抽象

硅通孔（TSV）電鍍的高可靠性是高密度集成電路封裝應(yīng)用中的一個有吸引力的熱點。本文介紹了通過優(yōu)化濺射和電鍍條件對完全填充TSV的改進(jìn)。特別注意具有不同種子層結(jié)構(gòu)的樣品。這些樣品是通過不同的濺射和處理方法制造的，并伴有各種電鍍輪廓的調(diào)整。通過X射線設(shè)備和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察并表征圖像。結(jié)果表明，優(yōu)化的濺射和電鍍條件可以幫助改善TSV的質(zhì)量，這可以解釋為TSV結(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： TSV；濺射; 電鍍; 界面效應(yīng)

1.簡介

隨著小型化和高速通信應(yīng)用的發(fā)展趨勢，帶有硅通孔（TSV）的三維（3D）集成電路已成為構(gòu)建高速，高頻率和高密度模塊和系統(tǒng)的有希望的候選者[ 1，2 ]。為了增加芯片中晶體管的數(shù)量，TSV的垂直堆疊在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域起著重要作用，突破了傳統(tǒng)二維集成的瓶頸。通過三維集成，TSV技術(shù)近年來得到了廣泛的研究[ 3 ]。

張等。圖示了TSV的整個設(shè)計和制造過程[ 4 ]，其中通孔填充是影響電參數(shù)的電阻率和電容（包括整個電路的可靠性）的關(guān)鍵過程[ 5 ]。到目前為止，由于其超低的電阻率和成本[ 6 ] ，Cu被認(rèn)為是最好的TSV填充材料。實現(xiàn)具有優(yōu)良導(dǎo)電性的堅固且無空隙的銅填充物是三維集成的基礎(chǔ)和主要研究方向。如先前報道，由于TSV的縱橫比很高，普通電鍍無法獲得令人滿意的完全填充效果[ 7]。對于通孔電鍍用的困難，如TSV晶片與晶種層[粘合至輔助晶片操作8 ]，預(yù)處理晶片[ 9 ]，調(diào)整在溶液[添加劑10 ]，使用脈沖反向電流電沉積[ 11 ]，并優(yōu)化仿真模型[ 12 ]。為了優(yōu)化質(zhì)量，已經(jīng)研究了添加劑，包括聚乙二醇，雙-（3-磺基丙基二硫化鈉）和Janus Green B（分別用作抑制劑，促進(jìn)劑和整平劑）。另外，采用了不同的電流條件，例如脈沖，反向脈沖和周期性反向脈沖[ 13]。已經(jīng)研究了具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的銅沉積的前提條件，并且已經(jīng)報道了明膠添加劑的類型[ 14 ]。為了實現(xiàn)100％的臺階覆蓋率，低泄漏電流并提高生長速率，形成了熱氧化物/等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）原硅酸四乙酯（TEOS）雙層[ 15 ]。為了提高制造效率，在通孔填充工藝中引入了干膜光刻膠[ 16 ]。在開發(fā)高質(zhì)量的TSV電鍍工藝時，解決與種子層，溶液，設(shè)備等參數(shù)有關(guān)的任何問題至關(guān)重要。然而，只有少數(shù)的實驗結(jié)果[ 15，16，17，18，19，20，21 ]已經(jīng)報道了在晶種層濺射的參數(shù)對填充銅，從而導(dǎo)致難以在優(yōu)化通孔的填充百分比的質(zhì)量的影響及電鍍輪廓。對于種子層的準(zhǔn)備，宋等。[ 15 ]研究了具有原子層沉積和化學(xué)鍍種子沉積的新型沉積，對于更高的TSV長寬比，它顯示出巨大的潛力。進(jìn)行了薄膜的ToF-SIMS 3D分析，以研究原子層薄膜中硅摻雜劑濃度的均勻性[ 17]。對于鍍覆條件，已在室溫下研究了一種新型的無籽TSV工藝，該工藝使用導(dǎo)電粘合劑固化銀納米線。由于聚（甲基丙烯酸甲酯）和銀納米線的益處，因此顯示出優(yōu)異的導(dǎo)電性[ 18 ]。在電鍍過程中，系統(tǒng)地分析了實驗變量之間的關(guān)系，包括電流密度，添加劑濃度和TSV的不同形狀。脈沖功率作為實驗電源，添加劑濃度作為電鍍液[ 19 ]。該過程的分析，包括循環(huán)伏安法（CV）和原位分子分辨率掃描隧道顯微鏡（STM）技術(shù)，已被用來說明電鍍過程[20，21 ]。可以總結(jié)出，上述改進(jìn)主要依賴于操作復(fù)雜的先進(jìn)設(shè)備。

