面向異質集成應用的BCB 通孔刻蝕研究

許理達，戴家赟，孔月嬋，王 元

(南京電子器件研究所，江蘇南京 210016)

近年來，隨著微電子技術的迅速發展，異質集成技術成為了后摩爾時代突破器件性能的解決方案之一。硅基異質集成Ⅲ-Ⅴ族工藝能夠把Si CMOS 工藝高良率、高集成度的特點與化合物半導體優異的射頻性能相結合，實現兩者優勢的互補[1]。例如將InP HBT 和Si CMOS 集成起來，能夠兼具高頻高速和高集成度等優勢[2]。其中，外延層轉移技術作為異質集成工藝中的一種技術途徑，一直以來受到廣泛關注[3]。外延層轉移異質集成技術是通過剝離轉移的方法，將InP HBT 等化合物半導體外延層從原始襯底剝離，并鍵合轉移到Si CMOS 襯底上[4]。BCB(苯并環丁烯)是InP HBT 工藝中廣泛使用的臺面鈍化材料[5-6]，同時BCB也是一種常用的鍵合介質，因此適宜使用在InP HBT材料與Si CMOS 的異質集成環境中[7-8]。但是由于BCB 的電絕緣特性，在實現了化合物半導體外延層的轉移后，還需要通過BCB 通孔實現InP HBT 器件與Si CMOS 器件之間的信號垂直互連。

如圖1 所示，對于兩層金屬的InP HBT 來說，分割成島狀的InP HBT 管芯被2 μm 厚的BCB1 介質層包裹，M1 層金屬下同樣覆蓋有約2 μm 厚的BCB2 介質層，最上面是M2 層金屬。然后上述結構從原始InP襯底剝離，通過BCB 鍵合轉移到目標Si CMOS 襯底上，考慮到Si CMOS 表面的起伏，常用的鍵合BCB層約1 μm 厚。即需要通過深度約5 μm 厚的BCB 介質實現InP M2 金屬與CMOS 頂層金屬間的互連。

圖1 外延層轉移工藝互連結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the epitaxial layer transfer process structure

刻蝕通孔的制備需要保證不對后續異質集成工藝以及集成器件性能產生影響。相比于常規InP 器件中單個薄層BCB 介質的通孔刻蝕，本文中跨越多層BCB介質的通孔刻蝕對刻蝕的效率和刻蝕孔的形貌都提出了更高的要求。即在獲得高密度小尺寸BCB 通孔的同時，還應當保證BCB 通孔之間的有效隔離。針對上述工藝需求，本文重點研究了面向異質集成應用的BCB深孔刻蝕工藝，系統地分析了射頻功率、腔室壓強和刻蝕氣體成分比等參數對刻蝕速率和刻蝕形貌的影響。通過優化工藝條件實現了側壁光滑、垂直度高、深寬比約為1 :1、刻蝕孔深度約5 μm 的通孔刻蝕，所獲得的優化刻蝕工藝參數可作為類似通孔刻蝕和集成互連工藝的參考。

1 實驗過程

由于BCB 的化學性質很穩定，一般無法通過濕法腐蝕實現高質量BCB 通孔結構的制備，因此本文采用具有高刻蝕效率、高各向異性以及高控制精度的ICP干法刻蝕技術來制備BCB 通孔?？涛g掩膜的選擇將會影響整個集成工藝方案的設計。盡管使用氮化硅或氧化硅之類的電介質或者鋁、鎳等金屬硬掩模能更容易得到高垂直度的通孔，但是使用這類硬掩模也有不利于后續集成工藝的風險，其存在的風險如下:

