CN103219278A

CN103219278A - 硅圆片通孔金属填充工艺

Info

Publication number: CN103219278A
Application number: CN2012100178645A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 陈照辉; 陈润
Original assignee: 刘胜
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-24

Abstract

一种硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述硅圆片通孔内通过电镀金属，并通过热处理工艺在硅圆片上的通孔内形成填充金属，工艺步骤为：在硅圆片上刻蚀孔；在硅圆片表面形成一层绝缘层；在绝缘层表面溅射一层粘附层、阻挡层、种子层；采用光刻工艺暴露出孔；经电镀在孔内壁形成金属；利用光刻胶保护通孔填充金属部分，去除圆片表面的种子层和粘附层；在惰性气体的保护下进行热处理，形成通孔内填充金属。本发明的优点是工艺简单、具有高电导率、高可靠性的硅圆片通孔金属填充的方法，为硅通孔(TSV)技术提供了一条新的解决方案。

Description

硅圆片通孔金属填充工艺

技术领域

本发明涉及一种电子元器件封装技术，特别涉及一种硅圆片通孔金属填充工艺。

背景技术

半导体技术遵循着摩尔定律发展，其集成度每隔18个月便会增加一倍。但是随着半导体技术的发展，摩尔定律已经开始出现瓶颈。随着芯片线宽不断缩小，当线宽达到纳米级别时，材料的物理、化学性能将发生质的变化。同时，单个芯片集成度越来越高，发热越来越严重，将严重影响产品的可靠性。并且，随着芯片线宽的不断缩小，对制造设备的性能要求越来越高，造成产品制造成本的急剧上升。但是人们对于电子产品小型化、轻型化的要求却不可能停止，三维封装技术也随之出现，迅速发展。三维封装技术已经开始运用到一些电子产品中，例如存储器等。

硅通孔(TSV)技术是一种新型的高密度、高速、低功耗的三维封装技术，近年来得到迅速发展。它是通过在芯片与芯片之间或者晶元与晶元之间制作垂直导通，实现芯片之间垂直互连的一种技术。硅通孔的金属填充是TSV技术的一个重要环节。传统的金属填充方法是采用电镀的方式在通孔中填充铜。但是由于铜与硅的热失配，造成产品在使用过程中存在很大的热应力，严重影响产品的可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种硅圆片通孔金属填充工艺。其特征在于所述硅圆片通孔内通过电镀金属Sn或Sn合金，或者经多次电镀Sn及其合金金属，并通过热处理工艺在硅圆片上的通孔内形成的填充金属，填充工艺包括以下步骤：

(1)在硅圆片上刻蚀深孔；

(2)在硅圆片表面形成一层绝缘层；

(3)在绝缘层表面溅射一层粘附层、阻挡层、种子层；

(4)采用光刻工艺暴露出通孔，并利用光刻胶保护硅圆片的其余部分；

(5)通过电镀工艺在孔内通过电镀金属Sn或Sn合金，或者采用多次电镀Sn及其合金金属；

(6)利用光刻胶保护通孔填充金属部分，利用腐蚀工艺去除圆片表面的粘附层，阻挡层和种子层；

(7)在惰性气体的保护下，进行热处理，最终形成硅圆片通孔内的填充金属。

所述步骤(1)的深孔可以是通孔或者是盲孔，孔可以通过反应离子刻蚀的方式形成，深宽比范围为1∶1～20∶1，直径为1um～300um，硅圆片的厚度在30um～600um。

上述步骤(2)中的绝缘层可以是二氧化硅或者氮化硅，通过热氧化或气相沉积的工艺形成绝缘层。

上述步骤(3)中的粘附层的材料为Ti、Ni，阻挡层的材料为W、Ta、TaN，种子层为Cu、Sn、Ni、Au。

上述步骤(5)中可以直接在种子层上先采用Sn或Sn合金电镀液Ag-Sn、Au-Sn、Cd-Sn、Co-Sn、Cu-Sn、Ni-Sn、Sn-Zn、Pb-Sn，Sn-Ag-Cu电镀液，通过电镀形成Sn或Sn合金填充金属，或者在种子层表面先电镀或沉积形成一层Sn的合金金属，如Ag、Au、Cd、Co、Cu、Ni、Zn，然后采用电镀Sn工艺在形成的其它金属上形成一层Sn，通过热处理工艺形成Sn合金。

