LTCC基板上薄膜多层布线工艺技术

2010-02-26汪继芳刘善喜

电子与封装 2010年4期

汪继芳，刘善喜

（华东光电集成器件研究所，安徽蚌埠 233042）

1 引言

MCM-C/D多芯片组件的最大特点是采用了多层互连LTCC上薄膜多层布线技术，可以充分利用LTCC布线层数多并可实现无源元件埋置于基板内层、薄膜细线条等优点，从而使芯片等元器件能够在基板上更加有效地实现高密度的组装互连。而多层布线工艺以它的集成度高、密度大、信号传输距离短、传输速度快、高频特性好的优势能有效降低连线电阻，并可大大提高薄膜混合集成电路的可靠性而备受青睐。LTCC上薄膜多层布线与硅上薄膜多层布线、高纯氧化铝陶瓷上薄膜多层布线相比，在基板表面处理、基板与薄膜界面结合、基板性能与薄膜加工的兼容控制上均有较大不同，新工艺多，难度更大。试验表明，从MCM-C/D产品的集成密度提高、电学性能保证、体积重量减小、工艺水平控制等方面考虑，LTCC上薄膜多层互连技术都是极其重要的关键技术，必须重点突破其工艺难题，如导带与通孔柱形成技术、通孔的接触电阻及断台和介质层质量等问题，才能真正掌握LTCC上薄膜多层布线技术。

2 LTCC上薄膜多层布线技术

薄膜多层布线技术主要有LTCC基板－薄膜界面加工和互连技术、导带及通孔形成技术、介质膜加工技术等。

2.1 LTCC基板－薄膜界面加工和互连技术

为了在LTCC 基板上制作多层薄膜布线，共烧后的多层LTCC基板必须进行表面平整化、致密化、洁净化处理，并使其能兼容薄膜工艺，与淀积薄膜（金属膜、介质膜）有较高的结合强度。所以薄膜工艺加工之前，必须对烧结后的LTCC多层基板的表面进行机械研磨、抛光，使基板的表面粗糙度达到0.1 μ m以下。同时还要控制基板的表面缺陷密度及相应的平整度，然后采用等离子技术，用Ar或N2等离子体对基板表面进行清洗，使净化的表面与薄膜层有较好的亲合力，薄膜附着强度达到20MPa。机械抛光工艺采用亚微米抛光膏，其中要注意控制诸如所加压力、加工台面速度、基板旋转速度、抛光膏浓度等工艺参数。

通常在结构制作时，在LTCC基板－薄膜界面处制备出由金属通孔连接的方形焊盘，作为LTCC基板－薄膜互连介质，以便实现后续的薄膜多层布线。

2.2 导体材料的选择

薄膜多层布线结构中的导体材料主要用作布线（信号线、电源线、接地线）、通孔互连、元器件焊区等，对其主要要求有较高的导电率、与基板有较强的粘附性等等。常用导体材料主要性能（电阻率ρ、热导率λ、熔点t）见表1。

表1 薄膜多层布线常用材料

从表1中可以看出，Au、AL、Cu的电阻率较低，都是良好的导体材料。但铝布线不宜过长，因为其电阻率偏高，熔点低，工艺操作中容易氧化。金是理想的导体，不氧化、不生锈、不迁移，不与介质材料反应，电导率高，可焊性好，但金的价格昂贵。Cu具有最高的导电率和高的导热率，且加工便宜，易于加工，抗电迁移性好，但易氧化，必须镀一层Ni作保护层。因此为了更好地满足其要求，我们主导体层选Cu，采取复合金属膜TiW/Au/Cu/Ni。

2.3 导带及通孔柱形成技术

导体复合金属膜TiW/Au/Cu/Ni采取的工艺是先溅射TiW/Au作为粘附层，再用瑞红的负性光刻胶光刻出5 μ m厚的电镀模具；然后电镀5 μ m厚的Cu导带，再光刻5 μ m厚的通孔电镀模具，电镀5 μm厚的Cu柱，再在其上镀一层薄的Ni层，防止Cu氧化；再去除光刻胶，湿法刻蚀多余的粘附层。这样导带与通孔就形成了。

2.4 介质膜加工技术

薄膜多层布线的实现，介质层的质量是关键。介质层的主要功能是作为多层布线的层间绝缘，我们选用聚酰亚胺作为介质膜，是因为其具有较低的介电系数、较高的热稳定性，非常好的电绝缘性。

