CN106011962A - 一种超声外场作用下的tsv电镀方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声外场作用下的TSV电镀方法及系统，电镀方法包括以下步骤：步骤1：将带TSV微盲孔的硅片放放置在密闭容器内，容器内填充有含有添加剂的电镀液，对该容器进行抽真空预处理，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；然后放置10～60分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到初步吸附平衡；步骤2：将硅片与电镀电源的负极连接在一起，放入电镀槽中，作为电镀阴极；步骤3：开启电镀电源，进行阴极铜离子沉积反应；同时开启超声电源，对TSV微盲孔内施加超声激励，利用超声的空化效应，实现TSV微盲孔孔口电镀的抑制、孔底电镀的加速，形成自底向上的完全填充。本发明能有效利用超声作为外加能场增强TSV镀铜填充。

Description

一种超声外场作用下的TSV电镀方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于改进TSV微盲孔电镀效果的新方法，属于半导体三维封装领域。

背景技术

集成电路技术随着摩尔定律而快速发展，更高的电路集成密度催生了更高的互连密度。将不同功能的芯片(如存储器、处理器等)堆叠、集成为一个多功能系统的三维集成封装成为提升器件性能和性价比的必然选择。

三维集成的一种方案的采用贯穿硅衬底的大量高密度TSV(Through SiliconVia，硅通孔)，实现了堆叠芯片之间的垂直上下互连，形成高密度三维集成，带来“高密度、多功能、小尺寸”的众多优点。其中，深宽比达10-20的TSV制造是三维集成互连的核心技术。

在三维集成制造中，TSV电镀填铜(Copper electrodeposition)占到TSV成本的大约40％，因此，电镀填铜成为三维集成制造的关键之一。TSV填铜的难点之一在于如何解决电镀过程中形成的空洞或者缝隙。由于高深宽比TSV口部的电流密度远远大于孔底，孔口的生长速度较孔底快，孔口闭合后就形成了空洞或者缝隙。为了解决上述难题，业界提出采用了“自底向上”的TSV填充方法，通过在电镀液中添加添加剂，使得具有大分子结构的抑制剂优先吸附在电场强度比较大的孔口及孔壁上端，降低孔口的电流密度和沉积速率；同时，利用小分子结构的加速剂和整平剂，增加孔底的电流密度和加速孔底的沉积速度，最终实现“自底向上”的TSV盲孔填充过程。

为促进上述过程，业界提出了脉冲电场、磁场、超声等外能场增强作用下的电镀填充方法，其中，超声增强电镀因其独特的超声空化效应而广受关注。

目前的超声增强电镀方式一般将电镀槽放在20KHz的超声清洗池中，利用水作为超声传播媒介，将超声传递到电镀槽，再通过电镀液传递到TSV孔内。在这个过程中：①由于超声需要通过诸多界面，使得传递衰减严重，到达TSV孔内的超声振幅非常小；②超声并不能定向作用在TSV孔内。使得超声增强电镀在TSV填充中的作用并不明显。

为此，有必要发明一种可以克服上述问题的、新的超声外场作用下的TSV电镀方法及其系统。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出了一种超声外场作用下的TSV电镀方法及系统，能有效利用超声作为外加能场增强TSV镀铜填充。

本发明的技术方案为：

一种超声外场作用下的TSV电镀方法，基于以下系统，系统包括：电镀槽、电镀电源、电镀阳极、电镀阴极、超声电源、换能器、变幅杆和控制装置(计算机)；

所述电镀槽内盛有含有添加剂(包括抑制剂、加速剂、光亮剂等)的电镀液；

电镀电源的正极接电镀阳极，负极接电镀阴极；电镀阳极和电镀阴极均浸入电镀槽内的电镀液中；

超声电源连接换能器；换能器连接变幅杆的上端，变幅杆的下端浸入电镀槽内的电镀液中；超声电源产生高频交流电，引起换能器做高频振动，经变幅杆放大，带动电镀液做高频振动；

所述电镀电源和超声电源均受控于控制装置；

电镀方法包括以下步骤：

步骤1：将带TSV微盲孔的硅片放放置在密闭容器内，容器内填充有含有添加剂的电镀液，对该容器进行抽真空预处理，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；然后放置10～60分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到初步吸附平衡；步骤2：将硅片与电镀电源的负极连接在一起，放入电镀槽中，作为电镀阴极；

步骤3：开启电镀电源，进行阴极铜离子沉积反应；

同时开启超声电源，对TSV微盲孔内施加超声激励，利用超声波的空化效应，①促进铜离子在TSV微盲孔内的扩散，以提高孔底的铜离子浓度，降低孔口和孔底的铜离子浓度差；②促进抑制剂在孔口的吸附，提高抑制剂在孔口的吸附率；③促进加速剂在TSV微盲孔内的扩散，以提高加速剂在孔底的浓度和吸附率；以实现TSV微盲孔孔口电镀的抑制、孔底电镀的加速，形成自底向上的完全填充；

