專利名稱：硅圓片通孔金屬填充工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子元器件封裝技術(shù)，特別涉及一種硅圓片通孔金屬填充工藝。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)遵循著摩爾定律發(fā)展，其集成度每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，摩爾定律已經(jīng)開始出現(xiàn)瓶頸。隨著芯片線寬不斷縮小，當(dāng)線寬達(dá)到納米級(jí)別時(shí)，材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化。同時(shí)，單個(gè)芯片集成度越來越高，發(fā)熱越來越嚴(yán)重，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。并且，隨著芯片線寬的不斷縮小，對(duì)制造設(shè)備的性能要求越來越高，造成產(chǎn)品制造成本的急劇上升。但是人們對(duì)于電子產(chǎn)品小型化、輕型化的要求卻不可能停止，三維封裝技術(shù)也隨之出現(xiàn)，迅速發(fā)展。三維封裝技術(shù)已經(jīng)開始運(yùn)用到一些電子產(chǎn)品中，例如存儲(chǔ)器等。硅通孔(TSV)技術(shù)是一種新型的高密度、高速、低功耗的三維封裝技術(shù)，近年來得到迅速發(fā)展。它是通過在芯片與芯片之間或者晶元與晶元之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間垂直互連的一種技術(shù)。硅通孔的金屬填充是TSV技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的金屬填充方法是采用電鍍的方式在通孔中填充銅。但是由于銅與硅的熱失配，造成產(chǎn)品在使用過程中存在很大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種硅圓片通孔金屬填充工藝。其特征在于所述硅圓片通孔內(nèi)通過電鍍金屬Sn或Sn合金，或者經(jīng)多次電鍍Sn及其合金金屬，并通過熱處理工藝在硅圓片上的通孔內(nèi)形成的填充金屬，填充工藝包括以下步驟:(1)在硅圓片上刻蝕深孔；(2)在娃圓片表面形成一層絕緣層；(3)在絕緣層表面濺射一層粘附層、阻擋層、種子層；(4)采用光刻工藝暴露出通孔，并利用光刻膠保護(hù)硅圓片的其余部分；(5)通過電鍍工藝在孔內(nèi)通過電鍍金屬Sn或Sn合金，或者采用多次電鍍Sn及其合金金屬；(6)利用光刻膠保護(hù)通孔填充金屬部分，利用腐蝕工藝去除圓片表面的粘附層，阻擋層和種子層；(7)在惰性氣體的保護(hù)下，進(jìn)行熱處理，最終形成硅圓片通孔內(nèi)的填充金屬。所述步驟(1)的深孔可以是通孔或者是盲孔，孔可以通過反應(yīng)離子刻蝕的方式形成，深寬比范圍為1:1 20: 1，直徑為1um 300um，硅圓片的厚度在30um 600um。上述步驟(2)中的絕緣層可以是二氧化硅或者氮化硅，通過熱氧化或氣相沉積的工藝形成絕緣層。上述步驟(3)中的粘附層的材料為T1、Ni，阻擋層的材料為W、Ta、TaN，種子層為Cu、Sn、N1、Au。上述步驟(5)中可以直接在種子層上先采用Sn或Sn合金電鍍液Ag_Sn、Au-Sn>Cd-Sn> Co-Sn> Cu-Sn> Ni_Sn、Sn-Zn> Pb-Sn, Sn-Ag-Cu 電鍍液,通過電鍍形成 Sn 或 Sn 合金填充金屬，或者在種子層表面先電鍍或沉積形成一層Sn的合金金屬，如Ag、Au、Cd、Co、Cu、N1、Zn,然后采用電鍍Sn工藝在形成的其它金屬上形成一層Sn,通過熱處理工藝形成Sn合金。上述步驟(6)選用不同的腐蝕溶液去除粘附層，阻擋層和種子層。如氯化鐵溶液，氫氟酸溶液。上述步驟(7)中采用的保護(hù)氣體為氮?dú)饣虻獨(dú)浠旌蠚?。所述通孔?nèi)最終形成的金屬填充物為柱狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所述硅圓片表面刻蝕的孔為盲孔的條件下，則在步驟(7)之后采用機(jī)械磨削及化學(xué)機(jī)械拋光減薄工藝，對(duì)硅圓片進(jìn)行減薄暴露出金屬填充物。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、具有高電導(dǎo)率、高可靠性的硅圓片通孔金屬填充的方法，為硅通孔(TSV)技術(shù)提供了一條新的解決方案。


