高深寬比的TSV鍍銅工藝技術(shù)研究

魏紅軍，謝振民，雷光宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著芯片特征尺寸微細(xì)化愈加困難，而市場對芯片高性能的追逐不減，基于TSV的3D異構(gòu)異質(zhì)封裝技術(shù)將成為超越摩爾定律提升芯片性能的首選技術(shù)解決方案。

TSV（Through Silicon Via）技術(shù)即硅通孔技術(shù)，是三維堆疊芯片實(shí)現(xiàn)互連的關(guān)鍵工藝技術(shù)。它是在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，通過Z向通孔實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連。TSV技術(shù)能夠使芯片在三維集成堆疊的密度最大，芯片之間的互連線最短，外形尺寸最小，并具有優(yōu)異的抗干擾性能[1]。

TSV制作主要工藝流程從等離子深硅刻蝕成孔到CMP拋光減薄有十幾道工藝，其中高深寬比的硅通孔鍍銅無缺陷填充是其關(guān)鍵技術(shù)之一，由于鍍銅可用于各種TSV尺寸和形狀的填充，因此成為當(dāng)今TSV填充的主流工藝[2]。

1 TSV鍍銅填充工藝流程

如圖1所示，鍍銅填充工藝主要涉及3個工序：電鍍前首先對晶圓進(jìn)行真空預(yù)濕處理，主要通過壓差原理，去除硅通孔內(nèi)部殘留的氣泡，防止電鍍時形成空洞或縫隙等缺陷；然后，對硅通孔進(jìn)行銅填充，通過電化學(xué)的方法進(jìn)行無缺陷填充；最后，對晶圓清洗干燥，使其保持潔凈狀態(tài)，利于后期工藝處理。另外，清洗干燥工序還要求具備晶圓邊緣斜邊（3～5 mm）銅去除功能。

圖1 TSV鍍銅填充工藝流程

2 TSV鍍銅填充工藝難點(diǎn)

TSV是2.5D/3D封裝的核心技術(shù)，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)深寬比為10∶1的TSV結(jié)構(gòu)，且向更高的深寬比發(fā)展。隨著工藝的提升，硅通孔的孔徑越來越小，密度越來越大，目前最先進(jìn)的TSV工藝，可以在1 mm2的的芯片上制作高達(dá)10萬個以上硅通孔，從而支撐更高密度的芯片互連，對TSV的電鍍填充也提出了更高的工藝要求。

鍍銅填充主要工藝難點(diǎn)在于能在孔徑小于10 μm、深寬比大于10∶1的深孔內(nèi)完成無缺陷填充，填充良率≥99%。

深孔鍍與普通鍍有很大差異，其中硅通孔鍍銅必須保證金屬離子在深孔內(nèi)優(yōu)先沉積，并消除孔內(nèi)的氣體，在很短的時間內(nèi)完成無縫隙、無孔洞填充，即達(dá)到所謂完全填充效果。在電鍍填充中，形成的空洞或縫隙都會導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問題。

圖2 填充效果對比

3 TSV鍍銅填充效果影響因素分析

業(yè)內(nèi)對TSV鍍銅填充研究有很多，主要是圍繞如何實(shí)現(xiàn)硅通孔的完全填充展開，在鍍銅填充階段，從填充效果的角度看主要涉及的因素在四個方面：(1)鍍銅前預(yù)濕處理；（2）鍍液快速攪拌；（3）電場均勻分布，保證鍍層沉積均勻；（4）加速劑、抑制劑等有機(jī)添加劑的濃度及配比。

3.1 鍍前預(yù)濕處理

當(dāng)電鍍液進(jìn)入硅通孔時，如果孔內(nèi)存在未排除的氣體，液體與硅通孔側(cè)壁張力作用大于液體自身重力作用，使得電鍍液在硅通孔內(nèi)液面向內(nèi)凹陷，會導(dǎo)致孔底部未能完全填充，因此電鍍前需要進(jìn)行預(yù)濕處理，有效地去除孔內(nèi)的氣泡。

預(yù)濕處理工藝是用來去除孔內(nèi)滯留的空氣，一般通過浸潤、噴淋、超聲等方式來實(shí)現(xiàn)。對具有挑戰(zhàn)性的特征尺寸（小孔徑、高深寬比），需要真空預(yù)濕處理去除硅通孔的氣體才能讓鍍液進(jìn)入到孔內(nèi)。

在孔徑10 μm、深寬比10∶1的硅通孔內(nèi)（8英寸晶圓）進(jìn)行真空預(yù)濕處理實(shí)驗(yàn)，先將晶圓正面向上放入預(yù)濕腔內(nèi)，然后對預(yù)濕腔進(jìn)行抽真空處理，接著注入去離子水，高于晶圓表面大約50 mm即可，不同真空度下晶圓表面及預(yù)濕腔內(nèi)變化情況如表1所示。真空度在10 kPa時，晶圓硅通孔內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)完全浸潤。由此可得出，預(yù)濕腔內(nèi)真空度5～30 kPa范圍內(nèi)可基本滿足各類TSV的預(yù)濕要求。

