CN109273403A - 一种tsv填孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TSV填孔方法，属于微电子组件技术领域。该方法在硅基片上进行刻蚀盲孔、研磨抛光形成通孔，接着通过通孔溅射、前处理、阶梯电镀等工艺，获得填充率可达100％的TSV铜孔。本发明方法具有过程简便、填充率高的优点，且方法简单易行、一致性好，便于批量化生产，特别适用于高密度电气互连应用，是实现高速、高频、高密度组件的关键技术。

Description

一种TSV填孔方法
技术领域
本发明属于微电子组件技术领域，具体涉及一种TSV填孔方法。
背景技术
随着应用需求的不断增多，电子产品发展速度加快，对组件的传输速度、使用频率、集成度等都提出的更高的要求。TSV(Through Silicon Via，穿硅过孔)作为一种新兴技术，特别适用于高速、高频、高密度要求的组件中，发挥着至关重要的作用。
在TSV的制备过程中，填孔工序是关键工序，其填充质量直接影响着传输特性、热特性、集成特性，是研究中的重点。目前，常用的TSV填孔有盲孔填镀、通孔填镀两种。盲孔填镀难度大，往往需要突破性改进，如改变孔内绝缘层斜坡状态、消除盲孔底部残余气泡、改善电镀液成分等，这些改进耗时费力、效果不佳。相比之下，通孔填镀难度较低、便于操作，但面临着表面Cu层过厚、填充率低的问题。现有技术通过底部键合、电化学镀等方式可以改善填充效果，但是过程仍然相对繁琐。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种TSV填孔方法，该方法简单易行，能够极大地提升TSV孔的填充率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种TSV填孔方法，其包括以下步骤：
(1)在Si基片正面进行光刻和刻蚀，形成孔径为5～150μm、深度为100～350μm的盲孔，然后去胶；
(2)将步骤(1)处理后的基片背面进行研磨、抛光处理直至露出刻蚀孔，然后进行清洗、烘干，接着双面生长SiO2层，所述SiO2层覆盖基片的正反面以及孔内壁；
(3)将步骤(2)处理后的基片进行背面贴膜处理；
(4)将步骤(3)处理后的基片进行正面溅射处理，依次溅射Ti和Cu，其中，Ti厚度为400nm～800nm，Cu厚度为100nm～500nm；
(5)对步骤(4)处理后的基片进行刻蚀处理，去除基片正面及孔内上部的Cu溅射层，并依次进行流水清洗、水枪冲洗和氮气吹干；
(6)将步骤(5)处理后的基片进行背面曝光处理，采用紫外光曝光60秒以上，之后揭膜；
(7)将步骤(6)处理后的基片用稀酸进行超声清洗，接着依次水洗、水超声、水洗；
(8)将步骤(7)处理后的基片采用阶梯电流密度进行镀铜处理，完成TSV孔的填充。
可选的，步骤(3)所述的对步骤(2)处理后的基片进行背面贴膜处理，具体为：采用贴膜机在硅片背面贴UV膜，并沿硅片边缘切去多余的膜，切去多余膜时在UV膜上多留出一个角，以便于后续揭膜。
可选的，步骤(5)所述对步骤(4)处理后的基片进行刻蚀处理，去除基片正面及孔内上部的Cu溅射层，并依次进行流水清洗、水枪冲洗和氮气吹干，具体包括以下步骤：
(501)将Si基片正面向下，悬浮放置在Cu刻蚀液中，所述Cu刻蚀液为HCl和FeCl3的混合溶液，其中FeCl3的浓度为2～5mol/L，HCl的浓度为1％～5％；
(502)控制刻蚀Cu时间为5～20秒，使基片正面的Cu以及孔内距正面孔口不大于1/3处的Cu被刻蚀掉；
(503)将步骤(502)处理后的基片置于流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟；
(505)将步骤(504)处理后的基片进行氮气吹干处理。
可选的，步骤(7)所述的将步骤(6)处理后的基片用稀酸进行超声清洗，接着依次水洗、水超声、水洗，具体包括以下步骤：
(701)将步骤(6)处理后的基片，采用1％～10％稀盐酸超声清洗5～20秒；
(702)将步骤(701)处理后的基片置于流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟；
(703)将步骤(702)处理后的基片进行超声水洗，水洗时间为5～20秒；
(704)将步骤(703)处理后的基片置于流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟。
可选的，步骤(8)所述的将步骤(7)处理后的基片采用阶梯电流密度进行镀铜处理，具体包括以下步骤：
(801)将步骤(7)处理后的基片夹持在电镀夹具上，并置于铜填孔镀液中，其中镀液的成分为：Cu2+浓度50g/L～100g/L，CH3SO3H5g/L～10g/L，Cl-浓度40mg/L～60mg/L，加速剂2ml/L～10ml/L，抑制剂3ml/L～20ml/L，整平剂1ml/L～10ml/L；
