硅通孔（TSV）电镀

抽象

硅通孔（TSV）电镀的高可靠性是高密度集成电路封装应用中的一个有吸引力的热点。本文介绍了通过优化溅射和电镀条件对完全填充TSV的改进。特别注意具有不同种子层结构的样品。这些样品是通过不同的溅射和处理方法制造的，并伴有各种电镀轮廓的调整。通过X射线设备和扫描电子显微镜（SEM）观察并表征图像。结果表明，优化的溅射和电镀条件可以帮助改善TSV的质量，这可以解释为TSV结构的界面效应。

关键词： TSV；溅射; 电镀; 界面效应

1.简介

随着小型化和高速通信应用的发展趋势，带有硅通孔（TSV）的三维（3D）集成电路已成为构建高速，高频率和高密度模块和系统的有希望的候选者[ 1，2 ]。为了增加芯片中晶体管的数量，TSV的垂直堆叠在半导体器件领域起着重要作用，突破了传统二维集成的瓶颈。通过三维集成，TSV技术近年来得到了广泛的研究[ 3 ]。

张等。图示了TSV的整个设计和制造过程[ 4 ]，其中通孔填充是影响电参数的电阻率和电容（包括整个电路的可靠性）的关键过程[ 5 ]。到目前为止，由于其超低的电阻率和成本[ 6 ] ，Cu被认为是最好的TSV填充材料。实现具有优良导电性的坚固且无空隙的铜填充物是三维集成的基础和主要研究方向。如先前报道，由于TSV的纵横比很高，普通电镀无法获得令人满意的完全填充效果[ 7]。对于通孔电镀用的困难，如TSV晶片与晶种层[粘合至辅助晶片操作8 ]，预处理晶片[ 9 ]，调整在溶液[添加剂10 ]，使用脉冲反向电流电沉积[ 11 ]，并优化仿真模型[ 12 ]。为了优化质量，已经研究了添加剂，包括聚乙二醇，双-（3-磺基丙基二硫化钠）和Janus Green B（分别用作抑制剂，促进剂和整平剂）。另外，采用了不同的电流条件，例如脉冲，反向脉冲和周期性反向脉冲[ 13]。已经研究了具有均匀微观结构的铜沉积的前提条件，并且已经报道了明胶添加剂的类型[ 14 ]。为了实现100％的台阶覆盖率，低泄漏电流并提高生长速率，形成了热氧化物/等离子体增强化学气相沉积（PECVD）原硅酸四乙酯（TEOS）双层[ 15 ]。为了提高制造效率，在通孔填充工艺中引入了干膜光刻胶[ 16 ]。在开发高质量的TSV电镀工艺时，解决与种子层，溶液，设备等参数有关的任何问题至关重要。然而，只有少数的实验结果[ 15，16，17，18，19，20，21 ]已经报道了在晶种层溅射的参数对填充铜，从而导致难以在优化通孔的填充百分比的质量的影响及电镀轮廓。对于种子层的准备，宋等。[ 15 ]研究了具有原子层沉积和化学镀种子沉积的新型沉积，对于更高的TSV长宽比，它显示出巨大的潜力。进行了薄膜的ToF-SIMS 3D分析，以研究原子层薄膜中硅掺杂剂浓度的均匀性[ 17]。对于镀覆条件，已在室温下研究了一种新型的无籽TSV工艺，该工艺使用导电粘合剂固化银纳米线。由于聚（甲基丙烯酸甲酯）和银纳米线的益处，因此显示出优异的导电性[ 18 ]。在电镀过程中，系统地分析了实验变量之间的关系，包括电流密度，添加剂浓度和TSV的不同形状。脉冲功率作为实验电源，添加剂浓度作为电镀液[ 19 ]。该过程的分析，包括循环伏安法（CV）和原位分子分辨率扫描隧道显微镜（STM）技术，已被用来说明电镀过程[20，21 ]。可以总结出，上述改进主要依赖于操作复杂的先进设备。

在本文中，采用不同的种子层溅射方法来制备TSV样品，并伴随着各种电镀轮廓的调整。为了研究优化溅射和电镀条件对硅通孔质量的改善，观察了X射线和扫描电子显微镜（SEM）图像来表征样品的结构。此外，根据TSV结构的界面效应说明了优化行为的机理。

2。材料和方法

通过Bosch蚀刻方法，使用具有4000Ω•cm高电阻率的四英寸硅晶片来制造纵横比为1：1和1：4的通孔。图1a，b中详细介绍了两种制造工艺流程，包括盲孔填充和直通孔填充。