在本文中，采用不同的種子層濺射方法來制備TSV樣品，并伴隨著各種電鍍輪廓的調(diào)整。為了研究優(yōu)化濺射和電鍍條件對硅通孔質(zhì)量的改善，觀察了X射線和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像來表征樣品的結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)TSV結(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)說明了優(yōu)化行為的機(jī)理。

2。材料和方法

通過Bosch蝕刻方法，使用具有4000Ω?cm高電阻率的四英寸硅晶片來制造縱橫比為1：1和1：4的通孔。圖1a，b中詳細(xì)介紹了兩種制造工藝流程，包括盲孔填充和直通孔填充。

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圖1. 硅通孔（TSV）制造過程示意圖，顯示了（a）盲孔和（b）通孔。

盲孔填充流程可描述如下：

（a）將帶有盲孔的硅片放入ICP-CVD設(shè)備中，在75°C下放置1 h，以生長SiO 2層。SiO 2層的低溫生長可以防止高溫?zé)嵫趸斐傻钠茐模?/span>

（b）然后通過磁控濺射在具有SiO 2層的襯底上沉積由Ti和Cu組成的金屬籽晶層，其中沉積功率為RF源；

（c）在制造晶種層之后，在電鍍之前通過各種方式進(jìn)行預(yù)處理。然后，將硅晶片迅速轉(zhuǎn)移到電鍍液中，形成用于填充盲孔的銅柱；

（d）將電鍍的晶片粘結(jié)到玻璃晶片上，并在背面使其變薄，直到露出填充的Cu為止。然后，將電鍍的晶片在頂側(cè)上剝離并減薄，以獲得用于進(jìn)一步處理的光滑表面。

貫穿孔填充工藝流程可描述如下：

（a）首先，將具有盲孔的硅晶片在背面減薄以暴露出通孔；

（b）然后，將具有通孔的硅晶片布置為通過ICP-CVD工藝生長SiO 2層；

（c）進(jìn)行磁控濺射以沉積由Ti和Cu組成的金屬籽晶層；

（d）對具有籽晶層的硅晶片進(jìn)行銅電鍍，并沖洗到電鍍液中。

與通孔填充相比，盲孔填充更為復(fù)雜，在電鍍之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，以防止氣泡附著在通孔的側(cè)壁上。因此，可以更好地填充通孔以獲得更高的質(zhì)量。下面利用有效的預(yù)處理方法。如在所示圖2一個，通過漂洗盲孔的硅晶片在去離子（DI）水進(jìn)行不同的時間段中，氣泡可被排出到不同的程度，從而導(dǎo)致改善的填充狀態(tài)，在此期間，超聲波幫助的以更好地消除氣泡[ 3 ]。圖2b顯示了另一種在電鍍之前對晶片進(jìn)行預(yù)處理的有效方法，其中將晶片通過閥門放入容器中，然后進(jìn)行真空處理，以去除隱藏在盲孔中的氣泡[ 7 ]。然后，將去離子水注入容器中以保持處理條件。在本文中，使用通孔工藝來研究填充質(zhì)量的提高。

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圖2. 電鍍前的預(yù)處理方法示意圖。（a）在去離子（DI）水中沖洗，然后用超聲波沖洗；（b）在密封環(huán)境中抽真空，然后用去離子水沖洗。

