優(yōu)化縮短3D集成硅通孔(TSV)填充時(shí)間的創(chuàng)新方法

本文介紹了一種新型的高縱橫比TSV電鍍添加劑系統(tǒng)，利用深層反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)技術(shù)對晶片形成圖案，并利用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)沉積種子層。通過陽極位置優(yōu)化、多步驟TSV填充過程、添加劑濃度和電鍍電流密度優(yōu)化，在保持無空隙填充輪廓的同時(shí)提高填充效率，通過tsv的晶片段電鍍,驗(yàn)證了其可用性。利用線性掃描伏安法(LSV)、計(jì)時(shí)安培法和數(shù)值模擬方法研究了其作用機(jī)理。

對于本文開發(fā)的原型器件，設(shè)計(jì)了四種圖案晶片，其中包括050μmx 150μm,040μmx 140μm, 030umx 130μm,和020μmx 120um.的視孔如圖1所示，TSVs通過六種工藝創(chuàng)建: (a)硅片清洗; (b)旋轉(zhuǎn)涂層光刻膠(SU-8) ; (C)光刻抗蝕劑開發(fā); (d)深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE) (博世工藝) ; (e)氧化獲得二氧化硅阻擋層(提供TSVs之 間的電隔離) ; (f)濺射鈦粘附層; (e)濺射銅種子層; (h)Cu-TSVs電鍍。圖2顯示了使用玻色工藝蝕刻的透硅孔的掃描電鏡顯微圖，圖2(a)和(b)分別顯示了tsv的頂視圖和橫截面SEM顯微圖，如圖2(C)， 所示扇貝的橫向粗糙度小于100納米。

利用商用的COMSOL多物理軟件模擬了TSV中的電場分布，采用有限元法(FEM)建立了物理模型,在該模型中，與TSV的段晶片陰極對應(yīng)的陽極位置是可變的(陰極的上、下或右側(cè))。

本文介紹了-種新型的用于填充高寬徑比TSV的商業(yè)添加劑體系,堿電解質(zhì)含有80gL-1Cu2+、20gL-1CH3SO3H和50mgL-1Cl-,提出了四種不同的創(chuàng)新方法來縮短填充時(shí)間。

電化學(xué)測量采用了-種標(biāo)準(zhǔn)的三電極系統(tǒng)，使用圖案和固體平面電極作為工作電極(WE), Pt網(wǎng)用作對電極(CE)，采用飽和熱量參比電極(SCE)作為參比電極，本文給出的電位相對于SCE (0.242V相對于正常的氫電極(NHE) )，電鍍電池中電解質(zhì)的體積為250mL，由于擴(kuò)散能力、添加劑消耗與電流密度之間的關(guān)系，電流密度影響填充模型和填充效率。在含有4ppmDVF-B、20ppmDVF-C和1.5ppmDVF-D的電解質(zhì)中，不同電流密度下cu-tsv電鍍的截面光學(xué)顯微鏡圖像。

當(dāng)同時(shí)加入三種添加劑(DVF-B、DVF-C、 DVF-C、 DVF-D)時(shí)， 電流密度對通過填充行為影響顯著，當(dāng)在電鍍過程中施加較低的電流密度(3mAcm- 2)時(shí)，該抑制劑具有較弱的抑制作用，沉積速率緩慢，且抑制因子在通過底部區(qū)域的消耗量較小，更重要的是，有足夠的時(shí)間讓抑制劑擴(kuò)散到通道的底部，添加劑的添加量(DVF-B、DVF-C和DVF-D)在通過深度方向上幾乎相等，因此在低電流密度下，填充行為表現(xiàn)出保形填充特征。

在較高的電流密度(10-20mAcm- 2)時(shí)，沉積速率增加，抑制劑每秒的消耗量增加。雖然抑制因子的擴(kuò)散系數(shù)是恒定的，但抑制因子沒有足夠的時(shí)間來擴(kuò)散到通道的底部來補(bǔ)充消耗抑制因子，雖然加速器的數(shù)量在通道內(nèi)部的任何地方都是相等的(由于加速器的擴(kuò)散系數(shù)很大)， 但抑制劑的劑量,由于抑制因子的消耗和擴(kuò)散的限制，沿著通過深度方向顯著減少，這種沿通過深度方向的添加劑分布導(dǎo)致了電鍍的超填充類型。

從填充曲線上可以看出，在相同數(shù)量的電荷(Q=Ixt)下，銅沉積量(S)隨著應(yīng)用電流密度的增加而減少，這可能是由于電流效率(η) 的降低所致，這可能是由于抑制因子的抑制作用隨著外加電流密度的增加而增加所致。

用固體平面電極和圖案化電極測量的LSV曲線，分別大致對應(yīng)于通道的頂部和通道的底部，通道底部區(qū)域的電流密度大于頂部區(qū)域的電流密度，通道底部和通道頂部的鍍速率差小而小，在適當(dāng)?shù)碾娏髅芏?ca)下，通道底部和通道項(xiàng)部之間的電鍍速率的差異顯著增加，可以抑制通道中空的形成，以上討論表明，適當(dāng)?shù)碾娏髅芏炔粌H避免了通過口中形成的接縫或夾口，而且提高了通填效率。

添加劑的濃度在通過充填過程中起著重要的作用，它影響了通過表面上的添加劑吸附解吸行為的隨機(jī)概率，此外，隨著吸附和消耗過程的進(jìn)行，它影響了通道內(nèi)部的生長速率，從而控制了Cu-TSV填充模型。當(dāng)片段晶片在高添加劑濃度(6- 30ppm)的槽中電鍍時(shí)，孔在同一周期內(nèi)完全填充，而當(dāng)添加劑濃度更高(50~ 80ppm)時(shí)，在同一電鍍周期內(nèi)出現(xiàn)部分填充輪廓。

本文介紹了四種優(yōu)化方法來減少三維集成透硅通孔(TSVS)的填充時(shí)間，并利用線性掃描伏安法(LSV)和時(shí)安培技術(shù)對其機(jī)理進(jìn)行了研究，對相對于tsv的陽極位置進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)陽極放置在tsv的前方、右側(cè)和后方時(shí)，填充效率在一定程度 上依次提高，多步TSV填充過程表明，在從腔室和孔中去除空氣之前，加入添加劑(DVF- B)，TSV填充效率有效提高，填充效率隨著預(yù)濕電解液中加速器濃度的增加而提高，模擬了添加劑的表面吸附過程，對理解添加劑的吸附和填充過程具有很大的意義，添加劑的濃度在通過填充過程中起著重要的作用，這控制著Cu-TSV的填充模型。