图1. 硅通孔（TSV）制造过程示意图，显示了（a）盲孔和（b）通孔。

盲孔填充流程可描述如下：

（a）将带有盲孔的硅片放入ICP-CVD设备中，在75°C下放置1 h，以生长SiO 2层。SiO 2层的低温生长可以防止高温热氧化造成的破坏；

（b）然后通过磁控溅射在具有SiO 2层的衬底上沉积由Ti和Cu组成的金属籽晶层，其中沉积功率为RF源；

（c）在制造晶种层之后，在电镀之前通过各种方式进行预处理。然后，将硅晶片迅速转移到电镀液中，形成用于填充盲孔的铜柱；

（d）将电镀的晶片粘结到玻璃晶片上，并在背面使其变薄，直到露出填充的Cu为止。然后，将电镀的晶片在顶侧上剥离并减薄，以获得用于进一步处理的光滑表面。

贯穿孔填充工艺流程可描述如下：

（a）首先，将具有盲孔的硅晶片在背面减薄以暴露出通孔；

（b）然后，将具有通孔的硅晶片布置为通过ICP-CVD工艺生长SiO 2层；

（c）进行磁控溅射以沉积由Ti和Cu组成的金属籽晶层；

（d）对具有籽晶层的硅晶片进行铜电镀，并冲洗到电镀液中。

与通孔填充相比，盲孔填充更为复杂，在电镀之前应进行预处理，以防止气泡附着在通孔的侧壁上。因此，可以更好地填充通孔以获得更高的质量。下面利用有效的预处理方法。如在所示图2一个，通过漂洗盲孔的硅晶片在去离子（DI）水进行不同的时间段中，气泡可被排出到不同的程度，从而导致改善的填充状态，在此期间，超声波帮助的以更好地消除气泡[ 3 ]。图2b显示了另一种在电镀之前对晶片进行预处理的有效方法，其中将晶片通过阀门放入容器中，然后进行真空处理，以去除隐藏在盲孔中的气泡[ 7 ]。然后，将去离子水注入容器中以保持处理条件。在本文中，使用通孔工艺来研究填充质量的提高。

图2. 电镀前的预处理方法示意图。（a）在去离子（DI）水中冲洗，然后用超声波冲洗；（b）在密封环境中抽真空，然后用去离子水冲洗。

3.结果与讨论

3.1。改善溅射

研究了种子层溅射的效果，并说明了电镀铜之前溅射工艺的改进。

图3a显示了溅射后的正常晶种层结构。用200〜400 W的RF功率和50〜100 sccm的Ar流量对包括Ti和Cu的金属层进行磁控溅射10分钟至1小时，以确保通孔的侧壁完全被金属层覆盖。在此之后，与金属层的硅晶片通孔上的顶部和底部侧石印两者，接着铜蚀刻和光刻胶条带化导致的Cu曝光仅在通孔，在示出图3湾 通过在电镀过程中调节添加剂和电流密度，可以对通孔进行电镀。可以在图3中看到c和伴随的放大图像，即通孔中隐藏了缝隙，显示出填充效果不理想。填充缺陷可归因于光刻过程中残留的光刻胶或Cu的生长机理。

图3. 种子层溅射效应的示意图和X射线图像。（a）硅通孔的双面溅射；（b）利用光刻的双面铜蚀刻TSV；（c）电镀样品（b）的X射线图像；（d）没有光刻的双面铜蚀刻TSV；（e）电镀样品的X射线图像（d）；（f）TSV的单面溅射；（g）无光刻的单面铜蚀刻硅通孔；（h）电镀样品的X射线图像（g）。

为了识别出上述原因的关键因素，进行了另一个实验。在所示的钛/铜层的双面溅射后图3 A中，光刻工艺已被取消，并直接进行Cu的蚀刻，在所示图3中d。如在图3e中捕获的X射线图像中所示，尽管在铜柱中仍然存在空隙（如随附的放大图像中所示），但明显改善是明显的。根据结果，与残留光致抗蚀剂相比，Cu的生长机理更为重要。

通过Ti / Cu层的顶侧溅射进行了先进的溅射改进，其中Ti和Cu分别是第一层和第二层。之后，蚀刻铜，仅留下覆盖晶片表面顶侧的铜覆盖率的三分之一，如图3 f，g所示。可以看出，在电镀之后，通孔被完全填充而没有空隙，如图3h所示，这再次证明了通孔填充的质量受溅射及其处理的影响很大。

