摘要：為提高高密度薄膜多層布線基板的BCB通孔質(zhì)量，提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法，利用激光掃描共聚焦顯微鏡和掃描電鏡，對(duì)間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影和傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影的BCB通孔顯微形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)，用掃描電鏡和四探針測(cè)試儀，對(duì)間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的BCB通孔導(dǎo)通電阻及通孔互連剖面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影與傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影相比，50和20μm通孔內(nèi)部顯影充分，通孔輪廓邊緣光滑；通孔內(nèi)部基本沒(méi)有雜質(zhì)富集，無(wú)BCB膠底膜殘存。不同位置區(qū)域?qū)ν讓?dǎo)通電阻影響較小，50和20μm通孔導(dǎo)通電阻平均偏差均小于1 mΩ；而不同的顯影時(shí)間和噴淋壓力對(duì)通孔導(dǎo)通電阻影響較大，當(dāng)顯影時(shí)間為65～90 s，或當(dāng)噴淋壓力為5～20 MPa時(shí)，50μm通孔導(dǎo)通電阻均下降至10 mΩ，20μm通孔導(dǎo)通電阻均下降至40 mΩ；50和20μm通孔臺(tái)階覆蓋良好。采用此顯影方法制作出高密度薄膜多層布線基板實(shí)物，互連導(dǎo)通率均達(dá)到 100%。
關(guān)鍵詞：BCB；高密度薄膜多層布線基板；顯影；形貌；通孔互連；導(dǎo)通電阻
中圖分類(lèi)號(hào)：TN305.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
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(xué)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(yīng)用于高級(jí)微電子領(lǐng)域[1-3]，包括多層布線、應(yīng)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(yīng)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(dǎo)通性能直接影響著信號(hào)的高速傳輸，因此，BCB通孔光刻成為該基板制造的關(guān)鍵，可利用其光敏特性實(shí)現(xiàn) BCB 通孔制作。
傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影方式進(jìn)BCB通孔顯影， 容易導(dǎo)致通孔的高阻連接甚至互連斷路問(wèn)題，特別是高深寬比的通孔顯影，造成信號(hào)斷路的幾率越來(lái)越大，為此，必須使用高昂的等離子刻蝕設(shè)備，采用O2/C2F6、O2/SF6等特殊氣體進(jìn)行BCB去底膜工藝[11]，造成了基板制造過(guò)程中工藝周期增加，工藝復(fù)雜程度提高，甚至制造成本的大幅上升?；诖?，本文提出一種高密度薄膜多層布線基板的間歇旋轉(zhuǎn)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(guò)研究間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影對(duì)BCB的通孔形貌、微觀結(jié)構(gòu)、導(dǎo)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(shí)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(yīng)用。
1.間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方法
間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影示意圖如圖 1 所示， 間歇旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方式進(jìn)行顯影，大大提高顯影均勻性；一定工藝時(shí)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(fù)污染；繼續(xù)顯影，重復(fù)幾次直到顯影結(jié)束。然后自動(dòng)切換噴嘴，噴淋定影液進(jìn)行定影，一定工藝時(shí)間后基板高速旋轉(zhuǎn)并氮?dú)獯蹈?。其中噴淋壓力、噴嘴角度、轉(zhuǎn)速、顯影液溫度可調(diào)節(jié)。
圖1 間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影示意圖
2.實(shí)驗(yàn)