圖1-1 (a) (f)實(shí)施例一的工藝流程圖；圖1-2 (g) (j)實(shí)施例一的工藝流程圖是圖1-1的接續(xù)；圖1-3 (k) (m)實(shí)施例一的工藝流程圖是圖1_2的接續(xù)；圖2-1 (a) (f)實(shí)施例二的工藝流程圖；圖2-2 (g) (j)實(shí)施例二的工藝流程圖是圖2-1的接續(xù)；圖2-3 (k) (η)實(shí)施例二的工藝流程圖是圖2_21的接續(xù)；圖3(a) (b)實(shí)施例三的部分工藝流程圖；圖4(a) (b)實(shí)施例四的部分工藝流程圖；圖5(a) (b)實(shí)施例五的部分工藝流程圖；圖6(a)實(shí)施例六的部分工藝流程圖；圖7(a) (C)實(shí)施例七的部分工藝流程圖；圖中:1硅圓片、2通孔、3絕緣層、4粘附層和阻擋層、5種子層、6光刻膠、7通孔周圍一部分空間、8金屬Sn、9盲孔、10金屬Sn環(huán)、11 Sn合金金填充物、12 Sn的合金金屬層、13 Sn合金填充物。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例:如圖1-1 (a)所示，在硅圓片I上采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或者感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)(ICP)在刻蝕出通孔2，硅圓片I的厚度為30 600微米，該孔可以是圓孔或方孔，深寬比是5:1 20: 1，如圖1(b)所示。采用熱氧化在硅圓片I的表面和通孔2的內(nèi)壁形成一層二氧化硅或者 采用等離子化學(xué)氣相淀積技術(shù)在硅圓片I的表面形成一層氮化硅作為絕緣層3，厚度為0.5um lum，如圖1_1 (c)。在絕緣層3的表面物理氣相淀積技術(shù)(PVD)或?yàn)R射工藝沉積一層粘附層和阻擋層4，粘附層的厚度大約為50-500nm，阻擋層厚度為50-500nm，粘附層的材料可以為T1、Ni，阻擋層的材料可以為W、Ta、TaN，如圖1-1 (d)所示。采用物理氣相淀積或化學(xué)氣相淀積或雙面濺射工藝在粘附層和阻擋層4表面沉積一層種子層5,厚度為50-2000nm,種子層5為金屬Sn,如圖1_1 (e)所不。在娃圓片I的上下表面旋涂光刻膠6，如圖1-1 (f)所示。光刻，顯影去掉光刻膠，暴露出通孔2以及通孔2周圍一部分空間7,如圖l_2(g)所不。將整個(gè)娃圓片I置于Sn電鍍液中，通電直至在通孔內(nèi)表面種子層上電鍍金屬Sn 8,如圖1-2 (h)。米用有機(jī)溶劑如丙酮,去掉光刻膠,如圖1-2 (i)所示。在整個(gè)硅圓片I上下表面旋涂光刻膠6，如圖1-2 (j)所示。曝光，顯影去除通孔外圍光刻膠，如圖l-3(k)所示。采用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護(hù)粘附層4、種子層5，如圖
1-3(1)所示。采用有機(jī)溶液如丙酮去除剩余的光刻膠，如圖1-3(m)所示。最后，在惰性氣氛的保護(hù)下采用熱處理，所用的惰性氣體可以為氮?dú)饣虻獨(dú)浠旌蠚?。?shí)施例二如圖2-1 (a)在硅圓片1，厚度為30 600微米，采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或者感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)(ICP)刻蝕出一個(gè)盲孔9，該孔可以是圓孔或者是方孔，深寬比為5:1 20:1,如圖2-2 (b)所不。米用熱氧化在娃圓片I的表面和盲孔內(nèi)壁形成一層二氧化硅或者采用等離子化學(xué)氣相淀積技術(shù)在硅圓片表面形成一層氮化硅作為絕緣層3，厚度為0.5um lum，參見圖2_2 (c)。在絕緣層表面物理氣相淀積技術(shù)(PVD)或?yàn)R射工藝沉積一層粘附層和阻擋層4，粘附層的厚度大約為50-500nm，阻擋層厚度為50_500nm，粘附層的材料可以為T1、Ni，阻擋層的材料可以為W、Ta、TaN，如圖2_1 (d)所示。采用物理氣相淀積或化學(xué)氣相淀積或?yàn)R射工藝在粘附層和阻擋層4表面沉積一層種子層5，厚度為50-2000nm，種子層可以是金屬Sn，如圖2-1 (e)所示。采用旋涂方法在硅圓片I的表面涂布光刻膠6，如圖2-1 (f)所示。光刻，顯影去掉光刻膠，暴露出盲孔以及盲孔周圍一部分空間7，如圖
