高深寬比的TSV鍍銅工藝技術研究

魏紅軍，謝振民，雷光宇

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

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

TSV（Through Silicon Via）技術即硅通孔技術，是三維堆疊芯片實現互連的關鍵工藝技術。它是在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導通，通過Z向通孔實現芯片之間的互連。TSV技術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鍵技術之一，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行真空預濕處理，主要通過壓差原理，去除硅通孔內部殘留的氣泡，防止電鍍時形成空洞或縫隙等缺陷；然后，對硅通孔進行銅填充，通過電化學的方法進行無缺陷填充；最后，對晶圓清洗干燥，使其保持潔凈狀態，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

TSV是2.5D/3D封裝的核心技術，目前已經可以實現深寬比為10∶1的TSV結構，且向更高的深寬比發展。隨著工藝的提升，硅通孔的孔徑越來越小，密度越來越大，目前最先進的TSV工藝，可以在1 mm2的的芯片上制作高達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在于能在孔徑小于10 μm、深寬比大于10∶1的深孔內完成無缺陷填充，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優先沉積，并消除孔內的氣體，在很短的時間內完成無縫隙、無孔洞填充，即達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致嚴重的可靠性問題。

圖2 填充效果對比

3 TSV鍍銅填充效果影響因素分析

業內對TSV鍍銅填充研究有很多，主要是圍繞如何實現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、抑制劑等有機添加劑的濃度及配比。

3.1 鍍前預濕處理

當電鍍液進入硅通孔時，如果孔內存在未排除的氣體，液體與硅通孔側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液面向內凹陷，會導致孔底部未能完全填充，因此電鍍前需要進行預濕處理，有效地去除孔內的氣泡。

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

在孔徑10 μm、深寬比10∶1的硅通孔內（8英寸晶圓）進行真空預濕處理實驗，先將晶圓正面向上放入預濕腔內，然后對預濕腔進行抽真空處理，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濕腔內變化情況如表1所示。真空度在10 kPa時，晶圓硅通孔內可以實現完全浸潤。由此可得出，預濕腔內真空度5～30 kPa范圍內可基本滿足各類TSV的預濕要求。

表1 不同真空度下晶圓表面及預濕腔內變化情況

3.2 鍍液快速攪拌技術

對于高深寬比TSV來說，為了加速硅通孔內溶液的交換，沉積腔配有鍍液快速攪拌系統，通過對沉積腔內晶圓表面鍍液進行強力水平攪拌，消除晶圓深孔內氣泡，并通過液體的快速流動，確保溶液成分的穩定，提高孔內、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；由于攪拌電鍍區特征尺寸內會產生壓力差，加快了孔內金屬離子的交換，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而被去除，從而提高氣泡的移除率。

圖3 攪拌系統原理示意圖

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，陰陽極腔之間設有陽離子交換膜，陽極腔內僅為電鍍母液，無任何添加劑，防止鍍液添加劑過度消耗，陽極腔溶液循環系統和陰極腔溶液循環系統完全獨立。

圖4 沉積腔結構示意圖

沉積腔采用多陽極結構，分為四個獨立的陽極區，陽極區之間絕緣、密封隔離，陽極區底部配有鍍鉑鈦板，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，四個陽極區電流可獨立控制，從而實現了晶圓各電鍍區域鍍層的均勻性。

3.4 加速劑、抑制劑等有機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，來達到“孔內加速、孔口抑制”的效果，從而實現低電阻率、無空洞和高可靠性的硅通孔結構。

圖5 “自下而上”的沉積過程

在工藝實驗前，先行建立仿真模型，主要針對鍍液中各類有機添加劑的配比濃度進行仿真分析，為后續工藝實驗提供理論支持。

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，直至實現“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驗過程中通過正交實驗來確定，首先采用恒電流法測量極化曲線，依據極化曲線優選結果，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，進行第二次正交實驗，利用霍爾槽試驗法進行分散能力測定，利用內孔法測定深孔沉積能力，并對其進行評級，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 鍍液配方正交實驗設計因素與水平

經過工藝驗證，獲得了TSV電鍍銅填充主要影響因素的影響規律，如表3所示。從表3可以看出，要實現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律

4 結束語

基于集成電路行業的電鍍工藝技術門檻很高，其鍍液性質、沉積機理、設備能力等方面與傳統電鍍有很大差異。電鍍工藝及設備相輔相成，是獲取高性能鍍層的關鍵，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，對電鍍設備的研發及電鍍藥液的工藝驗證和使用具有十分重要的意義。