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/1μm/0.15μm的Cr/Cu/Cr 復(fù)合薄膜。光敏BCB通孔互連制作流程如圖2所示 。 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(zhuǎn)速均為3000 r/min，30 s，膜厚約為10μm，進(jìn)行預(yù)烘、曝光、顯影前烘工藝，分別采用傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影方式和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式進(jìn)行通孔顯影，傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影方式為直接將Al2O3陶瓷基板置于 DS3000 顯影液中顯影，顯影溫度為40℃，然后置于室溫下 DS3000中浸沒(méi)定影，氮?dú)獯蹈?；而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影可一次性完成顯影、定影和氮?dú)獯蹈刹襟E，顯影溫度為40℃，設(shè)置噴嘴角度為70°（此時(shí)噴液量可 100%覆蓋 Al2O3 陶瓷基板，有利于顯影均勻性）， 轉(zhuǎn)速為50 r/min，噴淋壓力0～20 MPa，兩種顯影方式的顯影終端時(shí)間均為50 s，顯影時(shí)間均為60～100s，即過(guò)顯百分比均為10%～100%，對(duì)BCB通孔進(jìn)行顯微形貌觀察與分析；然后置于210℃氮?dú)鈿夥罩泄袒?0 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(fù)如上操作），形成層間通孔互連，此時(shí)對(duì)層間通孔互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行通孔導(dǎo)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(cè)量通孔內(nèi)臺(tái)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(cè)試儀測(cè)量Kelvin結(jié)構(gòu)的通孔導(dǎo)通情況。Kelvin結(jié)構(gòu)包含帶通孔的兩層互連測(cè)試結(jié)構(gòu)，以及無(wú)通孔的與測(cè)試結(jié)構(gòu)布線長(zhǎng)度相同的單層薄膜布線參考結(jié)構(gòu)。其通孔導(dǎo)通電阻為兩者電阻差，除以相差的通孔個(gè)數(shù)。
圖 2 光敏 BCB 通孔互連樣品制備流程圖
3.結(jié)果與討論
3.1BCB 通孔顯微形貌對(duì)比分析
BCB 通孔形貌與 BCB 通孔顯影質(zhì)量密切相關(guān)。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(shí)，衍射效應(yīng)越明顯， 圖形畸變程度越嚴(yán)重，不利于通孔光刻。為考察間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影效果及能力，對(duì)比分析傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影在孔徑為 20 和 50 μm 時(shí) BCB 通孔顯微形貌，考察其間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影質(zhì)量。
在顯影時(shí)間均為75s，過(guò)顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力10 MPa 時(shí)，研究傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式下20和50μm 通孔光學(xué)形貌，結(jié)果如圖 3 所示。從圖 3(a)和(c)可以看出，傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影方式下，50μm 通孔輪廓邊緣光滑，通孔內(nèi)部呈現(xiàn)“彩色干涉環(huán)”，20μm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(dāng)間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的噴淋壓力為10 MPa時(shí)，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮，均未見(jiàn)BCB膠底膜殘留，僅在環(huán)形邊緣位置可見(jiàn)少量側(cè)墻底膜。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)浸沒(méi)顯影受到顯影深度效應(yīng)影響，顯影劑分子的擴(kuò)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(guò)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(xué)形貌圖片
圖 4 為在顯影時(shí)間均為75 s，過(guò)顯百分比均為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為10 MPa 時(shí)，不同顯影方式20和50μm的通孔三維形貌及截面處通孔臺(tái)階曲線。從圖 4 (a)和(c) 可看出，傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影方式下，50μm 通孔側(cè)壁較陡直，通孔側(cè)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(tái)階高度為12.341μm，20μm通孔側(cè)壁及中心完全被BCB膠底膜覆蓋，其臺(tái)階高度為11.219 μm。由圖 4(b)和(d)可以看出，當(dāng)間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影噴淋壓力為 10 MPa 時(shí)，50和20μm 通孔側(cè)壁陡直，通孔側(cè)墻覆蓋面小，其通孔底部中心到膜層表面臺(tái)階高度分別為12.361 和 11.970 μm，與圖 4 (a)和(c) 臺(tái)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?yàn)槭苣ず裼绊懀?