摘要：為提高高密度薄膜多層布線基板的BCB通孔質(zhì)量茶行，提出一種高密度、微小通孔的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法畔师，利用激光掃描共聚焦顯微鏡和掃描電鏡娶靡，對間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影和傳統(tǒng)浸沒顯影的BCB通孔顯微形貌和微觀結(jié)構(gòu)進行了對比分析看锉，同時，用掃描電鏡和四探針測試儀伯铣，對間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的BCB通孔導通電阻及通孔互連剖面進行了研究。結(jié)果表明：間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影與傳統(tǒng)浸沒顯影相比腔寡，50和20μm通孔內(nèi)部顯影充分焚鲜，通孔輪廓邊緣光滑放前；通孔內(nèi)部基本沒有雜質(zhì)富集，無BCB膠底膜殘存凭语。不同位置區(qū)域?qū)ν讓娮栌绊戄^小贝乎，50和20μm通孔導通電阻平均偏差均小于1 mΩ叽粹；而不同的顯影時間和噴淋壓力對通孔導通電阻影響較大却舀，當顯影時間為65～90 s，或當噴淋壓力為5～20 MPa時锤灿，50μm通孔導通電阻均下降至10 mΩ，20μm通孔導通電阻均下降至40 mΩ但校；50和20μm通孔臺階覆蓋良好。采用此顯影方法制作出高密度薄膜多層布線基板實物状囱，互連導通率均達到 100%术裸。
關(guān)鍵詞：BCB亭枷；高密度薄膜多層布線基板；顯影叨粘；形貌猾编；通孔互連升敲；導通電阻
中圖分類號：TN305.7 文獻標志碼：A
BCB（Benzocyclobutene）以其低介電常數(shù)、低介電損耗驴党、低吸水率、高熱穩(wěn)定性港庄、化學穩(wěn)定性以及高薄膜平整度和低固化溫度等優(yōu)良性能倔既，已廣泛應(yīng)用于高級微電子領(lǐng)域[1-3]攘轩，包括多層布線码俩、應(yīng)力緩沖/鈍化層、GaAs介質(zhì)內(nèi)層稿存、高頻器件笨篷、濾波器瓣履、MEMS以及生物芯片等[4-10]。特別是在多層布線應(yīng)用中袖迎，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)材料冕臭，其介質(zhì)通孔互連的導通性能直接影響著信號的高速傳輸，因此辜贵，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現(xiàn) BCB 通孔制作托慨。
傳統(tǒng)浸沒顯影方式進BCB通孔顯影鼻由， 容易導致通孔的高阻連接甚至互連斷路問題厚棵，特別是高深寬比的通孔顯影，造成信號斷路的幾率越來越大婆硬，為此狠轻，必須使用高昂的等離子刻蝕設(shè)備柿祈，采用O2/C2F6、O2/SF6等特殊氣體進行BCB去底膜工藝[11]躏嚎，造成了基板制造過程中工藝周期增加蜜自，工藝復(fù)雜程度提高卢佣，甚至制造成本的大幅上升⌒椴瑁基于此戈鲁，本文提出一種高密度薄膜多層布線基板的間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影新方法嘹叫，可滿足高密度、微小孔徑的BCB通孔顯影罩扇。并通過研究間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影對BCB的通孔形貌婆芦、微觀結(jié)構(gòu)喂饥、導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员帮，實現(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)用捞高。
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 所示氯材， 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浓体， 停止噴淋泡挺，利用離心力以正向和反向交替低速旋轉(zhuǎn)方式進行顯影命浴，大大提高顯影均勻性；一定工藝時間后生闲，顯影噴頭再次噴淋新的顯影液媳溺，并沖走舊的顯影液碍讯，避免了舊顯影液的重復(fù)污染；繼續(xù)顯影捉兴，重復(fù)幾次直到顯影結(jié)束蝎困。然后自動切換噴嘴倍啥，噴淋定影液進行定影，一定工藝時間后基板高速旋轉(zhuǎn)并氮氣吹干虽缕。其中噴淋壓力始藕、噴嘴角度氮趋、轉(zhuǎn)速、顯影液溫度可調(diào)節(jié)剩胁。
