[2]Изобретение относится к области технологии микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении 3D-устройств микросистемной техники и полупроводниковых приборов, содержащих в своей структуре металлизированные и/или неметаллизированные сквозные отверстия в кремнии различного функционального назначения.
[4]Из уровня техники известен способ формирования сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке, который включает формирование маски нитрида кремния на кремниевых подложках; формирование затравочных ямок при помощи травления кремния в 10% растворе KOH; формирование микроотверстий - макропор глубиной 200-300 мкм при помощи электрохимического анодирования кремния; вскрытие пор путем механической шлифовки кремниевых подложек с тыльной стороны; окисление кремниевой поверхности; нанесение меди на стенки полученного отверстия [Степанова Л.И. Формирование и металлизация сквозных пор в кремниевых подложках для трехмерных токопроводящих межсоединений: материалы V Международной научной конференции «Материалы и структуры современной электроники»/Л.И. Степанова и др. 10 – 11 октября 2012. Минск. 2012. C. 94].
[5]К недостаткам известного способа относится низкая технологичность способа из-за невозможности получения вертикального профиля стенки формируемого отверстия, а также необходимость шлифовки кремниевых подложек с тыльной стороны для вскрытия отверстий.
[6]Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке и/или в слое полимера для оптических и электрических межсоединений, включающий последовательное формирование методами литографии маски для травления с одной стороны подложки, «стоп-слоя» на основе окисла кремния с маской или без маски с обратной стороны подложки, травление подложки через маску до «стоп-слоя», удаление маски и/или «стоп-слоя» и металлизацию микроотверстий и обратной стороны подложки с возможным последующим выравниванием поверхности обратной стороны [P.A.Thadesar, M.S.Bakir. Novel Photo-Defined Polymer-Enhanced Through-Silicon Vias for Silicon Interposers. IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY, VOL. 3, NO. 7, JULY 2013. P. 1130-1137].
[7]К недостаткам известного способа относятся низкая технологичность из-за образования острых кромок отверстий на обратной стороне подложки (что приводит к утонению металлизации), механической неустойчивости, образующейся в процессе изготовления покрытия на обратной стороне на основе окисла кремния, и в связи с этим низкой воспроизводимости процесса изготовления, в особенности отверстий относительно большого диаметра.
[9]Техническим результатом заявленного изобретения является повышение технологичности и воспроизводимости при изготовлении сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке.
[10]Технический результат достигается тем, что согласно заявленному способу при изготовления сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке используют полиимидное покрытие в качестве «стоп-слоя».
[11]В предложенном способе:
[12]– полиимидное покрытие формируют из раствора полиамидокислоты на основе диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе толщиной не менее 2 мкм с последующей сушкой при температуре 80 – 120оС и термоимидизацией при температуре не менее 350оС в течение не менее 30 минут;
[13]– «сухое» травление проводят в два этапа последовательно реактивным ионным травлением и в «Бош»-процессе до образования положительного клина травления на границе раздела «кремниевая подложка – полиимидное покрытие» глубиной не менее 1 мкм;
[14]– в качестве маски для травления используют алюминий толщиной не менее 1 мкм;
[15]– удаление маски и «стоп-слоя» проводят в едином цикле в щелочном травителе полиимида.
[16]Краткое описание чертежей
[17]Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
[18]На фиг.1 А-Е представлена последовательность операций по формированию сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке.
[19]На фиг. 1 А-Е обозначены:
[20]поз. 1 – исходная кремниевая подложка,
[21]поз. 2 – сформированная методами литографии алюминиевая маска для травления,
[22]поз.3 – сплошной «стоп-слой», в качестве которого используется полиимидное покрытие,
[23]поз.4 – образовавшийся в результате реактивного ионного травления положительный клин травления на границе раздела «кремниевая подложка-маска»,
[24]поз.5 – микроотверстия,
[25]поз.6 – образовавшийся в результате травления в «Бош»-процессе положительный клин травления на границе раздела «кремниевая подложка - полиимидное покрытие»,
[26]поз.7 – металлизация полученного микроотверстия.
[27]На фиг.1 А представлена подвергнутая очистке кремниевая подложка (1).
[28]На фиг.1 Б показана кремниевая подложка со сформированной методами литографии алюминиевой маской (2) для травления. Для формирования данной маски на кремниевую подложку магнетронным напылением наносится слой алюминия толщиной 0,3-0,5 мкм. Затем на алюминиевый слой наносили фоторезист толщиной 1,2 мкм, в котором формировали маску.
[29]На фиг.1 В показана кремниевая подложка, на обратной стороне которой сформирован сплошной «стоп-слой» (3), в качестве которого используется полиимидное покрытие.
[30]На фиг.1 Г показана кремниевая подложка, подвергнутая «сухому» травлению в два этапа последовательно реактивным ионным травлением до формирования положительного клина (4) на границе «кремниевая подложка- маска» глубиной не менее 1 мкм и в «Бош»-процессе до образования отверстия (5) с положительным клином травления (6) на границе раздела «кремниевая подложка – полиимидное покрытие» глубиной не менее 1 мкм.