(a)大面積金屬掩膜刻蝕對腔室的污染較為嚴重，無法重復多次刻蝕工藝。

(b)硬掩膜去除工藝存在工藝不兼容問題，例如用于去除金屬掩模的酸或堿，或者用于去除氧化硅等電介質掩模的氫氟酸通常會對其掩蓋的BCB 產生影響。

(c)硬掩膜的去除更加困難，殘留的硬掩膜可能影響集成器件的性能。

有鑒于此，為了不在集成工藝過程中影響器件性能，本文實驗優先選擇了光刻膠作為BCB 刻蝕的軟掩膜。為了更好地表征刻蝕效果，在4 英寸的氧化硅上先后沉積了20 nm 鈦(Ti)，300 nm 金(Au)和10 nm鈦(Ti)的多層金屬結構。其中，最底部的Ti 充當了襯底材料和Au 之間的粘合層，Au 可作為BCB 刻蝕的停止層。同時，ICP 刻蝕工藝能刻蝕表層Ti 層，從而暴露底層Au 停止層，兩者明顯的顏色差異有利于在顯微鏡下對刻蝕結果鏡檢分析，從而監控整個刻蝕工藝過程。多層金屬制備完成后，先后旋涂AP3000 粘附劑以及約2.5 μm 厚的BCB，在110 ℃下烘120 s 后，在通有氮氣的烘箱中于250 ℃固化60 min。上述步驟完成兩次后，在已經固化好的BCB 表面旋涂8 μm 的AZ4562 光刻膠，通過ASML 步進式光刻機完成掩膜的圖形化過程。然后使用NE550 ICP 等離子體刻蝕機對BCB 進行干法刻蝕。刻蝕完成后，將實驗載片置于丙酮、酒精等清洗溶液中超聲10 min，再置于NMP 與EKC830 的混合溶液中于60 ℃水浴30 min，將其表面的光刻膠和刻蝕殘留去除干凈。最后使用臺階儀進行BCB 刻蝕深度的測量，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)對刻蝕孔形貌進行精確分析。

2 結果與分析

在BCB 通孔刻蝕過程中會遇到一系列的問題，例如BCB 通孔側壁和底部的刻蝕生成物、BCB 通孔的垂直度等問題。結合國內外的研究成果，很多相關的實驗都使用含氟自由基的氣體混合物作為BCB 的刻蝕氣體，例如CF4，SF6和NF3等與O2的混合氣體[9-13]。在本實驗中，選擇SF6和O2作為主要刻蝕氣體，在固定刻蝕氣體流量為50 mL/min 的條件下，分析并討論了射頻功率、偏置功率、腔室壓強和刻蝕氣體成分比等工藝參數對刻蝕速率、刻蝕通孔沉積物以及刻蝕通孔垂直度的影響。

2.1 BCB 通孔刻蝕速率的影響

圖2 表示在偏置功率20 W，腔室壓強1 Pa，SF6與O2體積比為3 :2 的條件下，刻蝕速率隨射頻功率的變化曲線。結果顯示當射頻功率在100～300 W 區間內時，刻蝕氣體速率與射頻功率成正相關性。隨著射頻功率由100 W 上升至300 W，更多的等離子體被激發，腔室內刻蝕粒子密度上升并與樣品表面充分接觸，刻蝕速率由2.1 nm/s 上升至6.9 nm/s。而當射頻功率大于300 W 后，刻蝕速率的提升呈變緩趨勢。此時腔室內的氣體將趨于完全電離，刻蝕粒子產量將逐漸逼近飽和。隨著參與刻蝕反應的粒子與表面充分接觸，刻蝕粒子消耗的速率也會接近飽和，從而使得參與刻蝕的粒子總量趨于動態平衡，刻蝕速率增長趨于緩慢。

圖2 刻蝕速率隨射頻功率變化曲線Fig.2 Etching rate versus RF power

圖3 表示在射頻功率為300 W，偏置功率20 W，腔室壓強1 Pa 的條件下，刻蝕速率隨刻蝕氣體體積比變化的曲線。結果顯示刻蝕速率隨O2體積分數增加而逐漸上升。在O2體積分數小于30%時，刻蝕速率較為緩慢。這是由于BCB 的分子鏈中包含碳氫化合物，在與氟離子發生刻蝕反應后容易在BCB 表面產生碳氟聚合物，阻擋了BCB 刻蝕表面與刻蝕粒子的充分接觸，從而影響了刻蝕速率。隨著O2體積分數從30%提升至70%，刻蝕速率大幅上升，此時較高的氧離子含量有助于將刻蝕過程中產生的碳基和氟基刻蝕生成物轉化為易揮發的CO、CO2和COF2等氣體產物，使得刻蝕粒子能與刻蝕表面充分接觸，從而提高了刻蝕速率。然而，當O2體積分數繼續提高至70%以上時，刻蝕速率的增長變得緩慢。此時過多的氧離子濃度會導致刻蝕表面產生不易去除的硅基刻蝕生成物SiOn，產生微掩膜效應，從而抑制了刻蝕速率的增長變化。

圖3 刻蝕速率隨O2體積分數變化曲線Fig.3 Etching rate versus O2volume fraction

由圖4 可知，在射頻功率300 W，偏置功率20 W，SF6與O2體積比為3 :2 的條件下，當腔室壓強在1～2 Pa 時，BCB 刻蝕速率變化并不明顯，而當腔室壓強增加至2 Pa 以上時，刻蝕速率開始呈下降趨勢。這是由于在低氣壓的條件下，刻蝕粒子的平均自由程較長，物理轟擊作用和刻蝕方向性也相對較強，因而刻蝕速率相對較高。而在腔室壓強較高時，刻蝕粒子之間的碰撞導致其攜帶的能量損失，令刻蝕粒子的平均自由程相對減少，方向性變差，從而導致蝕刻速率降低。