根据实验结果，说明了上述处理的机理。如图4所示，在溶液中发生电镀，其中Cu板的阳极和硅晶片的阴极。Cu颗粒被电沉积在具有包括粘合剂层和种子层的金属层的硅晶片上。通常，Ti是杰出的粘合层，而Cu是电路中常用的导电层。在室温下，Cu的电阻率为1.72×10 -8Ω ·m，而Ti的电阻率为4.2×10 -8Ω·米 Ti具有比Cu高的电阻率，这表明在Ti上电镀金属层比Cu难得多。在这种情况下，金属层的优化结构可以帮助调整电镀速率，从而控制填充质量。如在所示图5 A-3，由双面溅射制成通孔的通孔有更多的Cu除Ti由于电镀速度为快于所述开口，从而导致空隙。但是，在图5b-3中，由于通孔的电镀速度较慢且不产生空隙，因此单面溅射制得的通孔中的铜比通孔中的Ti少。通过增加电镀时间，通孔可以完全送入以获得理想状态。

图5. 铜生长机理的示意图。（a）硅通孔的双面溅射；（b）TSV的单面溅射。

3.2 电镀条件的改善

在此过程中还研究了电镀条件的改善。制作了两组样品（直径40微米/深度160微米；直径150微米/深度130微米）并以三种不同的步进电流密度进行电镀。逐步设置电镀过程中通孔填充状态下的电流密度。包括促进剂，稳定剂和整平剂在内的添加剂的体积分别为3、5和10 mL。借助磁力搅拌器以500〜600 rpm的速度辅助电镀过程。

直径为40 µm，深度为160 µm的样品的电镀条件和填充质量如图6所示，直径为150 µm，深度为130 µm的样品的电镀条件和填充质量见图7。对于直径为40 µm，深度为160 µm的通孔（图6 A），起始电流密度为0.1 A / dm 2，依次增加至0.2、0.3和0.4 A / dm 2。电流密度的四个部分的维持时间分别为70、80、120和60分钟。结果表明，几乎80％的通孔都被填充。为了提高质量，使用了较低的启动电流密度和较长的时间，如图6所示。公元前。当起始电流密度降低至0.05 A / dm 2且终止电流密度设定为不超过0.2 A / dm 2时，通孔被100％填充，如插入的图像所示（图6）。对于直径为150 µm，深度为130 µm的通孔，起始电流密度均匀地设置为0.05 A / dm 2，并且逐步的电流密度会变化，如图7（D–F）所示。20分钟内0.05 A / dm 2的逐步电流密度，30分钟内0.1 A / dm 2的逐步电流密度，60分钟内0.2 A / dm 2的逐步电流密度和900分钟0.3 A / dm 2的逐步电流密度（图7F）表现最好。这些图显示了不同电镀条件下TSV的分布。可以看出，对于直径为40 µm，深度为160 µm的通孔，可以通过几步将电流密度设置为不超过0.2 A / dm 2（图6），而将电流密度提高到0.3 A / dm。2个用于直径150 µm，深度135 µm的通孔（图7）。

图6. 电镀条件和直径为40 µm，深度为160 µm的样品的填充质量示意图。A，B，C是具有不同电流密度和时间的不同电镀条件，如图所示。

图7. 直径为150 µm，深度为135 µm的样品的电镀条件和填充质量的图示。D，E，F是不同的电镀条件，图中所示的电流密度和时间各不相同。

可以看出，包括起始电流密度，逐步电镀设置和终止电流密度在内的电镀条件均对填充质量产生影响。如果启动电流密度过高，则开口会很快被阻塞并影响电镀。具有较低端电流密度的逐步电流密度可减小开口阻塞并提高处理效率。可以解释这种改善机理是，通过减小并引入逐步的电流密度，可以通过减小开口周围的电流累积效应来防止夹断现象。而且，电镀期间的搅拌力可以消除溶液输送的限制。

直径40 µm，深度160 µm的样品进一步证明了溅射和电镀条件的改善效果。图8所示的SEM图像说明了TSV的完美填充质量。

4.结论

本文采用两种改进方法，通过电镀将铜完全填充到硅通孔中。分析了溅射和电镀条件对硅通孔填充行为的影响。根据实验结果，可以得出结论，根据该机理，在Cu表面上的填充比在Ti表面上的填充容易得多。由于可以控制填充条件，因此可以获得没有空隙的良好填充质量。另外，事实证明，通过设置逐步电流密度，TSV电镀条件的依赖性对填充质量的提高具有影响。较低的电流密度和较长的时间可以防止夹断现象，从而可以更好地填充TSV。

免责声明：文章来源于网络，如有侵权请联系作者删除。