硅通孔填充機理及工藝研究.pdf

1、硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技術是一項顛覆性的技術，它通過在通孔內填充銅、鎢、多晶硅等導電物，以實現硅通孔的垂直電氣互連，突破平面集成技術的瓶頸，實現沿Z軸方向的三維集成，成為延續(xù)和拓展摩爾定律（More than Moore Law）的重要研究方向和解決方案，為滿足器件小型化、高性能的迫切需求提供了可能性。目前TSV技術仍不是很成熟，只有少數高端產品量產化。硅通孔技術仍舊面臨著技術和工藝挑戰(zhàn)，還需要進一步系

2、統(tǒng)深入地研究。
　　本論文以TSV填充機理研究和應用開發(fā)為目標，開展對TSV填充機理、模擬和實驗研究；通過對Cu-TSV微結構分析、填充影響因素分析、填充工藝優(yōu)化，以提高Cu-TSV性能和可靠性；最后圍繞新型硅基 TSV轉接板制備工藝開發(fā)等開展基礎性研究。本論文主要工作包括以下幾個方面：
　　為增強對TSV專用添加劑性能的進一步了解，以便建立TSV填充模型，利用電化學工作站對添加劑性能進行了測試。利用XRD技術對鍍層的織構進

3、行了表征，并研究了添加劑種類、電流密度大小、種子層等對鍍層織構的影響。
　　利用COMSOL Multiphysics軟件平臺，通過研究TSV填充過程中各個要素，提出了擴散-吸附-脫附-夾雜理論。將擴散-吸附-脫附-夾雜理論和任意拉格朗日-歐拉法（ALE）結合在一起，并考慮了強制對流和孔內含氧量等因素，建立了TSV填充模型，并對各添加劑濃度下TSV填充模式演變和填充過程中孔內各物質傳質過程進行了模擬。針對不同孔結構和孔尺寸的TSV

4、對填充效果的影響也進行了相應的模擬研究。最后將模擬結果與實際填孔實驗作對比，驗證了模型的合理性。
　　將微區(qū)XRD技術應用于Cu-TSV微區(qū)織構表征，根據不同區(qū)域（111）織構系數的變化，計算出沿孔深方向上添加劑分布規(guī)律，闡述了 TSV的“V”型填充機理。采用電化學測試、模擬仿真、形貌分析等方法，進一步證實了當局部電流密度大于臨界電流密度時，孔底部發(fā)生添加劑脫附現象，并對“Bottom-Up”填充模式進行了闡述。針對影響TSV填充

5、最為突出的幾個因素（外部強制對流、孔尺寸大小、電場強度分布、鍍液溫度、種子層厚度、預潤濕效果、扇貝結構等），通過模擬仿真和填孔實驗進行了深入的研究。采用電子背散射衍射（EBSD）技術，對Cu-TSV微結構進行了表征，并根據測試結果對TSV填充過程中孔內添加劑分布規(guī)律進行了分析。
　　針對TSV填充工藝進行了優(yōu)化，實現了同一晶圓上不同深寬比TSV的同步無孔洞填充。提出了 TSV多步填充工藝，在預潤濕的電解質溶液中添加過量的加速劑，使

6、加速劑在預潤濕階段提前進入盲孔內并吸附在孔內壁上，然后將預潤濕的芯片放入只含有抑制劑的鍍液中電鍍，既實現了“Bottom-Up”填充模式，又提高了填孔效率。
　　將干膜光刻膠和硅通孔填充工藝結合在一起，開發(fā)出了快速高效制備硅基 TSV轉接板的新方法-干膜光刻膠選擇性屏蔽雙向填充法，此方法簡化了工藝步驟，降低了工藝成本，提高了TSV電氣互連的可靠性。
　　通過以上對TSV填充機理研究、盲孔和通孔模擬仿真、影響因素分析、填充工藝