前烘易引起 BCB 膠底部到表面的有機(jī)溶劑揮發(fā)速度差，造成殘留的有機(jī)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(cè)墻效應(yīng)”，使得通孔底部中心以及側(cè)壁處易產(chǎn)生表面噪聲、出現(xiàn)底膜，而當(dāng)通孔孔徑較小時(shí)，使殘留的底膜從側(cè)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(zhuǎn)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(cè)壁和溶解產(chǎn)物排出的速度，降低“側(cè)墻效應(yīng)”對(duì)微小通孔內(nèi)側(cè)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(tái)階曲線，
3.2.BCB通孔微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比分析
進(jìn)一步對(duì)比分析傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影過(guò)程中通孔的微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分，對(duì)其進(jìn)行 SEM 觀察和 EDS 分析。圖5、圖6為在顯影時(shí)間為75 s，過(guò)顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為 10 MPa 時(shí)，不同顯影方式下20和50μm 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(méi)顯影的50μm 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(fù)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(zhuǎn)噴淋顯影的 50μm通孔內(nèi)部邊界清晰，內(nèi)部基本沒(méi)有雜質(zhì)富集。通孔內(nèi)部微區(qū)表面含鉻和銅成分，未見(jiàn)BCB組成成分；從圖 6 (a)和(c)可以看出， 傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影的20μm 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(zhuǎn)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(jiàn)BCB組成成分。這表明與傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影相比，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的通孔內(nèi)部基本無(wú) BCB 膠底膜，可滿足孔徑為50和 20 μm 的BCB微小通孔顯影。
圖 5 50μm通孔的SEM照片及EDS 譜
圖 6 20μm通孔的SEM照片及EDS譜
3.3層間通孔導(dǎo)通電阻分析
采用間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式形成高密度BCB微小通孔后，需要對(duì)其進(jìn)行基板層間通孔互連工藝研究，考察其間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式對(duì)層間互連導(dǎo)通性能的影響。
在顯影時(shí)間為75 s，過(guò)顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為 10 MPa 時(shí)，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(cè)試儀測(cè)量Kelvin 結(jié)構(gòu)20和50μm 的通孔導(dǎo)通情況，各5組， 并通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)及參考結(jié)構(gòu)計(jì)算得到通孔導(dǎo)通電阻平均值。不同位置處通孔導(dǎo)通電阻平均值結(jié)果如表 1 所示。
表 1 不同位置區(qū)域的通孔導(dǎo)通電阻測(cè)試結(jié)果
由表1可看出，傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影方式下， 20μm 通孔導(dǎo)通電阻阻值無(wú)窮大，50μm 通孔導(dǎo)通電阻差異性較大，其通孔導(dǎo)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(duì)比分析；而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式下，20和50μm 通孔不同位置處通孔導(dǎo)通電阻差異性均較小，其通孔導(dǎo)通電阻平均偏差均小1 mΩ ，說(shuō)明間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影可大大降低不同位置處顯影差異，通孔導(dǎo)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(shí)間75 s，噴淋壓力10MPa時(shí)，不同過(guò)顯百分比對(duì)通孔導(dǎo)通電阻變化情況。