證了低溫TEOS工藝附著性滿足要求。

3 結(jié) 論

（1）拓荊公司掌握了PECVD關(guān)鍵技術(shù)，能夠向客戶提供不同的TSV制程所需的PECVD介質(zhì)層薄膜沉積技術(shù)，并能使之達(dá)到量產(chǎn)要求。

（2）面對客戶特殊的制程需求，拓荊公司能夠提供更低溫度的（<180℃）PECVD介質(zhì)層工藝。

（3）拓荊公司的 PECVD設(shè)備及工藝已在TSV領(lǐng)域得到其穩(wěn)定性能驗證。

（4）PECVD設(shè)備陸續(xù)開發(fā)的新技術(shù)將能應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。

PECVD Applications in TSV

Li Jing
（Piotech Co.，Ltd，Shenyang 110179，China）

Abstract:PECVD equipment and process technology has shown broad applications in the Front-End-of-Line （FEOL）semiconductor manufacturing process.This paper mainly introduces the new application of PECVD in the emerging Through-Silicon-Via （TSV）technology and its good performance.

Keywords:PECVD （Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）；TSV （Through Silicon Via）；TEOS；SiO2film

TN305.96

A

1004-4507（2014）07-0006-04

2014-06-24

李晶（1987年生），女，沈陽，中級工程師，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料加工專業(yè)?，F(xiàn)在沈陽拓荊科技有限公司從事PECVD工藝研發(fā)工作。