圖4 刻蝕速率隨腔室壓強的變化曲線Fig.4 Etching rate versus pressure

2.2 BCB 通孔刻蝕沉積物的影響

刻蝕通孔的潔凈程度對于集成工藝至關重要，有額外殘留物的刻蝕表面可能會對器件后續的互連工藝產生不利影響，導致集成器件的性能失效。在ICP 刻蝕BCB 的工藝過程中，可能存在的微掩膜效應和聚合物反應會導致通孔側壁和底部沉積形貌粗糙的硅基和碳基生成物。通孔底部不充分的刻蝕反應導致的刻蝕物殘留會增大互連電阻，甚至引發斷路。為了得到側壁光滑、底部無殘留的刻蝕通孔。本文在一定射頻功率和氣體成分比的條件下，通過控制腔室壓強和偏置功率促進刻蝕表面的物理和化學反應，并減少生成物殘留積累。

圖5 顯示了腔室壓強分別為2，4，6，8 Pa 的條件下刻蝕后的刻蝕形貌。由圖可知，在腔室壓強相對較小的2 Pa，4 Pa 條件下，刻蝕殘留較少，而在腔室壓強較大的6 Pa 和8 Pa 條件下，在底部能明顯觀察到絮狀刻蝕殘留。這是因為在腔室壓強較低的條件下，刻蝕粒子的平均自由程較長，具有一定的物理轟擊作用。而在高腔室壓強的條件下，刻蝕粒子的平均自由程下降，粒子在與刻蝕界面接觸時所攜帶的能量減少，刻蝕反應不能充分進行。部分刻蝕生成物不能轉化為更易揮發的氣態物質，停留在了刻蝕表面。

圖5 不同壓強下的刻蝕形貌圖Fig.5 Etching topography under different pressures

圖6 顯示了在相同刻蝕條件下，腔室壓強為1 Pa和4 Pa 條件下刻蝕孔底部的能譜圖。結果顯示，在較低腔室壓強的條件下，刻蝕孔底的能譜中主要顯示底部堆疊金屬層中的Au 和Ti。而在較高腔室壓強條件下，刻蝕孔底的能譜圖中C 峰和Si 峰峰值更高，進一步說明了在低腔室壓強下的刻蝕通孔底部殘留的碳基和硅基生成物更少。

偏置功率的增加提高了反應腔室內達到樣品表面的刻蝕粒子能量，從而增強了等離子體對樣品表面的物理轟擊作用。一方面，離子的轟擊會打斷刻蝕樣品表面的化學鍵，加速反應生成物的脫落，從而促進樣品表面的化學反應。另一方面，離子的物理轟擊具有方向性，這為刻蝕反應帶來很高的各向異性，并且有助于去除刻蝕表面少量的非揮發性刻蝕生成物。然而，在偏置功率過高的條件下，刻蝕粒子會造成孔底物質飛濺至側壁，形成再沉積。圖7 顯示了在偏置功率為40 W 條件下，借助SEM 觀察到的刻蝕通孔截面圖，圖中通孔側壁上能觀察到大量顆粒狀的生成物附著。

圖6 不同壓強下的刻蝕孔底能譜圖Fig.6 Energy spectrum of the bottom surface under different pressures

圖7 側壁有沉積物的BCB 通孔Fig.7 BCB via with deposits on the sidewalls

為了進一步探究側壁附著的生成物成分，本文對圖7 中的刻蝕通孔側壁上沿處進行能譜分析，結果如圖8所示。能譜圖中出現了金屬元素Au 和Ti，由于本實驗中唯一Au 源和Ti 源來自蒸發的金屬堆疊層，因此可以推測側壁上沿處的Au 元素和Ti 元素來自于孔底。這說明當金屬層受刻蝕粒子的物理轟擊作用后，部分金屬飛濺到側壁形成了再沉積。圖中Ga 元素來自于聚焦離子束(FIB)切割刻蝕孔截面后殘留的離子源。

圖8 偏置功率40 W 條件下的刻蝕側壁能譜圖Fig.8 Energy spectrum of sidewall surface under 40 W bias power

2.3 BCB 刻蝕孔側壁垂直度的影響

為了實現高密度集成和信號的密集可靠傳輸，BCB 通孔的側壁垂直度十分重要，既要獲得小孔徑高密度的BCB 通孔，同時也要保證互連結構之間的有效隔離，即每個通孔完整獨立，相互之間不連通。如圖9 所示，對于高密度的互連孔陣列而言，圖9(a)所示的向外傾斜的刻蝕通孔有可能造成相鄰通孔之間的交聯，從而引發互連通孔內信號的短路。而對于圖9(b)所示的向內傾斜的通孔，通孔頂端處的金屬在后續的電鍍工藝過程中會很快封口，使得互連的柱狀金屬中心產生空洞，影響可靠性。因此為了獲得高一致性高密度的BCB 通孔，需要實現側壁垂直的BCB 通孔形貌。