[31]На фиг.1 Д показана кремниевая подложка после удаления алюминиевой маски и «стоп-слоя» в щелочном травителе полиимида.
[32]На фиг.1 Е показана кремниевая подложка, подвергнутая металлизации (7).
[33]На фиг. 2 представлены РЭМ–изображения профилей микроотверстий, сформированных «сухим» травлением в два этапа – последовательно реактивным ионным травлением и в «Бош»-процессе без применения полиимидного покрытия (фиг.2 а) и с применением полиимидного покрытия (фиг.2б).
[34]На фиг 2 а, б обозначены:
[35]поз. 1 – образовавшийся в результате реактивного ионного травления положительный клин травления на границе раздела «кремниевая подложка-маска»;
[36]поз. 2 – образовавшийся в результате травления в «Бош»-процессе положительный клин травления на границе раздела «кремниевая подложка – полиимидное покрытие».
[37]На фиг. 3 представлены спектры состава поверхности стенки неметаллизированного микроотверстия в кремниевой подложке до удаления полиимидного покрытия и алюминия (фиг.3а) и после удаления полиимидного покрытия и алюминия и обработки в кислородсодержащей плазме (фиг.3б). На фиг 3в представлен спектр состава поверхности металлизированного отверстия.
[38]Осуществление изобретения.
[39]С применением предложенного способа в кремниевой высокоомной монокристаллической подложке с двусторонней полировкой диаметром 76 мм и толщиной 400±10 мкм были сформированы металлизированные медью микроотверстия диаметром 150 мкм.
[40]Вначале на поверхности подложки методами магнетронного распыления алюминия толщиной не менее 1 мкм и фотолитографии формировался топологический рисунок микроотверстий. На обратной стороне подложки методом центрифугирования раствора формировалось полиимидное покрытие толщиной 3 мкм из раствора полиамидокислоты в полярном растворителе с последующей сушкой и термоимидизацией при температуре 350° С в течение не менее 30 минут. Для формирования положительного клина травления проводилось реактивное ионное травление подложки в плазме элегаза, с расходом 100 см3/мин при пониженном давлении 1 Па, в течение 6 мин. Образовавшийся в результате реактивного ионного травления положительный клин травления на границе раздела «кремниевая подложка-маска» показан на фиг.2 а, б, поз.1.
[41]Затем без разгерметизации камеры проводилось травление подложки до формирования положительного клина травления на границе «кремниевая подложка - полиимидное покрытие». Образовавшийся в результате травления в «Бош»-процессе положительный клин травления на границе раздела «кремниевая подложка - полиимидное покрытие» показан на фиг.2б поз.2. Травление проводилось с использованием «Бош»-процесса при мощности источника индуктивно-связанной плазмы 1200 Вт и со смещением на подложку 40 В. Соотношение шага травления к пассивации составляло 3:1. Исходным реагентами являлись элегаз, с расходом 400 см3/мин, и хладон-318 с расходом 300 см3/мин. Удаление масок алюминия и полиимидного покрытия проводилось в щелочном травителе на основе моноэтаноламина, триэтаноламина, едкого кали и воды. Затем полученную структуру подвергали обработке в кислородсодержащей плазме в реакторе объемного типа при мощности 1 кВт в течение 30 минут.
[42]Спектры состава поверхности стенки неметаллизированного микроотверстия в кремниевой подложке до удаления полиимидного покрытия и алюминия и после удаления полиимидного покрытия и алюминия и обработки в кислородсодержащей плазме представлены на фиг.3 а и б соответственно. Из спектров видно, что следы алюминия (маска), сформировавшиеся на стенках микроотверстий в процессе травления, исчезают после предложенных обработок. Затем полученную структуру подвергали термическому окислению до образования слоя термического окисла толщиной, превышающей величину микрошероховатости, образовавшейся в результате применения «Бош»-процесса, а затем образовавшийся окисел удаляли в плавиковой кислоте. Полученную структуру подвергали металлизации методом двустороннего магнетронного распыления или химического осаждения меди с применением палладиевого катализатора с последующим гальваническим наращиванием меди.
[43] Измерение сопротивления сформированных пленок осуществляли мультиметром с двух металлизированных сторон подложки. Величина сопротивления металлизации составляла менее 0,01 Ом, т.е. мультиметр показывал короткое замыкание, что также дополнительно подтверждается спектром, представленным на фиг 3в.
[44]Таким образом, при реализации заявленного способа повышается технологичность изготовления сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке путем формирования положительных клиньев травления с двух сторон подложки за счет применения полиимидного покрытия в качестве «стоп-слоя» (а также алюминия в качестве маски при травлении), в результате чего уменьшается количество высокотемпературных процессов, удаление «стоп-слоя» и маски происходит одновременно, как следствие, увеличивается процент выхода годных изделий и снижается количество дефектов, и повышается воспроизводимость формирования вертикальных сквозных металлизированных микроотверстий в кремниевой подложке.
