CN105529299B - 一种电镀填充硅基tsv转接板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，步骤包括：1)制备的带有双面干膜光刻胶的通孔晶圆，在其单面粘贴绝缘膜；2)单面电镀；3)去除步骤1)中的单面绝缘膜；4)将步骤3)中去除单面绝缘膜的一面对应阳极；5)继续填充未被填充的部分；6)去除光刻胶、种子层，制备无暇连接的Cu‑TSV与Cu‑Pad。通过本发明可以将TSV盲孔填充工艺移植到TSV通孔电镀填充工艺中，大大降低了TSV通孔电镀填充的难度；以更高的效率、更低的成本填充硅基转接板，结合牢固，且制备工艺更为灵活。

Description

一种电镀填充硅基TSV转接板的方法

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，具体地，涉及一种新型分步电镀填充硅基TSV转接板的方法。

背景技术

TSV(Through Silicon Via，硅通孔)的三维封装(3D-TSV)具有高速互连、高密度集成、小型化等特点，同时表现出同质和异质功能整合等优点，成为近年来半导体技术最热门的研究方向之一。尽管3D-TSV封装技术具有诸多优势，但目前仍存在一些不利因素制约3D-TSV集成封装技术的发展。具体包括：制备工艺繁琐、复杂，设计软件和方法的缺失、功率密度增加导致的热机械问题、关键工艺与设备问题以及系统测试难题等。其中，3D-TSV封装涉及的关键工艺技术包括:高深宽比(TSV深度/TSV直径)TSV的刻蚀、高深宽比TSV的无缺陷填充、晶圆减薄、多层对准与键合技术等。这些工艺尚不成熟，从而制约了3D-TSV封装技术的应用与发展。

良率、可靠性问题对于3D-TSV封装技术是一个巨大的挑战。3D-TSV封装技术的失效模式主要是热机械载荷引起的，包括焊点的失效、TSV本身的失效、芯片的破裂与疲劳失效、界面间的分层与裂纹等。无论先通孔工艺还是后通孔工艺，Cu-TSV与TSV Pad是分步完成的。Cu-TSV与TSV-Pad间存在界面间的热应力，且TSV填充是盲孔填充，电镀完成后需要进行晶圆减薄等工艺。同时，TSV通孔填充较难实现无孔洞填充。

发明内容

针对上述传统工艺中填充TSV的缺点，本发明提出一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，通过将绝缘膜热压或粘贴在晶圆的一面，以防止电镀在通孔的两侧同时填充，将通孔填充转变为类盲孔填充，可以借鉴目前TSV盲孔填充工艺，大大降低了通孔TSV填充的难度，提高了无孔洞填充良率；同时省去晶圆减薄、晶圆拿持等过程，增强了3D-TSV封装的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，所述方法包括以下步骤：

1)采用刻蚀有TSV通孔的晶圆，所述晶圆上带有二氧化硅绝缘层、钛阻挡层和Cu种子层，然后将晶圆制备成带有双面干膜光刻胶的通孔晶圆，单面粘贴绝缘膜；

2)将经过步骤1)处理的单面粘贴绝缘膜的晶圆，进行预润湿处理，以保证通孔内有效填充；

3)经过步骤2)处理的晶圆，该晶圆含有不同孔径通孔，将该晶圆未粘贴绝缘膜的一面与阳极对面平行放置于含有添加剂的镀液中；

4)采用电镀技术单面填充经步骤3)处理的硅通孔TSV和焊盘Pad；

5)除去经过步骤1)粘贴在通孔晶圆一面上的绝缘膜；

6)将经过步骤5)的除去绝缘膜的晶圆的一面与阳极对面平行放置于镀液中；

7)采用电镀技术填充通孔中经过步骤6)后未被填充的硅通孔部分和另一面的Pad区域；

8)将步骤7)中电镀填充后的硅通孔TSV硅片，用氢氧化钠溶液除去干膜光刻胶并用去离子水清洗，使用氨水和双氧水的混合液去除Cu种子层并用去离子水清洗，制备无暇链接的Cu-TSV与Cu-Pad。

