倒装芯片后端铜金属化工艺

采用电镀工艺能有效降低成本,因此目前的IC工厂正趋向于大规模使用后端铜金属化工艺。

Paul A. Magill博士

技术总监

Unitive

magill@

IC制造过程中的后端金属化工艺大大推进了倒装芯片的互连结构在形式和性能方面的发展。过去倒装芯片互连一般采用软焊料,如IBM的97Pb/3Sn及Delco的50Pb/50In等,而所有这类工艺都需要用真空先镀一层薄膜以便和铝焊盘连接。最近也见到一些关于在铝焊盘上直接作金属化的报道,它通过镀锌工艺完成。虽然它在汽车制造业中被广泛采用,但由于种种原因,现在这种工艺并没有在半导体领域得到大规模的应用。

在IC业起步之初,铝(纯铝或铝合金)便以其相对较低的电阻率(273K时体电阻率为2.45uΩ-cm)以及与金和铂相比成本更低等优点而被选用于后端金属化工艺。其它可选作金属化的材料只有铜稍具吸引力,因为铜也具有电阻率低(273K时体电阻率为1.56uΩ-cm)、电迁移特性好以及淀积方法多等优点。尽管不久前用铜金属化工艺进行硅片加工还存在一些问题,但现在通过在铜镀层上制作粘附层技术,使这些问题已得到了解决,而且一种称为“Damascene”工艺的电镀和平面化技术已在多家公司进行了试用。

当与低K值介电层一起使用时,铜后端金属化工艺表现出极佳的性能,更重要的是作为传统铝淀积和后腐蚀的一种替代方式,它的成本更低。据市场调查机构报道,同现有后端金属化工艺相比,使用这种技术能使成本降低1/3。成本下降意味着铜后端金属化工艺必将会得到广泛采用,同时它也表明和这种技术相配的突起制作及重布线方法也必须要作相应改变以与其兼容。

后端铜工艺

当IC设计成边缘焊线互连形式时,为便于将裸片装入倒装芯片内,有时需要将焊盘重新分配。如果以铜替代铝作为IC后端工艺材料,自然就会想到用铜做重分层以确保性能及材料的兼容性。有好几种工艺可以用来进行铜金属化焊盘重分,如溅射淀积与后腐蚀工艺、可分离抗蚀成形工艺及电镀工艺等,下面主要讨论分离式工艺。

在金属化工艺流程中,利用溶剂协助分离完成金属成形具有很大吸引力,特别是在淀积结构需要有一定灵活性的场合。该工艺流程如图1,首先淀积一层光致抗蚀剂然后成形,这里抗蚀剂形成的倒角很重要,当金属用视线法(line-of-sight)作蒸发时,抗蚀剂上的金属与抗蚀剂开口处的金属会分开,溶剂将从断裂处渗透进去而把金属下面的抗蚀剂溶解掉,并带走不需要的金属,从而在晶圆上留下所需的金属图形。由于这种工艺仅仅利用淀积金属的缝隙进行蚀刻,所以可以采用淀积多个金属层的方法得到高可靠性焊层结构。

Unitive公司最近推出一种铜重分工艺,能形成几微米厚的线路,最小线宽和线间距分别为12um和13um,如果减小金属层厚度,用该工艺还可得到更小的线宽和间距。为提高界面处的抗蚀性,在淀积铜时可先用一层钛作为底层。这种结构既能用于单层也能用于多层工艺中。

铜工艺还需要有与其相兼容的介电材料。20世纪80年代末曾发表过多篇关于使用铜和聚酰亚胺作为多芯片组件(MCM)薄膜互连材料的专著,据报道,铜和聚酰亚胺之间会发生相互反应,导致铜分解成游离的颗粒存在于聚合物中。如果这种相互作用发生的频率较低,即使有些影响也还算不上主要问题,但如果发生频率较高则实际上增加了有效线宽,降低电磁信号的传播速度。造成这种分解现象的原因是在升温过程中聚酰亚胺的先质酸和铜之间发生了反应。

Unitive公司的铜重分工艺采用Dow化学公司提供的苯环丁烯(BCB)作为中间层介电材料,BCB不是聚酰亚胺,所以不存在先质酸,它和铜一起经过了广泛试验而没有不良作用的报道。此外,它还具有极佳的平面化特性和低介电常数(约2.65)。BCB材料与铜的良好兼容性及其表现出的高度平面化特性,使其成为提供金属化及晶圆突起加工服务的合约制造商的最佳选择,BCB材料同时还适用于分离式及电镀铜结构。

基本规则

现在采用的基本规则要求使用标称值为5um厚的介电层,同时掩模最小孔径为30um,焊盘最小孔径为17um。从BCB通孔剖面图(图2)可清晰看出这种光成像聚合物的侧壁有轻微的倾斜,对于电镀和分离工艺来说,这种侧壁构造是影响介电材料兼容性的一个重要因素。

上面介绍的技术对当今大多数设计及其周边区域互连都是必需的,同时这些技术还在进步以便与IC铜互连技术相兼容,而且连线的线宽、间距和高宽比等都会不断发展。用分离式方法所能获得的最小线宽/间距比和图形层厚度之间受一定的约束,随着线宽/间距比值减小,抗蚀层的厚度必须同时减小。要想获得更大的高宽比,则有必要采用电镀工艺。

为解决这些问题,Unitive公司计划在将来转向用电镀的方法,而且还设计了整套分离式工艺及基本规则,所以即使在转向电镀后也能够与以前的工艺很好地衔接。对客户来讲它所显示出来的互连结构是一样的,而获得的高宽比则有所增大。

此外,用于Unitive公司低温高铅焊接工艺的突起下部金属化(UBM)材料属于自动铜堆叠层,所以无须调整即可和铜金属化工艺相兼容。

本文结论

IC业界正趋向于广泛采用铜进行后端金属化工艺,这种趋势由于电镀工艺能降低成本而得到进一步推动。就焊层重分来说,Unitive公司开发出一种利用分离式技术实现的铜金属化工艺,在不久的将来,这种工艺还将会转向用电镀技术来完成。

设计朝向面阵列互连结构方向前进的速度将成为工艺转变的重要因素。如果采用面阵列设计后能去掉重分,那么分离式技术将能够满足设计的需求。在未来10年内,无缝铜互连流程以及与铜兼容的介电材料可能会成为倒装芯片工艺研究的方向和重点。