引言

隨著對(duì)多功能移動(dòng)消費(fèi)電子設(shè)備需求的增加，半導(dǎo)體芯片互連密度的復(fù)雜性不斷增加。傳統(tǒng)的芯片到封裝集成(CPI)使用引線鍵合將鍵合焊盤(pán)互連到封裝引線。隨著芯片規(guī)模向原子級(jí)發(fā)展，采用硅通孔(TSV)技術(shù)的芯片間互連成為一種極具吸引力的潛在解決方案，可實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的制造成本。穿過(guò)硅芯片的垂直電互連可以縮短芯片間互連的長(zhǎng)度，并實(shí)現(xiàn)更緊湊的CPI互連結(jié)構(gòu)。在TSV制造中，硅中具有受控側(cè)壁輪廓的高深寬比結(jié)構(gòu)對(duì)于納米和微米尺度的微電子器件非常重要。

關(guān)鍵詞:硅通孔，等離子蝕刻

TSV互連技術(shù)包括深度硅蝕刻用于通孔形成、絕緣襯墊層沉積和用導(dǎo)電金屬填充通孔。通過(guò)等離子體蝕刻可以獲得垂直和深的硅通孔蝕刻，但是這仍然是一種具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜制造工藝。深硅通孔蝕刻需要高能離子轟擊，以提供足夠的動(dòng)能來(lái)破壞晶片上硅原子的化學(xué)鍵，以及高活性自由基的直接化學(xué)反應(yīng)，從而形成揮發(fā)性蝕刻副產(chǎn)物。深通孔區(qū)域中的離子充電可能導(dǎo)致硅蝕刻的局部化。反應(yīng)性自由基可以增加硅通孔的蝕刻速率，但是它也增加了tsv的橫向蝕刻速率。增加的離子轟擊會(huì)導(dǎo)致通孔蝕刻掩模的腐蝕，質(zhì)量差的蝕刻掩模會(huì)導(dǎo)致粗糙的側(cè)壁輪廓。最近的研究采用碳?xì)浠衔锖蜌浞蓟衔?HFC)氣體化學(xué)，通過(guò)形成側(cè)壁鈍化來(lái)改善TSV蝕刻剖面，并防止蝕刻掩模腐蝕。

在這項(xiàng)研究中，我們調(diào)查了不同類(lèi)型的影響

TSV蝕刻中的蝕刻掩模以及tsv中的側(cè)壁輪廓的影響。我們首先用傳統(tǒng)的光刻膠(PR)掩模檢查了TSV的側(cè)壁輪廓，并研究了兩種類(lèi)型的硬掩模對(duì)tsv側(cè)壁輪廓的影響。研究的TSV蝕刻材料是光致抗蝕劑、二氧化硅和鋁。隨著掩模的圖案尺寸變窄，蝕刻深度和蝕刻速率趨于降低。

結(jié)果

使用三種不同蝕刻掩模的蝕刻輪廓結(jié)果:光刻膠、氧化物和金屬。評(píng)估不同類(lèi)型的蝕刻掩模所考慮的因素是底切、殘留和蝕刻速率。

氧化物掩模(硬掩模1)

光致抗蝕劑是用于較大直徑的tsv的有用的蝕刻掩模材料，但是可能不適合用于塌陷扇形的較小尺寸的通孔。為了進(jìn)一步研究用于較小尺寸TSV圖案化的光致抗蝕劑的替代物，我們研究了硬掩模材料。第一種候選材料是二氧化硅(SiO2)，蝕刻后的TSV剖面的幾何特征如表3所示。直徑大于20微米的tsv超出了本實(shí)驗(yàn)的范圍。以前在ARDE也觀察到較大尺寸的TSV蝕刻，因?yàn)椴还芪g刻掩模材料的類(lèi)型如何，通孔直徑都在減小。

就采用二氧化硅硬掩模的硅蝕刻速率而言，成功證明了TSV蝕刻掩模低至3微米直徑tsv的潛力。我們?cè)谥睆綖?微米的TSV中觀察到非均勻蝕刻的TSV剖面，這被稱(chēng)為負(fù)載效應(yīng)。

在半導(dǎo)體制造中使用的金屬候選物中，通常選擇鋁，因?yàn)樗鼈円子谥圃觳⑶遗c常規(guī)制造工藝步驟兼容。在需要銅金屬互連來(lái)減少互連延遲之前，鋁已經(jīng)廣泛用于金屬互連。在許多半導(dǎo)體產(chǎn)品中，它仍然用于后段制程(BEOL)互連和焊盤(pán)。雖然在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝中不使用金屬蝕刻掩模，但是我們對(duì)這種用于成功制造tsv的更精細(xì)特征的耐用且可靠的蝕刻掩模感興趣。表4顯示了使用金屬硬掩模的通孔蝕刻結(jié)果。隨著圖案尺寸變得越來(lái)越小，也觀察到了ARDE，如先前用不同的候選掩模進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)所示。

比較表3和表4中所示的蝕刻速率，兩種類(lèi)型的硬掩模在各種尺寸的tsv中顯示出相似的蝕刻速率。與硬氧化物掩模不同，金屬掩模顯示出改善的底切和扇形塌陷，并且蝕刻輪廓總結(jié)在表4中。圖6示出了在2個(gè)微米直徑的TSV中的TSV蝕刻輪廓。

結(jié)論

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)A林科納半導(dǎo)體研究了用于制造更精細(xì)尺寸的硅通孔(tsv)的蝕刻掩模材料。傳統(tǒng)上用作硅蝕刻掩模的光致抗蝕劑可能不適合使用Bosch工藝的TSV制造的更精細(xì)的特征，并且我們建議對(duì)更精細(xì)的tsv使用硬掩模以減少底切和塌陷的扇形的數(shù)量。鋁中的硬金屬掩模提供了直徑小至2微米的tsv的優(yōu)良側(cè)壁輪廓。二氧化硅硬掩模在制造小于20微米、直徑小至幾微米的tsv時(shí)是有用的，但是氧化物掩模下的底切問(wèn)題仍然存在。不考慮蝕刻硬掩模材料，觀察到來(lái)自離子遮蔽的ARDE。

審核編輯：符乾江