优选地，在执行所述步骤1)时，采用热压或粘贴技术将绝缘膜粘贴在通孔晶圆的一面上。

更优选地，所述的绝缘膜为既能防止导电、又能避免镀液从粘贴绝缘膜的一侧扩散进入TSV内的有机或无机薄膜。

更优选地，所述的绝缘膜的厚度在0.1μm以上，防止绝缘膜覆盖部分电镀沉积铜，以避免绝缘膜覆盖一侧的TSV过早封口。

优选地，在执行步骤3)时，所述的阳极采用铜平板或含磷铜平版。

更优选地，在执行步骤4)时，先从通孔的一面制备Cu-TSV和Pad，然后再从通孔另一面电镀填充Cu-TSV和Pad，以保证TSV的无孔洞填充。

优选地，在执行步骤5)时，除去绝缘膜采用机械剥离或者曝光显影技术。

优选地，在执行步骤7)时，所述的阳极采用铜平板或含磷铜平版。

优选地，在执行步骤8)时，所述的氢氧化钠水溶液的质量浓度为5％～40％；所述的氨水和双氧水的混合液中氨水与双氧水体积比为40:1～1:1之间。

本发明所述镀液中含有添加剂，所述添加剂为加速剂、抑制剂、整平剂中一种或多种；电镀前将三种添加剂添加到镀液中，用来控制孔内不同部位电镀沉积铜的速率，以实现高深宽比硅通孔的无孔洞填充和TSV-Pad的制备。制备的Cu-TSV的深宽比为0.5～30。特别地，本发明将难以实现的通孔无孔洞填充转化为容易实现的TSV类盲孔填充。

与现有的TSV技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可在硅晶圆上高效填充硅基TSV转接板，其中Cu-TSV与Cu-Pad无界面，直接结合，使得Cu-TSV与Cu-Pad的结合力较好，热机械稳定性高，TSV的导电性能也较好，且制备过程灵活性强。

本发明通过热压或者粘贴工艺粘贴绝缘膜，依靠绝缘膜将难以实现无孔洞填充的通孔填充转变为较易实现无孔洞填充的类盲孔填充，大大降低了TSV通孔填充的难度，提高了通孔填充的良率。同时，去除了晶圆背面减薄、晶圆支撑、晶圆的键合、解键合、绝缘层和种子层的二次制备等传统工艺的必要步骤，大大简化了工艺步骤，减低了工艺成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的流程图；

图2为本发明一优选实施例的电镀填充硅基转接板剖面图；

图3为本发明一优选实施例的部分结构示意图；

图中：1为硅晶圆，2为干膜光刻胶，3为铜种子层，4为绝缘膜，5为电镀填充的部分铜柱和Cu-Pad，6为完全填充的Cu-TSV，7为从另一面电镀填充的Cu-Pad，8为二氧化硅绝缘层，9为钛阻挡层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本实施例的方法的流程示意图。以下实施例参照该流程进行。

如图2所示，1为硅晶圆，2为干膜光刻胶，3为铜种子层，4为绝缘膜，5为电镀填充的部分铜柱和Cu-Pad，6为完全填充的Cu-TSV，7为从另一面电镀填充的Cu-Pad。首先将硅晶圆1的一面热压或粘贴一层绝缘膜4，从另一面电镀填充部分铜柱和Cu-Pad 5；然后去除绝缘膜4，接着从剥离绝缘膜4的一面电镀填充铜柱和Cu-Pad 7，使键合有干膜光刻胶2的硅晶圆1实现铜柱和Cu-Pad的电镀填充；最后去除干膜光刻胶2、铜种子层3，具体步骤按照以下实施例参照流程进行。

如图3所示，2为干膜光刻胶，3为铜种子层，4为绝缘膜，8为二氧化硅绝缘层，9为钛阻挡层。首先在硅通孔晶圆上制备一层厚度大于0.2μm的二氧化硅绝缘层8，然后通过溅射技术在二氧化硅绝缘层8上先后溅射一层厚度分别大于10nm和20nm的钛阻挡层9和铜种子层3，干膜光刻胶2敷贴在硅晶圆表面上的铜种子层3上面。

