高深宽比硅通孔检测技术研究

2014-03-22燕英强明雪飞陈桂芳

电子与封装 2014年11期

关键词：通孔白光侧壁

燕英强，吉勇，明雪飞，陈波，陈桂芳

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

高深宽比硅通孔检测技术研究

燕英强，吉勇，明雪飞，陈波，陈桂芳

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

由于SEM显微镜、FIB显微镜检测高深宽比硅通孔耗时、费用高，研究了垂直扫描白光干涉技术检测硅通孔的可行性。设定刻蚀/钝化时间比率，改变深硅刻蚀功率和刻蚀时间，获得不同深度和侧壁粗糙度的硅通孔，并用垂直扫描白光干涉技术进行检测。研究结果表明垂直扫描白光干涉技术可以观察硅通孔的形状、测量侧壁粗糙度、精确无损测量硅通孔深度，可以替代SEM、FIB检测方法。

深硅刻蚀；白光干涉；侧壁粗糙度；通孔形状；通孔深度；无损检测

1 引言

随着电子元器件向着多功能、高性能、低功耗、更轻、更薄、更小的方向不断发展，半导体器件三维封装技术成为最有效、最快捷的技术途径之一。利用TSV（Through Silicon Via，硅通孔）工艺进行三维封装可实现半导体器件封装密度增大、互连线缩短、外形尺寸缩小，并可极大改善芯片速度和低功耗的性能，实现更多的功能，拥有更好的性能[1~4]。近年，TSV工艺已经成为半导体器件三维封装技术研发的热点。

深硅刻蚀工艺是最主流的硅通孔制作技术，是TSV工艺关键技术之一，也是TSV工艺的技术基础。目前，硅通孔形状和侧壁粗糙度严重影响硅通孔侧壁薄膜淀积和电镀填充质量，必须对硅通孔形状、侧壁粗糙度及深度进行检测。测量硅通孔形状、深度，通常是将硅通孔轴向剖开，采用高倍光学显微镜或SEM（扫描电子显微镜）等观察硅通孔形状、测量深度及通孔直径；通常采用聚焦离子束显微镜（FIB）将通孔剖开并测量侧壁粗糙度。这些检测方法费时、费力且费用较高。

本文对垂直扫描白光干涉方法是否适宜高深宽比硅通孔检测进行了研究。

2 垂直扫描白光干涉检测技术

垂直扫描白光干涉测量技术利用两列白光干涉产生的白光干涉条纹，其中央的零级条纹（容易与其他级条纹相区别）来指示零光程差的位置，从而获得各点的相对高度，进而重构出表面三维轮廓。工作台带动试样作垂直扫描运动，使试样表面不同高度的各点依次通过零光程差的位置，用面阵CCD记录下各个位置的白光干涉条纹，经过计算处理后即可获得被测试样的表面三维形貌[5~7]，参见图1。

图1 垂直扫描白光干涉测量原理

3 实验材料、方法及设备

硅通孔设计直径35 μm。实验采用标准152.4 mm〈100〉晶向硅片，SiO2和AZ4620光刻胶作深硅刻蚀掩模，按照硅片清洗→烘干→淀积SiO2→涂胶→前烘→曝光→显影→后烘→干法刻蚀SiO2→深硅刻蚀→检测的工艺流程进行实验：

（1）用丙酮、异丙醇、去离子水各超声波清洗10 min；

（2）甩干硅片，并且在干燥箱中125 ℃烘烤20 min；

（3）PECVD淀积SiO2，厚度2 μm；

（4）旋涂AZ4620光刻胶13～15 μm；

（5）进行软烘、曝光、显影；

（6）120 ℃后烘20 min；

（7）反应离子刻蚀（RIE）SiO2；

（8）采用英国STS公司STS Multiplex深硅刻蚀系统进行硅通孔刻蚀；

（9）采用Contour GT-i非接触式三维光学轮廓仪测量硅通孔形状、深度及侧壁粗糙度。

4 实验结果及分析

设定刻蚀周期内刻蚀/钝化时间比为8 s:3 s，改变刻蚀功率、刻蚀时间等工艺参数，参见表1，获得不同深度的硅通孔，并通过白光干涉技术检测硅通孔形状、测量硅通孔侧壁粗糙度及深度。

4.1通孔形状测量

将实验条件1#深硅刻蚀的硅通孔轴向剖开，分别用SEM、非接触白光干涉轮廓仪Contour GT-i进行检测，参见图2。SEM、白光干涉测量结果显示通孔上下直径相同、侧壁近似垂直，白光干涉测试更形象、直观。