3.結(jié)果與討論

3.1。改善濺射

研究了種子層濺射的效果，并說明了電鍍銅之前濺射工藝的改進(jìn)。

圖3a顯示了濺射后的正常晶種層結(jié)構(gòu)。用200?400 W的RF功率和50?100 sccm的Ar流量對包括Ti和Cu的金屬層進(jìn)行磁控濺射10分鐘至1小時，以確保通孔的側(cè)壁完全被金屬層覆蓋。在此之后，與金屬層的硅晶片通孔上的頂部和底部側(cè)石印兩者，接著銅蝕刻和光刻膠條帶化導(dǎo)致的Cu曝光僅在通孔，在示出圖3灣 通過在電鍍過程中調(diào)節(jié)添加劑和電流密度，可以對通孔進(jìn)行電鍍?？梢栽趫D3中看到c和伴隨的放大圖像，即通孔中隱藏了縫隙，顯示出填充效果不理想。填充缺陷可歸因于光刻過程中殘留的光刻膠或Cu的生長機(jī)理。

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圖3. 種子層濺射效應(yīng)的示意圖和X射線圖像。（a）硅通孔的雙面濺射；（b）利用光刻的雙面銅蝕刻TSV；（c）電鍍樣品（b）的X射線圖像；（d）沒有光刻的雙面銅蝕刻TSV；（e）電鍍樣品的X射線圖像（d）；（f）TSV的單面濺射；（g）無光刻的單面銅蝕刻硅通孔；（h）電鍍樣品的X射線圖像（g）。

為了識別出上述原因的關(guān)鍵因素，進(jìn)行了另一個實驗。在所示的鈦/銅層的雙面濺射后圖3 A中，光刻工藝已被取消，并直接進(jìn)行Cu的蝕刻，在所示圖3中d。如在圖3e中捕獲的X射線圖像中所示，盡管在銅柱中仍然存在空隙（如隨附的放大圖像中所示），但明顯改善是明顯的。根據(jù)結(jié)果，與殘留光致抗蝕劑相比，Cu的生長機(jī)理更為重要。

通過Ti / Cu層的頂側(cè)濺射進(jìn)行了先進(jìn)的濺射改進(jìn)，其中Ti和Cu分別是第一層和第二層。之后，蝕刻銅，僅留下覆蓋晶片表面頂側(cè)的銅覆蓋率的三分之一，如圖3 f，g所示?？梢钥闯?，在電鍍之后，通孔被完全填充而沒有空隙，如圖3h所示，這再次證明了通孔填充的質(zhì)量受濺射及其處理的影響很大。

根據(jù)實驗結(jié)果，說明了上述處理的機(jī)理。如圖4所示，在溶液中發(fā)生電鍍，其中Cu板的陽極和硅晶片的陰極。Cu顆粒被電沉積在具有包括粘合劑層和種子層的金屬層的硅晶片上。通常，Ti是杰出的粘合層，而Cu是電路中常用的導(dǎo)電層。在室溫下，Cu的電阻率為1.72×10 -8Ω ·m，而Ti的電阻率為4.2×10 -8Ω·米 Ti具有比Cu高的電阻率，這表明在Ti上電鍍金屬層比Cu難得多。在這種情況下，金屬層的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以幫助調(diào)整電鍍速率，從而控制填充質(zhì)量。如在所示圖5 A-3，由雙面濺射制成通孔的通孔有更多的Cu除Ti由于電鍍速度為快于所述開口，從而導(dǎo)致空隙。但是，在圖5b-3中，由于通孔的電鍍速度較慢且不產(chǎn)生空隙，因此單面濺射制得的通孔中的銅比通孔中的Ti少。通過增加電鍍時間，通孔可以完全送入以獲得理想狀態(tài)。

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圖5. 銅生長機(jī)理的示意圖。（a）硅通孔的雙面濺射；（b）TSV的單面濺射。

