M.Liebens，J.Slabbekoorn，A.Miller，E.Beyne，M.Stoerring，S.Hiebert，A.Cross

(Imec，比利時(shí)魯汶；KLA-Tencor公司，美國(guó)加州米爾必達(dá))

隨著3D硅通孔（TSV）器件封裝技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)量提升階段，3D堆疊工藝集成流程的表征變得至關(guān)重要。為了達(dá)到更高的互連密度，微凸塊間距的尺寸已經(jīng)縮小到20 μm甚至更小。為了實(shí)現(xiàn)芯片與芯片以及芯片與晶圓的垂直堆疊，微凸塊工藝控制必需具備高精度以及良好的重復(fù)性（見(jiàn)圖1）[1]。

圖1 三層背對(duì)面(back-to-face)芯片垂直接合的SEM傾斜視圖（頂部），20 μm間距的微凸塊和TSV的SEM橫截面圖像（底部）

微凸塊的工藝控制可以使用采樣量測(cè)和全晶圓檢測(cè)相結(jié)合的方法，這樣可以分別了解芯片和晶圓級(jí)別的微凸塊高度、直徑和共面性（見(jiàn)圖2），同時(shí)還可以檢測(cè)影響良率的關(guān)鍵缺陷(例如損壞、缺失或錯(cuò)位的凸塊)并正確地判別每個(gè)芯片是否合格。如果錯(cuò)誤地檢測(cè)芯片的共面性或者未能獲取影響良率的關(guān)鍵缺陷，就會(huì)造成芯片的錯(cuò)誤分類并且認(rèn)為它們可以進(jìn)一步加工[1]。典型的芯片堆疊通常含有8個(gè)或更多個(gè)芯片，一個(gè)分類錯(cuò)誤的芯片將會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的良率。

圖2 關(guān)于微凸塊的直徑CD、凸塊高度（BH）和共面性（CO）的量測(cè)表征

關(guān)于缺陷率和量測(cè)的研究采用了兩種微凸塊類型（如表1所示)。 Imec的PTCO和PTCP封裝測(cè)試芯片使用了間距為20 μm的設(shè)計(jì)，最大封裝密度為30%。

在光刻膠涂覆、光刻顯影、光刻膠剝離和Cu種子層（Cu seed layer）蝕刻工藝步驟之后，對(duì)微凸塊進(jìn)行缺陷檢測(cè)的內(nèi)容包括涂覆后的光刻膠邊緣修復(fù)（EBR）的寬度、顯影后光刻膠中孔徑的臨界尺寸（CD）、微凸塊高度（BH）和共面性（CO）。這項(xiàng)關(guān)于微凸塊缺陷檢測(cè)的研究在兩年間連續(xù)采用了圖3所示的工藝流程，以確保獲得相關(guān)的缺陷類型，同時(shí)識(shí)別這些缺陷類型并確定其產(chǎn)生的影響。這項(xiàng)用于良率缺陷分析的工藝控制系統(tǒng)包括KLA-Tencor CIRCLTM-AP組合設(shè)備（具備全表面檢測(cè)、量測(cè)和復(fù)檢模塊）、應(yīng)用材料的SEMVision G3缺陷復(fù)檢設(shè)備以及Klarity?缺陷源分析（DSA）。DSA算法可以識(shí)別出已有的或新出現(xiàn)的缺陷，以及確定缺陷產(chǎn)生于哪一層。

表1 用于缺陷研究的微凸塊類型，銅種子層蝕刻后的SEM傾斜視圖

圖3 用于微凸塊缺陷檢測(cè)研究的的20 μm間距的微凸塊工藝流程

由于受損或缺失的微凸塊會(huì)顯著影響凸塊高度和共面性，所以檢測(cè)將著重于這些缺陷。為了確保微凸塊能夠滿足堆疊的要求，對(duì)單個(gè)微凸塊的高度和芯片共面性進(jìn)行精確的測(cè)量是十分必要的。共面性或芯片內(nèi)微凸塊的高度變化將會(huì)影響到后續(xù)的工藝步驟，例如晶圓級(jí)底部填充（WLUF）應(yīng)用以及芯片與芯片和芯片與晶圓間的堆疊。文獻(xiàn)[2]討論了凸塊高度和共面性量測(cè)的原理、性能和挑戰(zhàn)，并使用CIRCL-AP系統(tǒng)測(cè)量EBR質(zhì)量和寬度，以確保在顯影后光刻膠的開口區(qū)域進(jìn)行Cu、Ni和Sn的高質(zhì)量電鍍[2]。