圖1 間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影示意圖
2.實驗
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昵观，襯底材料為50 mm×50 mm 的Al2O3陶瓷基板晾腔，第1索昂、第2層的薄膜布線層采用0.15 μm/1μm/0.15μm的Cr/Cu/Cr 復(fù)合薄膜扩借。光敏BCB通孔互連制作流程如圖2所示 椒惨。 首先在Al2O3 陶瓷基板表面制作Cr/Cu/Cr第1層薄膜布線潮罪，旋涂增粘劑和BCB 膠康谆，轉(zhuǎn)速均為3000 r/min，30 s沃暗，膜厚約為10μm，進行預(yù)烘孽锥、曝光嚼黔、顯影前烘工藝惜辑，分別采用傳統(tǒng)浸沒顯影方式和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式進行通孔顯影唬涧，傳統(tǒng)浸沒顯影方式為直接將Al2O3陶瓷基板置于 DS3000 顯影液中顯影盛撑，顯影溫度為40℃，然后置于室溫下 DS3000中浸沒定影抵卫，氮氣吹干狮荔；而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影可一次性完成顯影介粘、定影和氮氣吹干步驟，顯影溫度為40℃碗短，設(shè)置噴嘴角度為70°（此時噴液量可 100%覆蓋 Al2O3 陶瓷基板受葛，有利于顯影均勻性）偎谁， 轉(zhuǎn)速為50 r/min，噴淋壓力0～20 MPa巡雨，兩種顯影方式的顯影終端時間均為50 s闰渔，顯影時間均為60～100s铐望，即過顯百分比均為10%～100%，對BCB通孔進行顯微形貌觀察與分析正蛙；然后置于210℃氮氣氣氛中固化40 min 督弓，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）乒验，形成層間通孔互連，此時對層間通孔互連結(jié)構(gòu)進行通孔導通性能分析锻全。
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狂塘，測量通孔內(nèi)臺階高度，并觀察層間通孔互連的剖面形貌荞胡。采用VERSA 3D掃描電鏡觀察通孔微觀形貌妈踊， EDS 分析通孔微區(qū)成分泪漂； 采用Model-120四探針測試儀測量Kelvin結(jié)構(gòu)的通孔導通情況。Kelvin結(jié)構(gòu)包含帶通孔的兩層互連測試結(jié)構(gòu)萝勤，以及無通孔的與測試結(jié)構(gòu)布線長度相同的單層薄膜布線參考結(jié)構(gòu)赘风。其通孔導通電阻為兩者電阻差纵刘，除以相差的通孔個數(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 通孔顯微形貌對比分析
BCB 通孔形貌與 BCB 通孔顯影質(zhì)量密切相關(guān)假哎。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舵抹、深寬比越大時肪虎，衍射效應(yīng)越明顯惧蛹， 圖形畸變程度越嚴重扇救，不利于通孔光刻香嗓。為考察間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影效果及能力，對比分析傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影在孔徑為 20 和 50 μm 時 BCB 通孔顯微形貌靠娱，考察其間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影質(zhì)量沧烈。
