硅通孔填充機(jī)理及工藝研究.pdf

1、硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技術(shù)是一項顛覆性的技術(shù)，它通過在通孔內(nèi)填充銅、鎢、多晶硅等導(dǎo)電物，以實現(xiàn)硅通孔的垂直電氣互連，突破平面集成技術(shù)的瓶頸，實現(xiàn)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(shù)仍不是很成熟，只有少數(shù)高端產(chǎn)品量產(chǎn)化。硅通孔技術(shù)仍舊面臨著技術(shù)和工藝挑戰(zhàn)，還需要進(jìn)一步系

2、統(tǒng)深入地研究。
　　本論文以TSV填充機(jī)理研究和應(yīng)用開發(fā)為目標(biāo)，開展對TSV填充機(jī)理、模擬和實驗研究；通過對Cu-TSV微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)接板制備工藝開發(fā)等開展基礎(chǔ)性研究。本論文主要工作包括以下幾個方面：
　　為增強(qiáng)對TSV專用添加劑性能的進(jìn)一步了解，以便建立TSV填充模型，利用電化學(xué)工作站對添加劑性能進(jìn)行了測試。利用XRD技術(shù)對鍍層的織構(gòu)進(jìn)

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(gòu)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(kuò)散-吸附-脫附-夾雜理論。將擴(kuò)散-吸附-脫附-夾雜理論和任意拉格朗日-歐拉法（ALE）結(jié)合在一起，并考慮了強(qiáng)制對流和孔內(nèi)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(nèi)各物質(zhì)傳質(zhì)過程進(jìn)行了模擬。針對不同孔結(jié)構(gòu)和孔尺寸的TSV

4、對填充效果的影響也進(jìn)行了相應(yīng)的模擬研究。最后將模擬結(jié)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(shù)應(yīng)用于Cu-TSV微區(qū)織構(gòu)表征，根據(jù)不同區(qū)域（111）織構(gòu)系數(shù)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(jī)理。采用電化學(xué)測試、模擬仿真、形貌分析等方法，進(jìn)一步證實了當(dāng)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(xiàn)象，并對“Bottom-Up”填充模式進(jìn)行了闡述。針對影響TSV填充

5、最為突出的幾個因素（外部強(qiáng)制對流、孔尺寸大小、電場強(qiáng)度分布、鍍液溫度、種子層厚度、預(yù)潤濕效果、扇貝結(jié)構(gòu)等），通過模擬仿真和填孔實驗進(jìn)行了深入的研究。采用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)，對Cu-TSV微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并根據(jù)測試結(jié)果對TSV填充過程中孔內(nèi)添加劑分布規(guī)律進(jìn)行了分析。
　　針對TSV填充工藝進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)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(yù)潤濕的電解質(zhì)溶液中添加過量的加速劑，使

6、加速劑在預(yù)潤濕階段提前進(jìn)入盲孔內(nèi)并吸附在孔內(nèi)壁上，然后將預(yù)潤濕的芯片放入只含有抑制劑的鍍液中電鍍，既實現(xiàn)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(jié)合在一起，開發(fā)出了快速高效制備硅基 TSV轉(zhuǎn)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(jī)理研究、盲孔和通孔模擬仿真、影響因素分析、填充工藝