上述步骤(6)选用不同的腐蚀溶液去除粘附层，阻挡层和种子层。如氯化铁溶液，氢氟酸溶液。

上述步骤(7)中采用的保护气体为氮气或氮氢混合气。

所述通孔内最终形成的金属填充物为柱状或环状结构。

所述硅圆片表面刻蚀的孔为盲孔的条件下，则在步骤(7)之后采用机械磨削及化学机械抛光减薄工艺，对硅圆片进行减薄暴露出金属填充物。

本发明的优点是工艺简单、具有高电导率、高可靠性的硅圆片通孔金属填充的方法，为硅通孔(TSV)技术提供了一条新的解决方案。

附图说明

图1-1(a)～(f)实施例一的工艺流程图；

图1-2(g)～(j)实施例一的工艺流程图是图1-1的接续；

图1-3(k)～(m)实施例一的工艺流程图是图1-2的接续；

图2-1(a)～(f)实施例二的工艺流程图；

图2-2(g)～(j)实施例二的工艺流程图是图2-1的接续；

图2-3(k)～(n)实施例二的工艺流程图是图2-21的接续；

图3(a)～(b)实施例三的部分工艺流程图；

图4(a)～(b)实施例四的部分工艺流程图；

图5(a)～(b)实施例五的部分工艺流程图；

图6(a)实施例六的部分工艺流程图；

图7(a)～(c)实施例七的部分工艺流程图；

图中：1硅圆片、2通孔、3绝缘层、4粘附层和阻挡层、5种子层、6光刻胶、7通孔周围一部分空间、8金属Sn、9盲孔、10金属Sn环、11 Sn合金金填充物、12 Sn的合金金属层、13 Sn合金填充物。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

如图1-1(a)所示，在硅圆片1上采用深反应离子刻蚀(DRIE)或者感应耦合等离子体技术(ICP)在刻蚀出通孔2，硅圆片1的厚度为30～600微米，该孔可以是圆孔或方孔，深宽比是5∶1～20∶1，如图1(b)所示。采用热氧化在硅圆片1的表面和通孔2的内壁形成一层二氧化硅或者采用等离子化学气相淀积技术在硅圆片1的表面形成一层氮化硅作为绝缘层3，厚度为0.5um～1um，如图1-1(c)。在绝缘层3的表面物理气相淀积技术(PVD)或溅射工艺沉积一层粘附层和阻挡层4，粘附层的厚度大约为50-500nm，阻挡层厚度为50-500nm，粘附层的材料可以为Ti、Ni，阻挡层的材料可以为W、Ta、TaN，如图1-1(d)所示。采用物理气相淀积或化学气相淀积或双面溅射工艺在粘附层和阻挡层4表面沉积一层种子层5，厚度为50-2000nm，种子层5为金属Sn，如图1-1(e)所示。在硅圆片1的上下表面旋涂光刻胶6，如图1-1(f)所示。光刻，显影去掉光刻胶，暴露出通孔2以及通孔2周围一部分空间7，如图1-2(g)所示。将整个硅圆片1置于Sn电镀液中，通电直至在通孔内表面种子层上电镀金属Sn 8，如图1-2(h)。采用有机溶剂如丙酮，去掉光刻胶，如图1-2(i)所示。在整个硅圆片1上下表面旋涂光刻胶6，如图1-2(j)所示。曝光，显影去除通孔外围光刻胶，如图1-3(k)所示。采用腐蚀溶液去除未受光刻胶保护粘附层4、种子层5，如图1-3(l)所示。采用有机溶液如丙酮去除剩余的光刻胶，如图1-3(m)所示。最后，在惰性气氛的保护下采用热处理，所用的惰性气体可以为氮气或氮氢混合气。

实施例二

如图2-1(a)在硅圆片1，厚度为30～600微米，采用深反应离子刻蚀(DRIE)或者感应耦合等离子体技术(ICP)刻蚀出一个盲孔9，该孔可以是圆孔或者是方孔，深宽比为5∶1～20∶1，如图2-2(b)所示。采用热氧化在硅圆片1的表面和盲孔内壁形成一层二氧化硅或者采用等离子化学气相淀积技术在硅圆片表面形成一层氮化硅作为绝缘层3，厚度为0.5um～1um，参见图2-2(c)。在绝缘层表面物理气相淀积技术(PVD)或溅射工艺沉积一层粘附层和阻挡层4，粘附层的厚度大约为50-500nm，阻挡层厚度为50-500nm，粘附层的材料可以为Ti、Ni，阻挡层的材料可以为W、Ta、TaN，如图2-1(d)所示。采用物理气相淀积或化学气相淀积或溅射工艺在粘附层和阻挡层4表面沉积一层种子层5，厚度为50-2000nm，种子层可以是金属Sn，如图2-1(e)所示。采用旋涂方法在硅圆片1的表面涂布光刻胶6，如图2-1(f)所示。光刻，显影去掉光刻胶，暴露出盲孔以及盲孔周围一部分空间7，如图2-2(g)所示。将整个硅圆片1置于Sn电镀液中，电镀直至整个盲孔镀满，如图2-2(h)所示。采用有机溶剂如丙酮，去掉光刻胶，如图2-2(i)所示。在整个硅圆片1的表面旋涂光刻胶6，如图2-2(j)所示。曝光，显影去除通孔外围光刻胶，如图2-2(k)所示。用腐蚀溶液去除未受光刻胶保护粘附层4、种子层5，如图2-3(l)所示。采用有机溶液如丙酮去除剩余的光刻胶，如图2-3(m)所示。采用机械减薄，对硅圆片1背面进行减薄，直至暴露出金属填充物，采用化学机械抛光工艺进行抛光，出去损伤层，如图2-3(n)所示。最后，在惰性气氛的保护下采用热处理工艺，所用的惰性气体可以为氮气或氮氢混合气。