2-2(g)所示。將整個(gè)硅圓片I置于Sn電鍍液中，電鍍直至整個(gè)盲孔鍍滿，如圖2-2(h)所示。采用有機(jī)溶劑如丙酮，去掉光刻膠，如圖2-2(i)所示。在整個(gè)硅圓片I的表面旋涂光刻膠6，如圖2-2 (j)所示。曝光，顯影去除通孔外圍光刻膠，如圖2-2 (k)所示。用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護(hù)粘附層4、種子層5，如圖2-3 (I)所示。采用有機(jī)溶液如丙酮去除剩余的光刻膠，如圖2-3(m)所示。采用機(jī)械減薄，對(duì)硅圓片I背面進(jìn)行減薄，直至暴露出金屬填充物，采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝進(jìn)行拋光，出去損傷層，如圖2-3(n)所示。最后，在惰性氣氛的保護(hù)下采用熱處理工藝，所用的惰性氣體可以為氮?dú)饣虻獨(dú)浠旌蠚狻?shí)施例三實(shí)施例三與實(shí)施例一相同，所不同的是在電鍍工藝金屬Sn時(shí)，不將孔內(nèi)填充滿，而只是在孔內(nèi)填充出一個(gè)金屬Sn環(huán)10，如圖3(a)所示，用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護(hù)粘附層4、種子層5后最終得到環(huán)狀金屬填充結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。實(shí)施例四實(shí)施例四與實(shí)施例二相同，所不同的是在電鍍工藝金屬Sn的時(shí)，不將孔內(nèi)填充滿，而只是在孔內(nèi)填充出一個(gè)金屬Sn環(huán)10，如圖4(a)所示，用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護(hù)粘附層4、種子層5后最終得到環(huán)狀金屬填充結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示。實(shí)施例五實(shí)施例五與實(shí)施例 一相同，所不同的是在電鍍工藝金屬Sn的之前,不利用光刻膠6保護(hù)硅圓片I上通孔以外的表面，將通孔內(nèi)連同整個(gè)硅圓片都鍍滿金屬Sn，如圖5(a)所示。采用機(jī)械磨削及化學(xué)機(jī)械拋光的方法，對(duì)硅圓片I的正反面進(jìn)行減薄，最終得到的硅圓片通孔金屬填充結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示。實(shí)施例六實(shí)施例六與實(shí)施例一相同，所不同的是采用沉積或?yàn)R射工藝制作種子層，種子層的金屬種子層的金屬可以為么8、411工(1、(]0、(]11、祖,211,采用Sn合金電鍍液,如Ag-Sn、Au_Sn、Cd-Sn、Co-Sn、Cu-Sn、N1-Sn、Sn-Zn、Pb-Sn, Sn-Ag-Cu電鍍液,通過在通孔內(nèi)形成電鍍形成Sn合金填充金屬11。如圖6(a)所不。實(shí)施例七實(shí)施例七與實(shí)施例一相同，所不同的是采用沉積或?yàn)R射工藝制作種子層，種子層的金屬可以為Ag、Au、Cd、Co、Cu、Ni, Zn,在種子層上電鍍或沉積Sn合金金屬層12,如Ag、Au、Cd、Co、Cu、N1、Zn, Pb,如圖7 (a)所示。再通過電鍍Sn填充通孔,如圖7 (b)所示。在惰性氣氛的保護(hù)下進(jìn)行熱 處理形成Sn合金填充物13，如圖7(c)所示，所用的惰性氣體可以為