在顯影時間均為75s像云，過顯百分比為50%，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力10 MPa 時迅诬，研究傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式下20和50μm 通孔光學形貌腋逆，結(jié)果如圖 3 所示侈贷。從圖 3(a)和(c)可以看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下，50μm 通孔輪廓邊緣光滑柬泽，通孔內(nèi)部呈現(xiàn)“彩色干涉環(huán)”，20μm通孔輪廓收縮變形锨并，通孔內(nèi)部完全被底膜覆蓋。由圖3(b)和(d)可以看出睬棚，當間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的噴淋壓力為10 MPa時，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑抑党，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮包警，均未見BCB膠底膜殘留底靠，僅在環(huán)形邊緣位置可見少量側(cè)墻底膜害晦。這是因為傳統(tǒng)浸沒顯影受到顯影深度效應(yīng)影響暑中，顯影劑分子的擴散速度逐漸降低，顯影液在微小通孔內(nèi)傳質(zhì)困難鳄逾，顯影速率小稻轨，而由于不受到噴淋壓力的作用雕凹，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膠底膜枚抵。而通過施加噴淋壓力线欲，沖洗掉溶解在顯影液中的 BCB 膠底膜汽摹，增加通孔內(nèi)顯影速率询筏， 顯著降低并清除通孔內(nèi)部BCB膜底膜竖慧，提高了通孔顯影均勻性。
圖 3 不同顯影方式 20 和 50 μm 通孔的光學形貌圖片
圖 4 為在顯影時間均為75 s圾旨，過顯百分比均為50%踱讨，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為10 MPa 時砍的，不同顯影方式20和50μm的通孔三維形貌及截面處通孔臺階曲線。從圖 4 (a)和(c) 可看出，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下帚稠，50μm 通孔側(cè)壁較陡直谣旁，通孔側(cè)壁處被大面積環(huán)形BCB膠底膜覆蓋滋早，通孔底部中心到膜層表面臺階高度為12.341μm，20μm通孔側(cè)壁及中心完全被BCB膠底膜覆蓋杆麸，其臺階高度為11.219 μm搁进。由圖 4(b)和(d)可以看出昔头，當間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影噴淋壓力為 10 MPa 時，50和20μm 通孔側(cè)壁陡直揭斧，通孔側(cè)墻覆蓋面小莱革，其通孔底部中心到膜層表面臺階高度分別為12.361 和 11.970 μm讹开，與圖 4 (a)和(c) 臺階高度相差分別為 0.02 和 0.751 μm驮吱，即為 BCB 膠底膜厚度萧吠。這是因為受膜厚影響左冬， 前烘易引起 BCB 膠底部到表面的有機溶劑揮發(fā)速度差纸型，造成殘留的有機溶劑濃度在深度方向存在梯度[13-14]拇砰，從而造成底部到表面BCB 的熱交聯(lián)程度不同狰腌，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)生表面噪聲琼腔、出現(xiàn)底膜瑰枫，而當通孔孔徑較小時丹莲，使殘留的底膜從側(cè)壁向底部中心延伸，直至通孔內(nèi)部完全被覆蓋甥材。而間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式利用 10 MPa 的高壓噴淋顯影盯另，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)”對微小通孔內(nèi)側(cè)壁與通孔底部顯影差異性的影響洲赵。
圖 4 不同顯影方式 20 和 50 μm 通孔三維形貌及臺階曲線商蕴，
3.2.BCB通孔微觀結(jié)構(gòu)對比分析