实施例三

实施例三与实施例一相同，所不同的是在电镀工艺金属Sn时，不将孔内填充满，而只是在孔内填充出一个金属Sn环10，如图3(a)所示，用腐蚀溶液去除未受光刻胶保护粘附层4、种子层5后最终得到环状金属填充结构，如图3(b)所示。

实施例四

实施例四与实施例二相同，所不同的是在电镀工艺金属Sn的时，不将孔内填充满，而只是在孔内填充出一个金属Sn环10，如图4(a)所示，用腐蚀溶液去除未受光刻胶保护粘附层4、种子层5后最终得到环状金属填充结构，如图4(b)所示。

实施例五

实施例五与实施例一相同，所不同的是在电镀工艺金属Sn的之前，不利用光刻胶6保护硅圆片1上通孔以外的表面，将通孔内连同整个硅圆片都镀满金属Sn，如图5(a)所示。采用机械磨削及化学机械抛光的方法，对硅圆片1的正反面进行减薄，最终得到的硅圆片通孔金属填充结构，如图5(b)所示。

实施例六

实施例六与实施例一相同，所不同的是采用沉积或溅射工艺制作种子层，种子层的金属种子层的金属可以为Ag、Au、Cd、Co、Cu、Ni，Zn，采用Sn合金电镀液，如Ag-Sn、Au-Sn、Cd-Sn、Co-Sn、Cu-Sn、Ni-Sn、Sn-Zn、Pb-Sn，Sn-Ag-Cu电镀液，通过在通孔内形成电镀形成Sn合金填充金属11。如图6(a)所示。

实施例七

实施例七与实施例一相同，所不同的是采用沉积或溅射工艺制作种子层，种子层的金属可以为Ag、Au、Cd、Co、Cu、Ni，Zn，在种子层上电镀或沉积Sn合金金属层12，如Ag、Au、Cd、Co、Cu、Ni、Zn，Pb，如图7(a)所示。再通过电镀Sn填充通孔，如图7(b)所示。在惰性气氛的保护下进行热处理形成Sn合金填充物13，如图7(c)所示，所用的惰性气体可以为氮气或氮氢混合气。

Claims

1.一种硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述硅圆片通孔内通过电镀金属Sn或Sn合金，或者经多次电镀Sn及其合金金属，并通过热处理工艺在硅圆片上的通孔内形成填充金属，填充工艺步骤如下：

(1)在硅圆片上刻蚀深孔；

(2)在硅圆片表面形成一层绝缘层；

(3)在绝缘层表面溅射一层粘附层、阻挡层、种子层；

(5)通过电镀工艺在孔内经一次或者多次电镀金属Sn或Sn合金金属；

(6)利用光刻胶保护通孔填充金属部分，利用腐蚀工艺去除硅圆片表面的粘附层，阻挡层和种子层；

2.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述步骤(1)的深孔可以是通孔或者是盲孔，孔可以通过反应离子刻蚀的方式形成，深宽比范围为1∶1～20∶1，直径为1um～300um，硅圆片的厚度在30um～600um。

3.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述步骤(2)中的绝缘层可以是二氧化硅或者氮化硅，通过热氧化或气相沉积的工艺形成绝缘层。

4.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述步骤(3)中的粘附层的材料为Ti、Ni，阻挡层的材料为W、Ta、TaN，种子层材料为Cu、Sn、Ni、Au。

5.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述步骤(5)中可以直接在种子层上先采用Sn或Sn合金电镀液Ag-Sn、Au-Sn、Cd-Sn、Co-Sn、Cu-Sn、Ni-Sn、Sn-Zn、Pb-Sn，Sn-Ag-Cu电镀液，通过电镀形成Sn或Sn合金填充金属，或者在种子层表面先电镀或沉积形成一层Sn的合金金属，然后采用电镀Sn工艺在形成的其它金属上形成一层Sn，通过热处理工艺形成Sn合金。

6.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述步骤(6)选用不同的腐蚀溶液去除粘附层，阻挡层和种子层。如氯化铁溶液，氢氟酸溶液。

7.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述步骤(7)中采用的保护气体为氮气或氮氢混合气。

8.根据权利要求1所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述通孔内最终形成的金属填充物为柱状或环状结构。

9.根据权利要求2所述的硅圆片通孔金属填充工艺，其特征在于所述硅圆片表面刻蚀的孔为盲孔的条件下，则在步骤(7)之后采用机械磨削及化学机械抛光减薄工艺，对硅圆片进行减薄暴露出金属填充物。