所述步骤1中，放置时间优选为30分钟，既能让电镀液中的添加剂有足够的时间扩散、稳定吸附到TSV盲孔表面，而且能兼顾时间效率。

所述超声波的频率范围20kHz-20MHz；优选35kHz，具有较短的波长，并可以输出较大的振幅输出，以实现激发数微米直径微孔内的空化；

所述超声波的方向是横波或者纵波；优选纵波(即超声的传播方向是沿着变幅杆轴向)，可以实现更好的超声定向作用；

超声波的功率为0.5-40W；优选为3W，既能够提供足够大的超声振幅，使TSV微盲孔内的电镀液产生空泡，以利用超声的空化效应，又能够避免过大的超声振动破坏TSV微盲孔表面的铜种子层；

变幅杆下端与硅片的表面之间距离不小于一个半超声波波长，以实现均匀的超声作用；变幅杆轴向与硅片法向之间的夹角，在0-90度之间改变，优选0度(变幅杆和硅片表面垂直)，以实现最大幅度的超声激励作用在TSV微盲孔内；

超声电源具有频率跟踪功能；控制装置实时检测超声电源输出到换能器的电压信号以及电流信号；若电压信号以及电流信号之间的相位差不为0，说明换能器的频率已经改变，控制装置相应地改变超声电源的输出频率，直到输出到换能器的电压信号以及电流信号之间的相位差为0，以解决电镀过程中电镀液温度改变对换能器频率的影响。

变幅杆上端为金属材质制成，而变幅杆下端为塑料材质制成，以耐受电镀液中的酸、碱，并避免金属变幅杆在电镀液中溶解所带来的金属离子污染问题；

超声施加的模式为间歇施加或者连续加载；优选间歇施加，以避免连续施加带来的电镀液升温、换能器频率漂移等问题；间歇施加频率可以在0.1-10000Hz，优选1Hz，以提供足够的空化时间，同时避免电镀液吸收超声能量后升温过快；

有益效果：

本发明采用超声作为外加能场辅助TSV镀铜填充，具有以下优点

1)利用超声空化效应(空泡爆破过程)，促进铜离子在TSV盲孔中的扩散和吸附；

2)促进添加剂在TSV微盲孔表面的吸附，增强抑制剂在孔口的吸附、增强加速剂的活性并促进TSV底部的生长；

3)降低扩散层的厚度，提高铜离子在电镀表面层的扩散速度、提高反应的活性、促进铜离子在电镀沉积过程中沿着表面的扩散、降低表面粗超度。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为间歇式超声驱动示意图；

附图标记说明：

1、控制装置；2、电镀阴极(带TSV微盲孔的硅片)；3、电镀电源；4、超声电源；5、换能器；6、变幅杆轴向；7、变幅杆金属段；8、电镀阳极；9、电镀槽；10、电镀液；11、硅片法向；12、变幅杆塑料段。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

本发明公开了一种超声外场作用下的TSV电镀方法，如图1所示，基于以下系统，系统包括：电镀槽9、电镀电源3、电镀阳极8、电镀阴极2、超声电源4、换能器5、变幅杆和控制装置1(计算机)；

所述电镀槽9内盛有含有添加剂(包括抑制剂、加速剂、光亮剂等)的电镀液10；

电镀电源3的正极接电镀阳极8，负极接电镀阴极2；电镀阳极8和电镀阴极2均浸入电镀槽9内的电镀液10中；

超声电源4连接换能器5；换能器5连接变幅杆的上端，变幅杆的下端浸入电镀槽内的电镀液中；超声电源4产生高频交流电，引起换能器5做高频振动，经变幅杆放大，带动电镀液做高频振动；

所述电镀电源3和超声电源4均受控于控制装置；

电镀方法包括以下步骤：

步骤1：将带TSV微盲孔的硅片放放置在密闭容器内，容器内填充有含有添加剂的电镀液，对该容器进行抽真空预处理，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；然后放置10～60分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到初步吸附平衡；步骤2：将硅片与电镀电源3的负极连接在一起，放入电镀槽中，作为电镀阴极；

步骤3：开启电镀电源3，进行阴极铜离子沉积反应；

同时开启超声电源4，对TSV微盲孔内施加超声激励，利用超声波的空化效应，①促进铜离子在TSV微盲孔内的扩散，以提高孔底的铜离子浓度，降低孔口和孔底的铜离子浓度差；②促进抑制剂在孔口的吸附，提高抑制剂在孔口的吸附率；③促进加速剂在TSV微盲孔内的扩散，以提高加速剂在孔底的浓度和吸附率；以实现TSV微盲孔孔口电镀的抑制、孔底电镀的加速，形成自底向上的完全填充；

所述步骤1中，放置时间优选为30分钟，既能让电镀液中的添加剂有足够的时间扩散、稳定吸附到TSV盲孔表面，而且能兼顾时间效率。

所述超声波的频率范围20kHz-20MHz；优选35kHz，具有较短的波长，并可以输出较大的振幅输出，以实现激发数微米直径微孔内的空化；

所述超声波的方向是横波或者纵波；优选纵波(即超声的传播方向是沿着变幅杆轴向)，可以实现更好的超声定向作用；

超声波的功率为0.5-40W；优选为3W，既能够提供足够大的超声振幅，使TSV微盲孔内的电镀液产生空泡，以利用超声的空化效应，又能够避免过大的超声振动破坏TSV微盲孔表面的铜种子层；