進一步對比分析傳統(tǒng)浸沒顯影和間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影過程中通孔的微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分，對其進行 SEM 觀察和 EDS 分析绪商。圖5、圖6為在顯影時間為75 s辅鲸，過顯百分比為50%格郁，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為 10 MPa 時瓢湃，不同顯影方式下20和50μm 的通孔 SEM照片及EDS 譜圖赫蛇。從圖 5 (a)和(c)可以看出绵患， 傳統(tǒng)浸沒顯影的50μm 通孔內(nèi)部有明顯片狀殘膠殘留，通孔內(nèi)部微區(qū)表面含碳落蝙、氧、硅暂幼、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旺嬉，這表明通孔內(nèi)部存在少量BCB膠底膜管行；由圖5 (b) 和(d)可以看出邪媳，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的 50μm通孔內(nèi)部邊界清晰捐顷，內(nèi)部基本沒有雜質(zhì)富集雨效。通孔內(nèi)部微區(qū)表面含鉻和銅成分，未見BCB組成成分徽龟；從圖 6 (a)和(c)可以看出叮姑， 傳統(tǒng)浸沒顯影的20μm 通孔輪廓收縮變形据悔，通孔內(nèi)部微區(qū)表面含碳传透、氧、硅成分旷祸，而碳、氧讼昆、硅為BCB主要組成元素托享，表明通孔內(nèi)部已基本被BCB膠底膜覆蓋；由圖6 (b)和(d)可以看出闰围，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的 20 μm 通孔內(nèi)部邊界清晰赃绊，通孔內(nèi)部微區(qū)表面含鉻和銅成分羡榴，未見BCB組成成分。這表明與傳統(tǒng)浸沒顯影相比校仑，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影的通孔內(nèi)部基本無 BCB 膠底膜忠售，可滿足孔徑為50和 20 μm 的BCB微小通孔顯影迄沫。
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微小通孔后稻扬，需要對其進行基板層間通孔互連工藝研究羊瘩，考察其間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式對層間互連導通性能的影響。
在顯影時間為75 s尘吗，過顯百分比為50%逝她，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋壓力為 10 MPa 時睬捶，分別選取基板上黔宛、下擒贸、左、右酗宋、中不同位置积仗，不同顯影方式下使用四探針測試儀測量Kelvin 結(jié)構(gòu)20和50μm 的通孔導通情況，各5組寂曹， 并通過測試結(jié)構(gòu)及參考結(jié)構(gòu)計算得到通孔導通電阻平均值。不同位置處通孔導通電阻平均值結(jié)果如表 1 所示回右。
表 1 不同位置區(qū)域的通孔導通電阻測試結(jié)果
由表1可看出隆圆，傳統(tǒng)浸沒顯影方式下翔烁， 20μm 通孔導通電阻阻值無窮大渺氧，50μm 通孔導通電阻差異性較大蹬屹，其通孔導通電阻平均偏差大于15 mΩ 白华，不利于微小通孔互連， 后續(xù)將不作對比分析贩耐；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通電阻差異性均較小潮太，其通孔導通電阻平均偏差均小1 mΩ 管搪，說明間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影可大大降低不同位置處顯影差異铡买，通孔導通電阻一致性好更鲁，有利于高密度薄膜多層布線基板的通孔互連。
圖7為在顯影時間75 s奇钞，噴淋壓力10MPa時，不同過顯百分比對通孔導通電阻變化情況蛇券。采用 Kelvin 結(jié)構(gòu)分別測量孔徑為20和50μm 的通孔導通電阻缀壤。從圖7可看出纠亚，在過顯百分比 10%～100%時，50μm 通孔導通電阻隨過顯百分比的增加呈先下降后基本保持穩(wěn)定筋夏，在過顯百分比為 30%～ 80%時，即顯影時間為 65s～90s 時条篷，通孔導通電阻較低骗随，且阻值保持穩(wěn)定赴叹，維持在10mΩ 以下鸿染。20 μm 通孔導通電阻隨過顯百分比的增加呈先下降后上升趨勢乞巧，在過顯百分比為40%～60%時，通孔導通電阻較低绽媒，約為 35 mΩ蚕冬，且阻值保持穩(wěn)定。這說明間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影有利于通孔導通電阻阻值的顯著下降囤热，顯影寬容度較大，有利于降低顯影的高敏感性和低重復(fù)性获三。