氮?dú)饣虻獨(dú)浠旌蠚狻?br> 權(quán)利要求
1.一種硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述硅圓片通孔內(nèi)通過電鍍金屬Sn或Sn合金，或者經(jīng)多次電鍍Sn及其合金金屬，并通過熱處理工藝在硅圓片上的通孔內(nèi)形成填充金屬，填充工藝步驟如下: (1)在娃圓片上刻蝕深孔； (2)在硅圓片表面形成一層絕緣層； (3)在絕緣層表面濺射一層粘附層、阻擋層、種子層； (4)采用光刻工藝暴露出通孔，并利用光刻膠保護(hù)硅圓片的其余部分； (5)通過電鍍工藝在孔內(nèi)經(jīng)一次或者多次電鍍金屬Sn或Sn合金金屬； (6)利用光刻膠保護(hù)通孔填充金屬部分，利用腐蝕工藝去除硅圓片表面的粘附層，阻擋層和種子層； (7)在惰性氣體的保護(hù)下，進(jìn)行熱處理，最終形成硅圓片通孔內(nèi)的填充金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述步驟(I)的深孔可以是通孔或者是盲孔，孔可以通過反應(yīng)離子刻蝕的方式形成，深寬比范圍為1:1 20:1,直徑為Ium 300um,娃圓片的厚度在30um 600um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述步驟(2)中的絕緣層可以是二氧化硅或者氮化硅，通過熱氧化或氣相沉積的工藝形成絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述步驟(3)中的粘附層的材料為T1、Ni，阻擋層的材料為W、Ta、TaN,種子層材料為Cu、Sn、N1、Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述步驟(5)中可以直接在種子層上先采用Sn或Sn合金電鍍液Ag-Sn、Au-Sn> Cd-Sn> Co-Sn> Cu-Sn> Ni_Sn、Sn-Zn, Pb-Sn, Sn-Ag-Cu電鍍液，通過電鍍形成Sn或Sn合金填充金屬，或者在種子層表面先電鍍或沉積形成一層Sn的合金金屬，然后米用電鍍Sn工藝在形成的其它金屬上形成一層Sn,通過熱處理工藝形成Sn合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述步驟(6)選用不同的腐蝕溶液去除粘附層，阻擋層和種子層。如氯化鐵溶液，氫氟酸溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述步驟(7)中采用的保護(hù)氣體為氮?dú)饣虻獨(dú)浠旌蠚狻?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述通孔內(nèi)最終形成的金屬填充物為柱狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述硅圓片表面刻蝕的孔為盲孔的條件下，則在步驟(7)之后采用機(jī)械磨削及化學(xué)機(jī)械拋光減薄工藝，對(duì)硅圓片進(jìn)行減薄暴露出金屬填充物。
全文摘要
一種硅圓片通孔金屬填充工藝，其特征在于所述硅圓片通孔內(nèi)通過電鍍金屬，并通過熱處理工藝在硅圓片上的通孔內(nèi)形成填充金屬，工藝步驟為在硅圓片上刻蝕孔；在硅圓片表面形成一層絕緣層；在絕緣層表面濺射一層粘附層、阻擋層、種子層；采用光刻工藝暴露出孔；經(jīng)電鍍?cè)诳變?nèi)壁形成金屬；利用光刻膠保護(hù)通孔填充金屬部分，去除圓片表面的種子層和粘附層；在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行熱處理，形成通孔內(nèi)填充金屬。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、具有高電導(dǎo)率、高可靠性的硅圓片通孔金屬填充的方法，為硅通孔(TSV)技術(shù)提供了一條新的解決方案。
文檔編號(hào)H01L21/768GK103219278SQ20121001786
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者劉勝, 陳照輝, 陳潤(rùn) 申請(qǐng)人:劉勝