圖9 非垂直通孔的電鍍互連工藝示意圖Fig.9 Schematic diagram of electroplating interconnection process for non-vertical vias

圖10 表示在射頻功率為300 W，偏置功率20 W，腔室壓強1 Pa，SF6與O2體積比分別為1 :9，3 :2，9 :1的條件下，刻蝕通孔的側壁形貌。在圖10(a)中，刻蝕通孔的側壁呈彎曲弧形，通孔整體傾斜角度約為79.3°，通孔上部的傾斜程度較大。這是由于光刻膠中的有機成分會與氧離子反應。刻蝕粒子在與刻蝕表面反應的同時，富余的氧離子會參與掩膜側壁和通孔側壁的反應，從而導致了刻蝕過程通孔側壁的垂直度下降。隨著刻蝕深度的不斷增加，氣流量變化和微掩膜效應等因素也會影響BCB 的橫向刻蝕，造成刻蝕通孔的側壁呈一定的彎曲弧形。圖10(b)表示的是在SF6與O2體積比為9 :1 的高濃度氟離子刻蝕氣體條件下刻蝕通孔的形貌，結果顯示通孔側壁為傾斜角度約95°的梯形形貌。這是由于氟離子主要參與BCB 的刻蝕過程，刻蝕粒子流在接觸刻蝕面的同時，富余的氟離子雖不會對掩膜側壁產生太大影響，但是在與少量氧離子共同刻蝕一定深度的BCB 同時，通孔底部的富余氟離子開始向刻蝕孔側壁擴散，使得刻蝕孔底側壁橫向擴展更深。同時，碳氟聚合物在刻蝕孔底側壁的生成使得橫向刻蝕速率逐漸減小，導致了刻蝕孔較深處的橫向刻蝕大于較淺處的橫向刻蝕，從而使得刻蝕通孔梯形形貌趨向于倒梯形。圖10(c)顯示，在SF6與O2體積比為3 :2 的條件下，刻蝕通孔側壁光滑，傾斜角度為90.3°，說明在對刻蝕氣體體積比進行優化后，能夠得到較為理想的垂直通孔。在此基礎上，通過對刻蝕速率、刻蝕形貌的綜合比較，合理調整射頻功率、偏置功率、腔室壓強和刻蝕氣體SF6/O2的體積比，得到了通孔刻蝕的最優條件為腔室壓強1 Pa，射頻功率300 W，偏置功率20 W，刻蝕氣體流量50 mL/min，SF6與O2體積比3 :2。最終實現了刻蝕速率6.9 nm/s，刻蝕通孔側壁光滑，刻蝕傾斜角度約90°，刻孔深度約5 μm，深寬比約1 :1 的BCB 通孔制備。圖11 顯示在優化后的通孔中通過電鍍工藝實現了金屬的緊密填實，為高密度高可靠的互連提供了技術支撐。

3 結論

圖10 不同刻蝕氣體體積比條件下的刻蝕側壁垂直度Fig.10 Verticality of etched sidewall under different etching gas composition ratio

圖11 金屬填實通孔切面圖Fig.11 Cutaway views of metal filled via

本文針對異質集成工藝過程中多層BCB 通孔刻蝕的關鍵工藝進行了研究，分析了ICP 干法刻蝕技術的不同工藝參數對BCB 刻蝕速率和刻蝕形貌等的影響。結果表明，在一定射頻功率區間內，刻蝕速率與射頻功率大小成正相關，超出一定的射頻功率閾值，BCB刻蝕速率的上升將趨于平緩。刻蝕速率將隨著刻蝕氣體SF6/O2中O2含量的上升而上升。刻蝕氣體成分比亦影響刻蝕通孔的垂直度，在SF6與O2體積比為3 :2 的條件下能得到近乎90°的垂直通孔。腔室氣壓的降低有利于提高刻蝕速率，同時有助于刻蝕生成物的揮發，從而減少刻蝕通孔側壁和底部的草狀沉積物積累。而過高的偏置功率則會造成孔底物質飛濺至側壁，形成再沉積。在此基礎上通過工藝的合理優化，實現了側壁光滑、傾斜角度90°、孔深5 μm，深寬比1 :1 的BCB 通孔制備，相比于傳統的RIE 刻蝕技術，本文工藝在高深寬比的要求下實現了更高的垂直度，為后續InP HBT 等化合物半導體器件與Si CMOS 器件間高密度的集成和高可靠的互連提供堅實的技術支撐，具有廣闊的應用前景。未來的研究工作將在本文成果的基礎上，通過與包含Bosch 工藝在內的刻蝕側壁抑制技術相結合，實現更高深度下的高垂直度通孔刻蝕，以面對未來異質集成技術發展中更高深度的高質量互連需求。