3.2?電鍍條件的改善

在此過程中還研究了電鍍條件的改善。制作了兩組樣品（直徑40微米/深度160微米；直徑150微米/深度130微米）并以三種不同的步進(jìn)電流密度進(jìn)行電鍍。逐步設(shè)置電鍍過程中通孔填充狀態(tài)下的電流密度。包括促進(jìn)劑，穩(wěn)定劑和整平劑在內(nèi)的添加劑的體積分別為3、5和10 mL。借助磁力攪拌器以500?600 rpm的速度輔助電鍍過程。

直徑為40 μm，深度為160 μm的樣品的電鍍條件和填充質(zhì)量如圖6所示，直徑為150 μm，深度為130 μm的樣品的電鍍條件和填充質(zhì)量見圖7。對于直徑為40 μm，深度為160 μm的通孔（圖6 A），起始電流密度為0.1 A / dm 2，依次增加至0.2、0.3和0.4 A / dm 2。電流密度的四個部分的維持時間分別為70、80、120和60分鐘。結(jié)果表明，幾乎80％的通孔都被填充。為了提高質(zhì)量，使用了較低的啟動電流密度和較長的時間，如圖6所示。公元前。當(dāng)起始電流密度降低至0.05 A / dm 2且終止電流密度設(shè)定為不超過0.2 A / dm 2時，通孔被100％填充，如插入的圖像所示（圖6）。對于直徑為150 μm，深度為130 μm的通孔，起始電流密度均勻地設(shè)置為0.05 A / dm 2，并且逐步的電流密度會變化，如圖7（D–F）所示。20分鐘內(nèi)0.05 A / dm 2的逐步電流密度，30分鐘內(nèi)0.1 A / dm 2的逐步電流密度，60分鐘內(nèi)0.2 A / dm 2的逐步電流密度和900分鐘0.3 A / dm 2的逐步電流密度（圖7F）表現(xiàn)最好。這些圖顯示了不同電鍍條件下TSV的分布?？梢钥闯?，對于直徑為40 μm，深度為160 μm的通孔，可以通過幾步將電流密度設(shè)置為不超過0.2 A / dm 2（圖6），而將電流密度提高到0.3 A / dm。2個用于直徑150 μm，深度135 μm的通孔（圖7）。

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圖6. 電鍍條件和直徑為40 μm，深度為160 μm的樣品的填充質(zhì)量示意圖。A，B，C是具有不同電流密度和時間的不同電鍍條件，如圖所示。

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圖7. 直徑為150 μm，深度為135 μm的樣品的電鍍條件和填充質(zhì)量的圖示。D，E，F(xiàn)是不同的電鍍條件，圖中所示的電流密度和時間各不相同。

可以看出，包括起始電流密度，逐步電鍍設(shè)置和終止電流密度在內(nèi)的電鍍條件均對填充質(zhì)量產(chǎn)生影響。如果啟動電流密度過高，則開口會很快被阻塞并影響電鍍。具有較低端電流密度的逐步電流密度可減小開口阻塞并提高處理效率。可以解釋這種改善機(jī)理是，通過減小并引入逐步的電流密度，可以通過減小開口周圍的電流累積效應(yīng)來防止夾斷現(xiàn)象。而且，電鍍期間的攪拌力可以消除溶液輸送的限制。

直徑40 μm，深度160 μm的樣品進(jìn)一步證明了濺射和電鍍條件的改善效果。圖8所示的SEM圖像說明了TSV的完美填充質(zhì)量。

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4.結(jié)論

本文采用兩種改進(jìn)方法，通過電鍍將銅完全填充到硅通孔中。分析了濺射和電鍍條件對硅通孔填充行為的影響。根據(jù)實驗結(jié)果，可以得出結(jié)論，根據(jù)該機(jī)理，在Cu表面上的填充比在Ti表面上的填充容易得多。由于可以控制填充條件，因此可以獲得沒有空隙的良好填充質(zhì)量。另外，事實證明，通過設(shè)置逐步電流密度，TSV電鍍條件的依賴性對填充質(zhì)量的提高具有影響。較低的電流密度和較長的時間可以防止夾斷現(xiàn)象，從而可以更好地填充TSV。

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