(802)将电镀电流密度设置在0.01A/dm2～0.03A/dm2内，电镀10～50分钟；
(803)调整电镀电流密度至0.03A/dm2～0.08A/dm2内，电镀60～120分钟；
(804)调整电镀电流密度至0.08A/dm2～0.13A/dm2内，电镀30～60分钟；
(805)调整电镀电流密度至0.13A/dm2～0.18A/dm2内，电镀30～60分钟；
(806)调整电镀电流密度至0.18A/dm2～0.25A/dm2内，电镀180～600分钟；
(807)将步骤(806)处理后的基片在流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟；
(808)将步骤(807)处理后的基片用氮气吹干。
采用上述技术方案的有益效果在于：
本发明以Si基片作为基底材料，通过刻蚀孔、研磨抛光、溅射Ti/Cu种子层、刻蚀部分Cu种子层、阶梯电镀Cu等过程，实现孔内的良好填充。
具体来说，在电镀前采用刻蚀部分Cu种子层的特殊处理方法，可以实现Si片表面Ti种子层全部保留、TSV孔内Ti种子层全部保留、TSV孔内Cu种子层部分保留的目的；借助Ti上镀铜速度低于Cu上镀铜速度的原理，可以实现孔内无空洞、表面不过厚电镀。
与现有技术相比，本发明方法不需要改善电镀液成分，提高了镀液的使用窗口；不需要改变孔内绝缘层状态，降低了孔内加工难度；不需要电镀后再退镀，保持了良好的孔口状态；不需要对通孔进行复合和键合，简化了操作复杂度。
总之，本方法简便易行，不需要额外复杂工艺，孔内填充率高，无空洞，表面镀层厚度薄，后续研磨压力小，是对现有技术的一种重要改进。
附图说明
图1是光刻、刻蚀盲孔处理后的TSV孔示意图。
图2是背面研磨、抛光、生长SiO2层处理后的TSV孔示意图。
图3是单面依次溅射Ti、Cu层处理后的TSV孔示意图。
图4是刻蚀Cu处理后的TSV孔示意图。
具体实施方式
下面，结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至4所示，一种TSV填孔方法，具体包括以下步骤：
(1)将Si基片正面进行光刻、刻蚀处理，得到孔径5～150μm、深度100～350μm的盲孔，然后去胶，处理后的结构如图1所示；
(2)将步骤(1)处理后的基片背面进行研磨、抛光处理直至露出刻蚀孔，并清洗、烘干、双面生长SiO2层，处理后的结构如图2所示；
(3)将步骤(2)处理后的基片进行背面贴膜处理；
对基片进行背面贴膜处理时，采用贴膜机在硅片背面贴UV膜、蓝膜等，并沿硅片边缘切去多余的膜，且多留出一个角的UV膜，便于后续揭膜。
(4)将步骤(3)处理后的基片进行单面溅射Ti/Cu，其中，Ti厚度400nm～800nm，Cu厚度100nm～500nm，处理后的结构如图3所示；
(5)将步骤(4)处理后的基片进行刻蚀Cu预处理，并依次进行流水清洗、水枪冲洗，并氮气吹干，处理后的结构如图4所示；
将Si片正面向下，悬浮放置在Cu刻蚀液中，溶液比例为HCl/FeCl3混合液，其中FeCl3浓度为2mol/L～5mol/L,HCl浓度为1％～5％；控制刻蚀Cu时间5s～20s，使基片正面及距孔口正面不大于1/3处的Cu被刻蚀掉；将基片置于流动的去离子水下进行冲洗，冲洗时间不少于5min；将处理后的基片进行氮气吹干处理。
(6)将步骤(5)处理后的基片进行背面曝光处理，采用UV光曝光60s以上，便于揭膜；
(7)将步骤(6)处理后的基片进行超声清洗，并依次水洗、水超声、水洗；
对基片进行超声清洗，采用1％～10％稀盐酸超声清洗5s～20s；将基片置于流动的去离子水下进行冲洗，冲洗时间不少于5min；对基片进行超声水洗，超声时间5s～20s；处理后的基片置于流动的去离子水下进行冲洗，冲洗时间不少于5min。
(8)将步骤(7)处理后的基片采用阶梯电流密度进行镀铜处理。
将步骤7处理后的基片夹持在电镀夹具上，并置于铜填孔镀液中，其中镀液比例为：Cu2+浓度50g/L～100g/L，CH3SO3H 5g/L～10g/L，Cl-浓度40mg/L～60mg/L，加速剂2ml/L～10ml/L，抑制剂3ml/L～20ml/L，整平剂1ml/L～10ml/L；将电镀电流密度设置在0.01A/dm2～0.03A/dm2内，电镀时间10min～50min；调整电镀电流密度至0.03A/dm2～0.08A/dm2内，电镀时间60min～120min；调整电镀电流密度至0.08A/dm2～0.13A/dm2内，电镀时间30min～60min；调整电镀电流密度至0.13A/dm2～0.18A/dm2内，电镀时间30min～60min；调整电镀电流密度至0.18A/dm2～0.25A/dm2内，电镀时间180min～600min；将步骤(806)处理后的基片进行流动去离子水下的冲洗，冲洗时间不少于5min；将处理后的基片用氮气吹干。
