硅通孔填充机理及工艺研究

摘要

硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技术是一项颠覆性的技术，它通过在通孔内填充铜、钨、多晶硅等导电物，以实现硅通孔的垂直电气互连，突破平面集成技术的瓶颈，实现沿Z轴方向的三维集成，成为延续和拓展摩尔定律（More than Moore Law）的重要研究方向和解决方案，为满足器件小型化、高性能的迫切需求提供了可能性。目前TSV技术仍不是很成熟，只有少数高端产品量产化。硅通孔技术仍旧面临着技术和工艺挑战，还需要进一步系统深入地研究。
　　本论文以TSV填充机理研究和应用开发为目标，开展对TSV填充机理、模拟和实验研究；通过对Cu-TSV微结构分析、填充影响因素分析、填充工艺优化，以提高Cu-TSV性能和可靠性；最后围绕新型硅基 TSV转接板制备工艺开发等开展基础性研究。本论文主要工作包括以下几个方面：
　　为增强对TSV专用添加剂性能的进一步了解，以便建立TSV填充模型，利用电化学工作站对添加剂性能进行了测试。利用XRD技术对镀层的织构进行了表征，并研究了添加剂种类、电流密度大小、种子层等对镀层织构的影响。
　　利用COMSOL Multiphysics软件平台，通过研究TSV填充过程中各个要素，提出了扩散-吸附-脱附-夹杂理论。将扩散-吸附-脱附-夹杂理论和任意拉格朗日-欧拉法（ALE）结合在一起，并考虑了强制对流和孔内含氧量等因素，建立了TSV填充模型，并对各添加剂浓度下TSV填充模式演变和填充过程中孔内各物质传质过程进行了模拟。针对不同孔结构和孔尺寸的TSV对填充效果的影响也进行了相应的模拟研究。最后将模拟结果与实际填孔实验作对比，验证了模型的合理性。
　　将微区XRD技术应用于Cu-TSV微区织构表征，根据不同区域（111）织构系数的变化，计算出沿孔深方向上添加剂分布规律，阐述了 TSV的“V”型填充机理。采用电化学测试、模拟仿真、形貌分析等方法，进一步证实了当局部电流密度大于临界电流密度时，孔底部发生添加剂脱附现象，并对“Bottom-Up”填充模式进行了阐述。针对影响TSV填充最为突出的几个因素（外部强制对流、孔尺寸大小、电场强度分布、镀液温度、种子层厚度、预润湿效果、扇贝结构等），通过模拟仿真和填孔实验进行了深入的研究。采用电子背散射衍射（EBSD）技术，对Cu-TSV微结构进行了表征，并根据测试结果对TSV填充过程中孔内添加剂分布规律进行了分析。
　　针对TSV填充工艺进行了优化，实现了同一晶圆上不同深宽比TSV的同步无孔洞填充。提出了 TSV多步填充工艺，在预润湿的电解质溶液中添加过量的加速剂，使加速剂在预润湿阶段提前进入盲孔内并吸附在孔内壁上，然后将预润湿的芯片放入只含有抑制剂的镀液中电镀，既实现了“Bottom-Up”填充模式，又提高了填孔效率。
　　将干膜光刻胶和硅通孔填充工艺结合在一起，开发出了快速高效制备硅基 TSV转接板的新方法-干膜光刻胶选择性屏蔽双向填充法，此方法简化了工艺步骤，降低了工艺成本，提高了TSV电气互连的可靠性。
　　通过以上对TSV填充机理研究、盲孔和通孔模拟仿真、影响因素分析、填充工艺优化、Cu-TSV微结构分析、以及硅基转接板应用工艺探索，更加深入地阐明了TSV填充机理，实现了大尺寸、不同深宽比TSV的快速、高效、同步填充，开发出快速高效制备硅基TSV转接板的干膜光刻胶选择性屏蔽双向填充法，有助于推动TSV技术的实际应用。

目录

声明

答辩决议书

第1章 绪论

1.1 三维集成技术(3D Integration Technology)概述

1.2 TSV技术简介

1.3 TSV技术研究现状

1.4本文研究内容与意义

第2章 添加剂的电化学表征及沉积铜膜的XRD表征

2.1 添加剂的电化学表征

2.2 沉积铜膜的AFM、SEM及XRD技术表征

2.3 本章小结

第3章 TSV填充过程的数值模拟

3.1 小尺寸TSV盲孔填充过程模拟

3.2 TSV盲孔填充过程模拟

3.3 TSV通孔填充过程模拟

3.4 模拟结果指导下的添加剂选择

3.5 本章小结

第4章 TSV盲孔填充机理及填充影响因素研究

4.1 TSV填充机理分析

4.2 TSV填充影响因素研究

4.3 TSV填充优化

4.4 Cu-TSV的电子背散射衍射(EBSD)测试

4.5 本章小结

第5章 TSV转接板制备工艺流程优化

5.1 通孔填充优化及机理分析

5.2 硅基转接板创新制备工艺

5.3 本章小结

第6章 全文总结和展望

6.1 本文主要结论

6.2 本文主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读期间发表的学术论文及其它成果