聚酰亚胺是一种液态高分子聚合物，它可以像光刻胶一样采用旋涂的方法涂布在硅片表面上，本实验聚酰亚胺的旋涂速度为4000rpm/s，厚度为10μ m。采用热板进行固化处理，从而保证光刻过程不发生变形及线条平直。由于其后续工艺为溅射TiW/Au，所采用的工艺需抽真空，如果固化温度低，聚酰亚胺中溶剂挥发不完全，在真空腔室中，残余溶剂继续挥发，导致金属层褶皱。实验中热处理分两步，第一步为预亚胺化，第二步为亚胺化，其具体条件如表2。

表2 两步热处理具体条件

3 工艺流程及制作要点

3.1 工艺流程

工艺研究中，采用了薄膜多层布线间金属柱互连工艺，工艺流程如下：

（1）准备多层LTCC基板，抛光并清洗干净。

（2）在LTCC基板溅射粘附层（种子层）TiW/Au，然后涂敷光刻胶（厚度为5 μm），经过曝光显影形成导带图形，然后电镀Cu导带（厚度为5 μm）形成第一层互连层。

（3）再涂敷光刻胶（厚度为5 μm），经过曝光显影形成通孔图形，然后电镀Cu柱（厚度为5μm）形成第一层金属柱。在Cu表面镀一层Ni膜，以防止Cu被氧化或腐蚀，提高可靠性。

（4）去除光刻胶，用湿法刻蚀去除多余粘附层TiW/Au。

（5）旋涂聚酰亚胺，并使之固化，形成胺膜。

（6）对聚酰亚胺表面进行机械抛光，使之平整，并露出Cu表面，以便与下一层布线互连。

（7）重复步骤（2）至（6），即可得出金属柱互连的薄膜多层布线结构。

工艺流程如图1所示。

3.2 工艺制作要点

经过不断工艺摸索，经优化后的工艺参数如表3。

4 常见的问题及解决方法

4.1 介质膜“龟裂”

在聚酰胺酸溶液从树脂到聚酰亚胺介质膜的形成过程中经常出现“龟裂”的现象。聚酰胺酸溶液在环化过程中，亚胺化充分，形成的介质膜分子结构应该是完整的链状。如果出现断链状分子结构，介质膜内应力不均匀，便会导致“龟裂”。它不仅影响介质层与基板、金属层的粘附性，而且严重影响介质层的绝缘电阻，使许多布线电路中层与层的金属导带短路，失去介电作用。

产生“龟裂”主要是因为亚胺化不彻底。亚胺化的过程，就是聚酰胺酸溶液受热使溶剂挥发、固化，转变为亚胺膜的过程。合理地固化和控制工艺过程中的吸潮程度，是保证介质膜具有良好亚膜结构和可靠性的关键。试验证明，如果亚胺化起始温度低，时间短，聚酰亚胺中的溶剂与水分不能充分挥发，就不能形成机械强度良好的亚胺膜。而亚胺化的起始温度高，时间长或短，都会使聚酰亚胺膜层表面的溶剂及水分迅速挥发而首先亚胺化，这种表面首先亚胺化的膜层，阻碍了层内溶剂及水分的挥发，其结果不仅造成介质层基软，影响金属的附着力，经高温处理后，就会因膜内溶剂和水分急剧汽化，膨胀而产生“龟裂”或金属起泡，从而失去介质作用并降低金属的附着力。所以亚胺化的过程中阶梯升温是非常必要的。

4.2 通孔接触电阻大、断路

通孔是连接各层导带的通道，其连接情况是影响多层互连及MCM可靠性的关键之一。对通孔的要求是接触电阻小，无断路等。简单工艺是在聚酰亚胺膜上刻蚀通孔图形，然后蒸发导体层，在形成布线导体层的同时也完成了通孔金属化。这种工艺简单易行，但会出现通孔接触电阻大、通孔处导带断路的现象。接触电阻大主要有材料问题、介质层厚度与金属导带的厚度差问题、刻蚀不干净，通孔内容易残留底膜等原因。而断台是因为导带厚度与介质膜厚度相等或小于介质膜厚度时，在通孔图形边沿的棱角处接触很小或者断裂。其断路示意图如图2。