完成TSV填孔的制备。
总之，上述方法在硅基片上进行刻蚀盲孔、研磨抛光形成通孔，接着通过通孔溅射、前处理、阶梯电镀等工艺，可获得填充率达100％的TSV铜孔。
本发明方法具有过程简便、填充率高的优点，且方法简单易行、一致性好，便于批量化生产，特别适用于高密度电气互连应用，是实现高速、高频、高密度组件的关键技术。

Claims (5)

1.一种TSV填孔方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在Si基片正面进行光刻和刻蚀，形成孔径为5～150μm、深度为100～350μm的盲孔，然后去胶；
(2)将步骤(1)处理后的基片背面进行研磨、抛光处理直至露出刻蚀孔，然后进行清洗、烘干，接着双面生长SiO2层，所述SiO2层覆盖基片的正反面以及孔内壁；
(3)将步骤(2)处理后的基片进行背面贴膜处理；
(4)将步骤(3)处理后的基片进行正面溅射处理，依次溅射Ti和Cu，其中，Ti厚度为400nm～800nm，Cu厚度为100nm～500nm；
(5)对步骤(4)处理后的基片进行刻蚀处理，去除基片正面及孔内上部的Cu溅射层，并依次进行流水清洗、水枪冲洗和氮气吹干；
(6)将步骤(5)处理后的基片进行背面曝光处理，采用紫外光曝光60秒以上，之后揭膜；
(7)将步骤(6)处理后的基片用稀酸进行超声清洗，接着依次水洗、水超声、水洗；
(8)将步骤(7)处理后的基片采用阶梯电流密度进行镀铜处理，完成TSV孔的填充。
2.根据权利要求1所述的一种TSV填孔方法，其特征在于：步骤(3)所述的对步骤(2)处理后的基片进行背面贴膜处理，具体为：采用贴膜机在硅片背面贴UV膜，并沿硅片边缘切去多余的膜，切去多余膜时在UV膜上多留出一个角，以便于后续揭膜。
3.根据权利要求1所述的一种TSV填孔方法，其特征在于：步骤(5)所述对步骤(4)处理后的基片进行刻蚀处理，去除基片正面及孔内上部的Cu溅射层，并依次进行流水清洗、水枪冲洗和氮气吹干，具体包括以下步骤：
(501)将Si基片正面向下，悬浮放置在Cu刻蚀液中，所述Cu刻蚀液为HCl和FeCl3的混合溶液，其中FeCl3的浓度为2～5mol/L，HCl的浓度为1％～5％；
(502)控制刻蚀Cu时间为5～20秒，使基片正面的Cu以及孔内距正面孔口不大于1/3处的Cu被刻蚀掉；
(503)将步骤(502)处理后的基片置于流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟；
(505)将步骤(504)处理后的基片进行氮气吹干处理。
4.根据权利要求1所述的一种TSV填孔方法，其特征在于：步骤(7)所述的将步骤(6)处理后的基片用稀酸进行超声清洗，接着依次水洗、水超声、水洗，具体包括以下步骤：
(701)将步骤(6)处理后的基片，采用1％～10％稀盐酸超声清洗5～20秒；
(702)将步骤(701)处理后的基片置于流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟；
(703)将步骤(702)处理后的基片进行超声水洗，水洗时间为5～20秒；
(704)将步骤(703)处理后的基片置于流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟。
5.根据权利要求1所述的一种TSV填孔方法，其特征在于：步骤(8)所述的将步骤(7)处理后的基片采用阶梯电流密度进行镀铜处理，具体包括以下步骤：
(801)将步骤(7)处理后的基片夹持在电镀夹具上，并置于铜填孔镀液中，其中镀液的成分为：Cu2+浓度50g/L～100g/L，CH3SO3H5g/L～10g/L，Cl-浓度40mg/L～60mg/L，加速剂2ml/L～10ml/L，抑制剂3ml/L～20ml/L，整平剂1ml/L～10ml/L；
(802)将电镀电流密度设置在0.01A/dm2～0.03A/dm2内，电镀10～50分钟；
(803)调整电镀电流密度至0.03A/dm2～0.08A/dm2内，电镀60～120分钟；
(804)调整电镀电流密度至0.08A/dm2～0.13A/dm2内，电镀30～60分钟；
(805)调整电镀电流密度至0.13A/dm2～0.18A/dm2内，电镀30～60分钟；
(806)调整电镀电流密度至0.18A/dm2～0.25A/dm2内，电镀180～600分钟；
(807)将步骤(806)处理后的基片在流动的去离子水中进行冲洗，冲洗时间不少于5分钟；
(808)将步骤(807)处理后的基片用氮气吹干。
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