实施例1：

本实施例中，采用热压或粘贴技术在硅通孔晶圆一侧粘贴绝缘膜，一次电镀前进行预润湿处理，采用电镀技术对硅通孔和Pad区域进行填充。可以提前准备好刻蚀有TSV通孔的晶圆，并可以采用经热氧化、溅射等方法制备出二氧化硅绝缘层、钛阻挡层和铜种子层。

本实施例具体步骤：

1)将带有双面干膜光刻胶的通孔硅晶圆1，单面热压或粘贴绝缘膜4；

本实施例所述的通孔硅晶圆1可以采用以下方法制备：

a、将硅晶圆上旋涂10μm以上正胶或10μm以上负胶，用烘箱或热板烘胶，对烘完胶的硅片进行光刻与显影；

b、采用深反应离子刻蚀技术在经过步骤a)处理的硅片上刻蚀出不同直径与深度的硅通孔TSV；

c、在经过步骤b处理的硅片表面进行氧化，所氧化的厚度为0.2μm以上；

d、在经过步骤c处理的硅片表面和通孔内表面溅射Ti/Cu的种子层；

e、在硅片表面敷贴干膜光刻胶，再进行光刻与显影，即可获得通孔硅晶圆1。

本实施例将干膜光刻胶工艺和硅通孔制备工艺结合在一起，通过热压或者粘贴工艺粘贴绝缘膜，依靠绝缘膜将难以实现无孔洞填充的通孔填充转变为较易实现无孔洞填充的类盲孔填充，与传统的盲孔工艺相比，本工艺简化了化学机械抛光、晶圆支撑、晶圆键合、晶圆的背部减薄、解键合、绝缘层和种子层的二次制备等传统工艺中的必要步骤，大大简化了工艺步骤，降低了TSV通孔填充的难度，减低了工艺成本，提高了转接板的制备效率。

2)将经过步骤1)处理的单面粘贴绝缘膜4的硅晶圆1，进行预润湿处理；

3)经过步骤2)处理的含有不同孔径通孔的硅晶圆1，将其未粘贴绝缘膜4的一面与阳极平行放置于含有添加剂(加速剂SPS、抑制剂PEG和整平剂JGB)的镀液中；

4)采用电镀技术单面填充经步骤3)处理的硅通孔TSV和Pad(一次电镀)；

5)除去经过步骤1)粘贴在通孔硅晶圆1一侧表面上的绝缘膜4；

6)将经过步骤5)除去绝缘膜4的硅晶圆1的一侧与阳极平行放置于含有添加剂的镀液中；

7)采用电镀技术填充通孔中经过步骤6)后未被填充的硅通孔部分和另一面的Pad区域(二次电镀)；

8)将步骤7)中填充铜的硅基TSV转接板，用丙酮与酒精去胶并用去离子水清洗，用氢氧化钠溶液除去干膜光刻胶2并用去离子水清洗，使用氨水和双氧水的混合液(氨水与双氧水体积比在40:1～1:1之间)去除Cu种子层3并用去离子水清洗。