在各個(gè)批次的所有失效芯片中，55%是由嚴(yán)重的微凸塊畸形引起，39%由殘留物引起，而只有6%是由于微凸塊的缺失而引起。ADC可以用來(lái)區(qū)分不同淺表粗糙度的畸變微凸塊引起互聯(lián)失效的風(fēng)險(xiǎn)高低。如果微凸塊的頂部有較高粗糙度，則在熱壓鍵合之后在微凸塊之間產(chǎn)生晶圓級(jí)底部填充料（WLUF）殘留的風(fēng)險(xiǎn)將更高，有可能導(dǎo)致元件的可靠性問(wèn)題。而殘留物主要聚集在個(gè)別芯片上，而非分布在整個(gè)晶圓上，因而對(duì)良率的影響不大。通常微凸塊缺失是最關(guān)鍵和嚴(yán)重的缺陷類型，因?yàn)闀?huì)直接導(dǎo)致互連失效。由于產(chǎn)生微凸塊缺陷的類型有多種因素，因而最后會(huì)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和性質(zhì)。

DSA可以被用于確定這些微凸塊缺陷產(chǎn)生的根本原因，并且識(shí)別它們是在什么工藝步驟產(chǎn)生的（見(jiàn)圖4）。電鍍和光刻膠剝離是產(chǎn)生微凸塊缺陷最%的工藝步驟。在最終檢測(cè)的全部缺陷中，約有63%的缺陷是產(chǎn)生于電鍍和光刻膠剝離等工藝步驟中，因Cu種子層蝕刻而產(chǎn)生的缺陷占35%，2%來(lái)源于光刻步驟。

圖4中工藝步驟在橫軸上按工藝順序排列，縱軸顯示缺陷數(shù)量，顏色表示缺陷產(chǎn)生的工藝步驟（圖表中數(shù)據(jù)包括所有監(jiān)控晶圓）。

圖4 工藝步驟對(duì)應(yīng)缺陷

根據(jù)DSA分析結(jié)果，微凸塊缺陷類型可以根據(jù)工藝制程分類總結(jié)。表2顯示了微凸塊經(jīng)過(guò)一系列不同的工藝步驟中可能產(chǎn)生的缺陷。這些缺陷信息和數(shù)據(jù)可以用于分析缺陷形成的根本原因和失效機(jī)制，主要缺陷包含微凸塊缺失，凸塊間殘留物以及凸塊微形變。凸塊的缺失通常是由光刻問(wèn)題引起，其中包括：（1）涂覆后光刻膠中的氣泡；（2）光刻膠底部的殘留顆粒；（3）顯影不足的光刻；（4）Cu種子層的粘附問(wèn)題。微凸塊之間的殘留物可能是由光刻膠剝離之后Cu種子層刻蝕所產(chǎn)生的殘留物。其他可能殘留的原因則源于局部非常薄的光刻膠甚至沒(méi)有光刻膠或者Cu種子層蝕刻后再沉積的Cu。

表2 缺陷對(duì)應(yīng)制程步驟轉(zhuǎn)化表

微凸塊直徑（CD）同樣會(huì)影響微凸塊的良率。除了缺陷檢測(cè)外，還可以對(duì)凸塊直徑（CD）進(jìn)行監(jiān)控。也可以在光刻膠涂覆之后檢測(cè)每片晶圓的EBR寬度。如果所有晶圓都符合規(guī)格范圍，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)光刻膠殘留物，則可以認(rèn)為金屬電鍍工藝是良好的。在光刻膠剝離后可以對(duì)微凸塊的高度和共面性進(jìn)行測(cè)量。采樣測(cè)量包括晶圓中多個(gè)芯片以及微凸塊，每片晶圓中選5個(gè)芯片以及每個(gè)芯片中選700個(gè)微凸塊用于測(cè)量。圖5顯示了整個(gè)晶圓上微凸塊的高度變化，通常每個(gè)晶圓上微凸塊高度的變化范圍是2 μm，而芯片內(nèi)的高度變化范圍則是1 μm或更小。

圖5 晶圓上的微凸塊的高度變化

結(jié)論：我們使用在線的檢測(cè)評(píng)估了20 μm間距的微凸塊工藝流程，并創(chuàng)建以及總結(jié)分析了與微凸塊相關(guān)的工藝缺陷列表。對(duì)缺陷的精確分類可以顯著控制微凸塊加工工藝中缺陷的產(chǎn)生。本文通過(guò)量化不同缺陷類型對(duì)良率的影響以及分析缺陷產(chǎn)生的根本原因，可以優(yōu)化微凸塊工藝并有效減少相關(guān)缺陷。根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置微凸塊工藝控制范圍。通過(guò)識(shí)別完好芯片并將其與故障芯片分開，可以達(dá)到芯片與芯片和芯片與晶圓堆疊的目標(biāo)良率。