針對20 μm 及以下間距的微凸塊工藝缺陷檢測的研究方法

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

(Imec，比利時魯汶；KLA-Tencor公司，美國加州米爾必達)

隨著3D硅通孔（TSV）器件封裝技術進入產量提升階段，3D堆疊工藝集成流程的表征變得至關重要。為了達到更高的互連密度，微凸塊間距的尺寸已經縮小到20 μm甚至更小。為了實現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性（見圖1）[1]。

圖1 三層背對面(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和全晶圓檢測相結合的方法，這樣可以分別了解芯片和晶圓級別的微凸塊高度、直徑和共面性（見圖2），同時還可以檢測影響良率的關鍵缺陷(例如損壞、缺失或錯位的凸塊)并正確地判別每個芯片是否合格。如果錯誤地檢測芯片的共面性或者未能獲取影響良率的關鍵缺陷，就會造成芯片的錯誤分類并且認為它們可以進一步加工[1]。典型的芯片堆疊通常含有8個或更多個芯片，一個分類錯誤的芯片將會影響整個產品的良率。

圖2 關于微凸塊的直徑CD、凸塊高度（BH）和共面性（CO）的量測表征

關于缺陷率和量測的研究采用了兩種微凸塊類型（如表1所示)。 Imec的PTCO和PTCP封裝測試芯片使用了間距為20 μm的設計，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，對微凸塊進行缺陷檢測的內容包括涂覆后的光刻膠邊緣修復（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）。這項關于微凸塊缺陷檢測的研究在兩年間連續采用了圖3所示的工藝流程，以確保獲得相關的缺陷類型，同時識別這些缺陷類型并確定其產生的影響。這項用于良率缺陷分析的工藝控制系統包括KLA-Tencor CIRCLTM-AP組合設備（具備全表面檢測、量測和復檢模塊）、應用材料的SEMVision G3缺陷復檢設備以及Klarity?缺陷源分析（DSA）。DSA算法可以識別出已有的或新出現的缺陷，以及確定缺陷產生于哪一層。

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顯著影響凸塊高度和共面性，所以檢測將著重于這些缺陷。為了確保微凸塊能夠滿足堆疊的要求，對單個微凸塊的高度和芯片共面性進行精確的測量是十分必要的。共面性或芯片內微凸塊的高度變化將會影響到后續的工藝步驟，例如晶圓級底部填充（WLUF）應用以及芯片與芯片和芯片與晶圓間的堆疊。文獻[2]討論了凸塊高度和共面性量測的原理、性能和挑戰，并使用CIRCL-AP系統測量EBR質量和寬度，以確保在顯影后光刻膠的開口區域進行Cu、Ni和Sn的高質量電鍍[2]。

在各個批次的所有失效芯片中，55%是由嚴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可以用來區分不同淺表粗糙度的畸變微凸塊引起互聯失效的風險高低。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生晶圓級底部填充料（WLUF）殘留的風險將更高，有可能導致元件的可靠性問題。而殘留物主要聚集在個別芯片上，而非分布在整個晶圓上，因而對良率的影響不大。通常微凸塊缺失是最關鍵和嚴重的缺陷類型，因為會直接導致互連失效。由于產生微凸塊缺陷的類型有多種因素，因而最后會呈現出不同的形態和性質。

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

圖4中工藝步驟在橫軸上按工藝順序排列，縱軸顯示缺陷數量，顏色表示缺陷產生的工藝步驟（圖表中數據包括所有監控晶圓）。

圖4 工藝步驟對應缺陷

根據DSA分析結果，微凸塊缺陷類型可以根據工藝制程分類總結。表2顯示了微凸塊經過一系列不同的工藝步驟中可能產生的缺陷。這些缺陷信息和數據可以用于分析缺陷形成的根本原因和失效機制，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有光刻膠或者Cu種子層蝕刻后再沉積的Cu。

表2 缺陷對應制程步驟轉化表

微凸塊直徑（CD）同樣會影響微凸塊的良率。除了缺陷檢測外，還可以對凸塊直徑（CD）進行監控。也可以在光刻膠涂覆之后檢測每片晶圓的EBR寬度。如果所有晶圓都符合規格范圍，并且沒有發現光刻膠殘留物，則可以認為金屬電鍍工藝是良好的。在光刻膠剝離后可以對微凸塊的高度和共面性進行測量。采樣測量包括晶圓中多個芯片以及微凸塊，每片晶圓中選5個芯片以及每個芯片中選700個微凸塊用于測量。圖5顯示了整個晶圓上微凸塊的高度變化，通常每個晶圓上微凸塊高度的變化范圍是2 μm，而芯片內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

結論：我們使用在線的檢測評估了20 μm間距的微凸塊工藝流程，并創建以及總結分析了與微凸塊相關的工藝缺陷列表。對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生。本文通過量化不同缺陷類型對良率的影響以及分析缺陷產生的根本原因，可以優化微凸塊工藝并有效減少相關缺陷。根據所采集的數據，也可以設置微凸塊工藝控制范圍。通過識別完好芯片并將其與故障芯片分開，可以達到芯片與芯片和芯片與晶圓堆疊的目標良率。