实施例2：

本实施例中，前面的步骤同实施例1，不同的是一次电镀前无预润湿处理，而是将预润湿步骤放在二次电镀前。这里选用有机或无机绝缘膜。

1)将制备完好的带有双面干膜光刻胶的通孔晶圆，单面热压或粘贴绝缘膜；

2)经过步骤1)处理的含有不同孔径通孔的晶圆，将其未粘贴绝缘膜的一面与阳极平行放置于含有添加剂(加速剂SPS、抑制剂PEG和整平剂JGB)的镀液中；

3)采用电镀技术单面填充经步骤2)处理的硅通孔TSV和Pad(一次电镀)；

4)待未被绝缘膜覆盖一侧的Cu-Pad电镀成型后，除去经过步骤1)粘贴在通孔晶圆一侧表面上的绝缘膜；

5)将经过步骤4)处理的单面粘贴绝缘膜的晶圆，进行预润湿处理；

6)将经过步骤4)和步骤5)的除去绝缘膜的晶圆的一侧与阳极平行放置于含有添加剂的镀液中；

7)采用电镀技术填充通孔中经过步骤6)后未被填充的硅通孔部分和另一面的Pad区域(二次电镀)；

8)将步骤7)中填充铜的硅基TSV转接板，用丙酮与酒精去胶并用去离子水清洗，用氢氧化钠溶液除去干膜并用去离子水清洗，使用氨水和双氧水的混合液(氨水与双氧水体积比在40:1～1:1之间)去除Cu种子层并用去离子水清洗。

本发明可以将TSV盲孔填充工艺移植到TSV通孔电镀填充工艺中，大大降低了TSV通孔电镀填充的难度；以更高的效率、更低的成本填充硅基转接板，结合牢固，且制备工艺更为灵活。

通过以上实施例的具体描述，进一步阐述了本发明的目的、技术方案和实施效果。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (14)

1.一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)采用刻蚀有硅通孔TSV的晶圆，所述晶圆上带有二氧化硅绝缘层、钛阻挡层和Cu种子层，然后将晶圆制备成带有双面干膜光刻胶的通孔晶圆，单面粘贴绝缘膜；

2)将经过步骤1)处理的单面粘贴绝缘膜的晶圆，进行预润湿处理，以保证通孔内有效填充；

3)经过步骤2)处理的晶圆，该晶圆含有不同孔径通孔，将该晶圆未粘贴绝缘膜的一面与阳极对面平行放置于镀液中；

4)采用电镀技术单面填充经步骤3)处理的硅通孔TSV和焊盘Pad；

5)除去经过步骤1)粘贴在通孔晶圆一面上的绝缘膜；

6)将经过步骤5)除去绝缘膜的晶圆的一面与阳极对面平行放置于含有添加剂的镀液中；

7)采用电镀技术填充通孔中经过步骤6)后未被填充的硅通孔TSV部分和另一面的焊盘Pad区域；

8)将步骤7)中电镀填充后的硅通孔TSV晶圆，用氢氧化钠溶液除去干膜光刻胶并用去离子水清洗，使用氨水和双氧水的混合液去除Cu种子层并用去离子水清洗，制备无暇链接的Cu-TSV与Cu-Pad。

2.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤1)时，采用热压或粘贴技术将绝缘膜粘贴在通孔晶圆的一面上。

3.根据权利要求2所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，所述的绝缘膜为既能防止导电、又能避免镀液从粘贴绝缘膜的一侧扩散进入TSV内的有机或无机薄膜；所述绝缘膜的厚度在0.1μm以上。

4.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤3)时，所述的阳极采用铜平板。

5.根据权利要求4所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，所述的阳极采用含磷铜平板。

6.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤4)-7)时，先从通孔的一面制备Cu-TSV和Pad，然后再从通孔另一面电镀填充Cu-TSV和Pad，以保证TSV的无孔洞填充。

7.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤5)时，除去绝缘膜采用机械剥离或者曝光显影技术。

8.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤7)时，所述的阳极采用铜平板。

9.根据权利要求8所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，所述的阳极采用含磷铜平板。

10.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤8)时，所述的氢氧化钠水溶液的质量浓度为5％～40％。

11.根据权利要求1所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在执行步骤8)时，所述的氨水和双氧水的混合液中氨水与双氧水体积比在40:1～1:1之间。

12.根据权利要求1-11任一项所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，所述镀液中含有添加剂，所述添加剂为加速剂、抑制剂、整平剂中一种或多种。

13.根据权利要求12所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，在电镀前，将加速剂、抑制剂、平衡剂添加到镀液中，用来控制孔内不同部位电镀沉积铜的速率，以实现高深宽比硅通孔的无孔洞填充和Cu-Pad的制备。

14.根据权利要求1-11任一项所述的一种电镀填充硅基TSV转接板的方法，其特征在于，所述Cu-TSV的深宽比为0.5～30。