圖 7 不同過顯百分比的50和20μm 通孔導通電阻變化
圖 8 為在顯影時間為 75 s旁蔼，過顯百分比為50%時，不同噴淋壓力對通孔導通電阻變化情況牌芋。采用Kelvin結(jié)構(gòu)分別測量孔徑為20和50μm的通孔導通電阻蚓炬。從圖8可看出，當噴淋壓力為0 MPa時肯夏，即類似于傳統(tǒng)浸沒顯影50μm 通孔導通電阻阻值達到40mΩ 以上，當噴淋壓力在5～20 MPa 時犀暑，隨著噴淋壓力的增加，通孔導通電阻迅速降低耐亏，阻值維持在 10 mΩ 以下徊都；而對于20μm通孔而言，當噴淋壓力為 0 MPa 時暇矫，通孔導通電阻阻值無窮大，即層間互連斷路择吊，當噴淋壓力在5～20 MPa時李根，隨著噴淋壓力的增加，通孔導通電阻迅速降低几睛，阻值維持在40mΩ 以下。這表明噴淋壓力為0 MPa 時不利于微小通孔的顯影所森，增加噴淋壓力可以進一步消除 BCB 膠體內(nèi)部高密度平衡態(tài)和低密度非平衡態(tài)的溶解差異囱持，逐步達到溶解一致焕济，因此，當噴淋壓力增加到一定壓力時晴弃， 通孔導通電阻保持穩(wěn)定掩幢。
圖 8 不同噴淋壓力的 50 和 20 μm 通孔導通電阻變化
3.4.層間通孔互連剖面分析
進一步分析間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式對層間通孔互連剖面形貌的影響肝匆。圖9為50和
20 μm通孔互連剖面顯微照片粒蜈。由圖9可知， 通孔為50μm時枯怖，通孔周圍的上下層布線呈“淺碟形”結(jié)構(gòu)，通孔臺階覆蓋良好能曾，通孔底部互連良好度硝；通孔為20μm時肿轨，通孔周圍的上下層布線呈“U”形結(jié)構(gòu)蕊程，通孔臺階覆蓋良好椒袍，通孔底部互連良好藻茂。這是由于受膜厚的影響驹暑，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]辨赐，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)程度优俘，且隨著通孔孔徑越小，此趨勢越明顯帆焕。由此可見，采用間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影方式有利于層間微小通孔互連不恭。
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)噴淋顯影新方法换吧，制作出4塊50μm 通孔的高密度 BCB/Cu 薄膜多層布線基板折晦，并對基板內(nèi)部所有網(wǎng)絡(luò)互連線進行測試式散，互連導通率均達到 100%（規(guī)定導通網(wǎng)絡(luò)阻值≤50mΩ）打颤，且無互連網(wǎng)絡(luò)之間短路（規(guī)定網(wǎng)絡(luò)之間阻值≥20 MΩ）暴拄。
1）從通孔形貌來看，間歇旋轉(zhuǎn)噴淋顯影在噴淋壓力為 0 MPa 時编饺，顯影不充分，50和 20μm 通孔內(nèi)部存在 BCB 膠底膜透且；當噴淋壓力為10 MPa 時撕蔼，50和20μm 通孔輪廓邊緣光滑，側(cè)壁陡直秽誊，通孔內(nèi)部中心區(qū)域光亮，均未見 BCB 膠底膜殘留锅论。
2）通過通孔微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析讼溺，20和50μm通孔內(nèi)部邊界清晰，內(nèi)部基本沒有雜質(zhì)富集怒坯，且通孔內(nèi)部中心微區(qū)表面主要含鉻和銅成分炫狱，表明通孔內(nèi)部中心無 BCB 膠底膜殘留，底部為基板-薄膜界面 Cr/Cu/Cr 復(fù)合薄膜層视译。
3）從層間通孔導通電阻分析來看，采用 Kelvin 結(jié)構(gòu)時归敬，50 和 20 μm 通孔在滿足一定的過顯百分比時酷含，通孔導通電阻下降最快汪茧，且阻值保持穩(wěn)定，顯影寬容度大陆爽；在噴淋壓力 5～20 MPa 時什往，通孔導通電阻迅速降低，此時電阻最小慌闭，且阻值保持穩(wěn)定别威。
4）通過層間通孔互連剖面分析驴剔，50 和20 μm 通孔臺階覆蓋良好省古，通孔底部互連良好丧失。
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