表1 深硅刻蚀工艺参数

为防止硅片温度过高，2#实验刻蚀50 min后停止刻蚀，机台自动冷却，其中刻蚀起始功率从50 W逐渐增加到75 W（增幅0.5 W·min-1），然后再刻蚀30 min，刻蚀功率起始功率75 W，终止功率90 W（增幅0.5 W·min-1）。白光干涉测试结果显示通孔顶部侧壁近似垂直，底部直径急剧缩小，参见图3。原因是刻蚀功率过大导致纵向/横向（垂直方向）刻蚀速率比率过大，从而使得底部通孔直径变小。垂直扫描白光干涉技术可以显示剖开通孔形状的二维、三维图形，检测结果形象、直观。

图2 1#实验SEM和白光干涉检测对比

4.2通孔侧壁粗糙度测量

粗糙度测量方法有原子力显微镜、聚焦离子束显微镜（FIB）、SEM显微镜、白光干涉、激光干涉等。采用FIB将通孔轴向剖开并测定粗糙度结果最直观，参见图4左。原子力显微镜不太适合测量曲面粗糙度，采用SEM显微镜测量侧壁粗糙度，需要将通孔轴向剖开并研磨抛光，但硅属于脆性材料，研磨抛光十分困难，极易导致侧壁边缘崩裂而无法测量，参见图4右。

图3 2#实验白光干涉照片

图4 FIB照片和SEM照片

将1#、2#实验深硅刻蚀的硅通孔轴向剖开，用非接触式白光干涉轮廓仪Contour GT-i对侧壁粗糙度进行检测。1#实验的硅通孔顶部、中间、底部粗糙度Ra分别为95.003 nm、99.938 nm、118.534 nm，侧壁粗糙度从顶部至底部逐渐增大，参见图5。2#实验的硅通孔顶部、中间、底部侧壁粗糙度Ra分别为192.664 nm、165.664 nm、191.526 nm，参见图6。随着刻蚀功率增加，刻蚀速率增加，周期内径向刻蚀深度增加，所以2#实验硅通孔侧壁粗糙度大于实验1#的硅通孔侧壁粗糙度。垂直扫描白光干涉技术可以快速、便捷地测量硅通孔侧壁粗糙度。

图5 1#实验硅通孔侧壁粗糙度白光干涉测试结果

图6 2#实验硅通孔侧壁粗糙度白光干涉测试结果

4.3硅通孔深度测量

通常，测量硅通孔的刻蚀深度为破坏性测试，即将硅通孔轴向剖开后，采用扫描电子显微镜（SEM）测量通孔的深度，此测量方法费时、费力，且不适合在线检测。为验证非接触白光干涉轮廓仪Contour GT-i深孔深度测量无损检测的可行性及深度检测能力，在1#实验条件下增加刻蚀总时间获得不同深度的硅通孔，白光干涉测量通孔深度分别为266.416 5 μm、367.702 3 μm，参见图7（a）和图8（a）。为确认测量结果的正确性，将硅通孔轴向剖开，并用SEM显微镜对深度进行了测量，深度分别为266.3 μm、368.2 μm，参见图7（b）和图8（b）。可见，用非接触式白光干涉轮廓仪Contour GT-i可以快速、便捷地对深孔的深度进行无损测量，并且测量结果精确。

5 结论

现在垂直扫描白光干涉技术已经非常先进，通过软件可以绘制出高深宽比硅通孔形状的二维、三维图像，非常直观地观察通孔形状整体形貌，并可以测量硅通孔侧壁粗糙度；通过与SEM深度测量结果对比，垂直扫描白光干涉技术可以对高深宽比硅通孔深度进行快速、精确的无损检测，并可形成通孔三维形貌。

垂直扫描白光干涉技术测量时无需真空条件和喷金处理，可以对硅通孔刻蚀质量进行简单、快速、非接触、甚至无损检测，其测量垂直分辨率可达百分之几个纳米，垂直扫描量程可达几毫米。其完全可以取代SEM显微镜、FIB显微镜，测量高深宽比、大深度硅通孔形状、侧壁粗糙度及深度，并且简单、方便、快速、费用较低。

图7 1#实验硅通孔侧壁粗糙度白光干涉与SEM测试结果

图8 1#实验硅通孔侧壁粗糙度白光干涉与SEM测试结果

[1] 童志义. 3D IC集成与硅通孔（TSV）互连[J]. 电子工业专用设备，2009, 170（3）：27-34.

[2] 赵璋，童志义. 3D-TSV技术——延续摩尔定律的有效通途[J]. 电子工业专用设备，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] 陈海英. 芯片级三维集成前景光明[J]. 混合微电子技术，2010, 7（2-3）：111-115.

[5] 戴蓉，谢铁邦，常素萍. 垂直扫面白光干涉表面三维形貌测量系统[J]. 光学技术. 2006, 7（32）：525-545.

[6] 张文栋. 微米纳米器件测试技术[M]. 北京：国防工业出版社. 2010. 35-37.

[7] 郭彤，胡春光，陈津平，傅星，胡小唐. 垂直扫描白光干涉术用于微机电系统的尺寸表征[J].光学学报，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