表1 不同真空度下晶圓表面及預(yù)濕腔內(nèi)變化情況

3.2 鍍液快速攪拌技術(shù)

對于高深寬比TSV來說，為了加速硅通孔內(nèi)溶液的交換，沉積腔配有鍍液快速攪拌系統(tǒng)，通過對沉積腔內(nèi)晶圓表面鍍液進(jìn)行強(qiáng)力水平攪拌，消除晶圓深孔內(nèi)氣泡，并通過液體的快速流動，確保溶液成分的穩(wěn)定，提高孔內(nèi)、外溶液的交換效率。如圖3所示，通過對晶圓表面電鍍藥液的有序攪拌，改善了電力線的分布，提高溶液的極化度；由于攪拌電鍍區(qū)特征尺寸內(nèi)會產(chǎn)生壓力差，加快了孔內(nèi)金屬離子的交換，使沉積速率更快，鍍層更加均勻；通過攪拌氣泡不會殘留在孔內(nèi)而被去除，從而提高氣泡的移除率。

圖3 攪拌系統(tǒng)原理示意圖

3.3 電場均勻分布，保證鍍層沉積均勻

電鍍時晶圓面水平朝下放置，如圖4所示，沉積腔室分為陰極腔和陽極腔兩部分，陰陽極腔之間設(shè)有陽離子交換膜，陽極腔內(nèi)僅為電鍍母液，無任何添加劑，防止鍍液添加劑過度消耗，陽極腔溶液循環(huán)系統(tǒng)和陰極腔溶液循環(huán)系統(tǒng)完全獨(dú)立。

圖4 沉積腔結(jié)構(gòu)示意圖

沉積腔采用多陽極結(jié)構(gòu)，分為四個獨(dú)立的陽極區(qū)，陽極區(qū)之間絕緣、密封隔離，陽極區(qū)底部配有鍍鉑鈦板，上面放置可溶性陽極材料，也可作為不溶性陽極；電鍍電源為脈沖電源，陰極共用一路輸出，陽極四路輸出，四個陽極區(qū)電流可獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)了晶圓各電鍍區(qū)域鍍層的均勻性。

3.4 加速劑、抑制劑等有機(jī)添加劑的濃度及配比

目前TSV電鍍銅填充主要采用硫酸銅工藝體系，電鍍液成分主要包括硫酸、銅離子、氯離子、加速劑、抑制劑和整平劑等6種組份。如圖5所示，理想的填充過程是自下而上的沉積過程，這就需要鍍銅溶液中抑制劑、加速劑等不同添加劑的合理配比，來達(dá)到“孔內(nèi)加速、孔口抑制”的效果，從而實(shí)現(xiàn)低電阻率、無空洞和高可靠性的硅通孔結(jié)構(gòu)。

圖5 “自下而上”的沉積過程

在工藝實(shí)驗(yàn)前，先行建立仿真模型，主要針對鍍液中各類有機(jī)添加劑的配比濃度進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)工藝實(shí)驗(yàn)提供理論支持。

圖6 所示為TSV鍍銅填充仿真研究流程圖[3]?；贑OMSOL仿真軟件，建立考慮促進(jìn)劑和抑制劑的TSV鍍銅填充仿真模型?；诖四Ｐ?，先固定其中加速劑的濃度，通過改變抑制劑的濃度，仿真研究各種條件下硅通孔銅填充情況，直至實(shí)現(xiàn)“自下而上”的填充效果。

圖6 TSV鍍銅填充仿真研究

電鍍液最終配方需在工藝實(shí)驗(yàn)過程中通過正交實(shí)驗(yàn)來確定，首先采用恒電流法測量極化曲線，依據(jù)極化曲線優(yōu)選結(jié)果，確定溶液的初步配方，包括溶液中主鹽以及各種添加劑的含量。并以上述配方為基準(zhǔn)，進(jìn)行第二次正交實(shí)驗(yàn)，利用霍爾槽試驗(yàn)法進(jìn)行分散能力測定，利用內(nèi)孔法測定深孔沉積能力，并對其進(jìn)行評級，通過溶液分散能力及深孔沉積能力測定來確定溶液最終配方，如表2所示。

表2 鍍液配方正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計因素與水平

經(jīng)過工藝驗(yàn)證，獲得了TSV電鍍銅填充主要影響因素的影響規(guī)律，如表3所示。從表3可以看出，要實(shí)現(xiàn)TSV電鍍銅完全填充，決定性的因素是添加劑濃度，主要影響因素為氯離子濃度，其余因素幾乎沒有影響。

表3 TSV電鍍銅填充主要影響因素的影響規(guī)律

4 結(jié)束語

基于集成電路行業(yè)的電鍍工藝技術(shù)門檻很高，其鍍液性質(zhì)、沉積機(jī)理、設(shè)備能力等方面與傳統(tǒng)電鍍有很大差異。電鍍工藝及設(shè)備相輔相成，是獲取高性能鍍層的關(guān)鍵，對保障芯片的使用性能極為重要。本文通過分析影響TSV鍍銅填充效果的主要因素，對電鍍設(shè)備的研發(fā)及電鍍藥液的工藝驗(yàn)證和使用具有十分重要的意義。