采用 Kelvin 結(jié)構(gòu)分別測(cè)量孔徑為20和50μm 的通孔導(dǎo)通電阻。從圖7可看出，在過(guò)顯百分比 10%～100%時(shí)，50μm 通孔導(dǎo)通電阻隨過(guò)顯百分比的增加呈先下降后基本保持穩(wěn)定，在過(guò)顯百分比為 30%～ 80%時(shí)，即顯影時(shí)間為 65s～90s 時(shí)，通孔導(dǎo)通電阻較低，且阻值保持穩(wěn)定，維持在10mΩ 以下。20 μm 通孔導(dǎo)通電阻隨過(guò)顯百分比的增加呈先下降后上升趨勢(shì)，在過(guò)顯百分比為40%～60%時(shí)，通孔導(dǎo)通電阻較低，約為 35 mΩ，且阻值保持穩(wěn)定。這說(shuō)明間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影有利于通孔導(dǎo)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(fù)性。
圖 7 不同過(guò)顯百分比的50和20μm 通孔導(dǎo)通電阻變化
圖 8 為在顯影時(shí)間為 75 s，過(guò)顯百分比為50%時(shí)，不同噴淋壓力對(duì)通孔導(dǎo)通電阻變化情況。采用Kelvin結(jié)構(gòu)分別測(cè)量孔徑為20和50μm的通孔導(dǎo)通電阻。從圖8可看出，當(dāng)噴淋壓力為0 MPa時(shí)，即類(lèi)似于傳統(tǒng)浸沒(méi)顯影50μm 通孔導(dǎo)通電阻阻值達(dá)到40mΩ 以上，當(dāng)噴淋壓力在5～20 MPa 時(shí)，隨著噴淋壓力的增加，通孔導(dǎo)通電阻迅速降低，阻值維持在 10 mΩ 以下；而對(duì)于20μm通孔而言，當(dāng)噴淋壓力為 0 MPa 時(shí)，通孔導(dǎo)通電阻阻值無(wú)窮大，即層間互連斷路，當(dāng)噴淋壓力在5～20 MPa時(shí)，隨著噴淋壓力的增加，通孔導(dǎo)通電阻迅速降低，阻值維持在40mΩ 以下。這表明噴淋壓力為0 MPa 時(shí)不利于微小通孔的顯影，增加噴淋壓力可以進(jìn)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(dá)到溶解一致，因此，當(dāng)噴淋壓力增加到一定壓力時(shí)， 通孔導(dǎo)通電阻保持穩(wěn)定。
圖 8 不同噴淋壓力的 50 和 20 μm 通孔導(dǎo)通電阻變化
3.4.層間通孔互連剖面分析
進(jìn)一步分析間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式對(duì)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50μm時(shí)，通孔周?chē)纳舷聦硬季€呈“淺碟形”結(jié)構(gòu)，通孔臺(tái)階覆蓋良好，通孔底部互連良好；通孔為20μm時(shí)，通孔周?chē)纳舷聦硬季€呈“U”形結(jié)構(gòu)，通孔臺(tái)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(cè)壁上邊緣交聯(lián)程度大于側(cè)壁下邊緣交聯(lián)程度，且隨著通孔孔徑越小，此趨勢(shì)越明顯。由此可見(jiàn)，采用間歇旋轉(zhuǎn)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
4.結(jié)論
本文提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法，制作出4塊50μm 通孔的高密度 BCB/Cu 薄膜多層布線基板，并對(duì)基板內(nèi)部所有網(wǎng)絡(luò)互連線進(jìn)行測(cè)試，互連導(dǎo)通率均達(dá)到 100%（規(guī)定導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)阻值≤50mΩ），且無(wú)互連網(wǎng)絡(luò)之間短路（規(guī)定網(wǎng)絡(luò)之間阻值≥20 MΩ）。
1）從通孔形貌來(lái)看，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影在噴淋壓力為 0 MPa 時(shí)，顯影不充分，50和 20μm 通孔內(nèi)部存在 BCB 膠底膜；當(dāng)噴淋壓力為10 MPa 時(shí)，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，側(cè)壁陡直，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮，均未見(jiàn) BCB 膠底膜殘留。
2）通過(guò)通孔微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析，20和50μm通孔內(nèi)部邊界清晰，內(nèi)部基本沒(méi)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(wú) BCB 膠底膜殘留，底部為基板-薄膜界面 Cr/Cu/Cr 復(fù)合薄膜層。
3）從層間通孔導(dǎo)通電阻分析來(lái)看，采用 Kelvin 結(jié)構(gòu)時(shí)，50 和 20 μm 通孔在滿足一定的過(guò)顯百分比時(shí)，通孔導(dǎo)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(shí)，通孔導(dǎo)通電阻迅速降低，此時(shí)電阻最小，且阻值保持穩(wěn)定。
4）通過(guò)層間通孔互連剖面分析，50 和20 μm 通孔臺(tái)階覆蓋良好，通孔底部互連良好。
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