变幅杆下端与硅片的表面之间距离不小于一个半超声波波长，以实现均匀的超声作用；变幅杆轴向6与硅片法向11之间的夹角，在0-90度之间改变，优选0度，以实现最大幅度的超声激励作用在TSV微盲孔内；

超声电源4具有频率跟踪功能；控制装置实时检测超声电源4输出到换能器5的电压信号以及电流信号；若电压信号以及电流信号之间的相位差不为0，说明换能器5的频率已经改变，控制装置相应地改变超声电源4的输出频率，直到输出到换能器5的电压信号以及电流信号之间的相位差为0，以解决电镀过程中电镀液温度改变对换能器5频率的影响。

变幅杆上端为金属材质制成的变幅杆金属段7，而变幅杆下端为塑料材质制成的变幅杆塑料段12，以耐受电镀液中的酸、碱，并避免金属变幅杆在电镀液中溶解所带来的金属离子污染问题；

超声施加的模式为间歇施加或者连续加载；优选间歇施加，以避免连续施加带来的电镀液升温、换能器5频率漂移等问题；间歇施加频率可以在0.1-10000Hz，优选1Hz，以提供足够的空化时间，同时避免电镀液吸收超声能量后升温过快。

本发明采用超声作为外加能场辅助TSV镀铜填充，利用超声空化效应(空泡爆破过程)，促进铜离子在TSV盲孔中的扩散和吸附；促进添加剂在TSV微盲孔表面的吸附，增强抑制剂在孔口的吸附、增强加速剂的活性并促进TSV底部的生长；降低扩散层的厚度，提高铜离子在电镀表面层的扩散速度、提高反应的活性、促进铜离子在电镀沉积过程中沿着表面的扩散、降低表面粗超度。

Claims (10)

1.一种超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，基于以下系统，系统包括：电镀槽、电镀电源、电镀阳极、电镀阴极、超声电源、换能器、变幅杆和控制装置；

所述电镀槽内盛有含有添加剂的电镀液；

电镀电源的正极接电镀阳极，负极接电镀阴极；电镀阳极和电镀阴极均浸入电镀槽内的电镀液中；

超声电源连接换能器；换能器连接变幅杆的上端，变幅杆的下端浸入电镀槽内的电镀液中；超声电源产生高频交流电，引起换能器做高频振动，经变幅杆放大，带动电镀液做高频振动；

所述电镀电源和超声电源均受控于控制装置；

电镀方法包括以下步骤：

步骤1：将带TSV微盲孔的硅片放放置在密闭容器内，容器内填充有含有添加剂的电镀液，对该容器进行抽真空预处理，使得电镀液浸润到TSV微盲孔中；然后放置10～60分钟，等添加剂在TSV微盲孔内表面达到初步吸附平衡；

步骤2：将硅片与电镀电源的负极连接在一起，放入电镀槽中，作为电镀阴极；

步骤3：开启电镀电源，进行阴极铜离子沉积反应；

同时开启超声电源，对TSV微盲孔内施加超声激励，利用超声波的空化效应，实现TSV微盲孔孔口电镀的抑制、孔底电镀的加速，形成自底向上的完全填充。

2.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述超声波的频率35kHz。

3.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述超声波的方向是纵波。

4.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述超声波的功率为3W。

5.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述变幅杆下端与硅片的表面之间距离不小于一个半超声波波长。

6.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述变幅杆的轴向与硅片法向之间的夹角为0度。

7.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述变幅杆下端为塑料材质制成。

8.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述超声激励施加的模式为间歇施加，间歇施加频率为1Hz。

9.根据权利要求1所述的超声外场作用下的TSV电镀方法，其特征在于，所述控制装置实时检测超声电源输出到换能器的电压信号以及电流信号；若电压信号以及电流信号之间的相位差不为0，说明换能器的频率已经改变，控制装置相应地改变超声电源的输出频率，直到输出到换能器的电压信号以及电流信号之间的相位差为0。

10.一种超声外场作用下的TSV电镀系统，其特征在于，包括：电镀槽、电镀电源、电镀阳极、电镀阴极、超声电源、换能器、变幅杆和控制装置；

所述电镀槽内盛有含有添加剂的电镀液；

电镀电源的正极接电镀阳极，负极接电镀阴极；电镀阳极和电镀阴极均浸入电镀槽内的电镀液中；

超声电源连接换能器；换能器连接变幅杆的上端，变幅杆的下端浸入电镀槽内的电镀液中；超声电源产生高频交流电，引起换能器做高频振动，经变幅杆放大，带动电镀液做高频振动；

所述电镀电源和超声电源均受控于控制装置；

电镀系统采用权利要求1～9中任意一项所述的方法进行TSV电镀。