CN117265604A - 一种用于tsv高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂 - Google Patents

一种用于tsv高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,属于MEMS晶圆TSV高深径比通孔电沉积铜填充领域,为整平剂中的一种。所述整平剂的化学结构式为:所述整平剂具有抑制铜沉淀的作用,且能够吸附在微孔孔口和孔外镀层凸起的高电荷密度区,故能使镀层起到整平作用,和避免了电沉积过程中孔径的缩小甚至于提前封孔的异常发生,明显降低电沉积铜填充过程中的微裂缝和微空洞出现的可能性。此整平剂与抑制剂、加速剂协同作用,可保证质量信赖性而且不影响电沉积速度。

Description

一种用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂
技术领域
本申请涉及芯片封装领域,尤其涉及一种用于TSV高深径比通孔的电沉积铜填充工艺的添加剂和电解液。
背景技术
集成电路(IC)于20世纪60年代发展,随着晶体管尺寸的持续缩小,从小规模集成电路(SSI)、中等规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI),发展至超大规模集成电路(ULSI)。不论是单一晶体管还是集成电路,都必须通过封装发挥功能。封装是系统整合的基础。
硅通孔(Through-Silicon-Via,TSV)技术属于立体封装的一种,在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通,利用垂直硅通孔完成芯片间互连,实现芯片之间互连的新技术。相对于传统封装技术,TSV技术具有缩短信号传输之间的距离、减小了系统的热阻、降低了电路电阻、改善输出延时、降低了噪声和提高高频芯片的性能等优势。
目前,受限于TSV技术的发展,在TSV高深径比通孔电沉积铜填充过程中,在TSV孔中心位置或Cu晶粒间由于孔口处铜的生长速率较快,易产生微裂缝(micro-seam)和微空洞(micro-void),和在孔外部因为电流密度不均匀导致镀层不平整,进而会影响产品质量。所以在实际电镀中会加入部分添加剂,如加速剂、抑制剂、整平剂等,使铜在沉积过程中从孔底开始往上生长,避免出现裂缝和空洞。且由于有整平剂的存在,铜在孔内填充完毕后,在孔外的镀层也会相对于不加整平剂更加平整,最终应用效果会更好。
发明内容
针对上述TSV技术可能存在的问题,本申请提供了一种含有新型整平剂的添加剂配方,解决TSV高深径比通孔电沉积铜填充后,铜柱出现微裂缝和/或微孔洞的技术问题。
第一方面,本发明提供一种用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,所述添加剂包括整平剂,所述整平剂的化学结构式如下:
所述整平剂的添加量为10~30ppm。
优选方案中,所述整平剂的添加量为10~20ppm。
所述添加剂还包括加速剂和抑制剂;其中,所述抑制剂为聚乙烯醇类化合物;所述加速剂为硫醇类化合物。
所述的聚乙烯醇类化合物选自聚乙二醇、聚丙烯二醇、聚乙二醇中的任意一种。
所述的聚乙烯醇类化合物的平均分子量为6000~12000;聚乙烯醇类化合物的添加量为120~300ppm;
优选配方中,所述的聚乙烯醇类化合物的平均分子量为8000~10000;聚乙烯醇类化合物的添加量为200~240ppm。
所述的硫醇类化合物选自3-巯基丙烷磺酸钠、或聚二硫二丙烷磺酸钠。
所述的硫醇类化合物的添加量为0.1-10ppm;优选配方中,所述的硫醇类化合物的添加量为0.5~2ppm。
另一方面,本发明提供一种电沉积铜电解液,所述电沉积铜电解液的组分包括用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂。
电沉积铜电解液原料还包括:60-90g/L Cu2+、10-30g/L H+,50-80ppm Cl-
本申请提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点:
所述整平剂含有羟基,属于亲水基团,在水中具有较好的溶解性;所述整平剂中N+、S原子、嘧啶环作为活性位点使所述整平剂吸附在铜表面。且其中嘧啶坏作为一种平面结构,具有一定的空间位阻,可以抑制Cu2+在铜表面沉淀,而又因为N+带有正电荷,更倾向于吸附在孔口、凸起点等具有尖端效应的高电荷密度区,故所述整平剂可以起到整平的作用;相对于市面上的整平剂,所述整平剂分子量小,质荷比小,在同一地区能聚集更多,整平效果会更好。
本发明所述整平剂具有抑制铜沉淀的作用,且能够吸附在微孔孔口和孔外镀层凸起的高电荷密度区,故能使镀层起到整平作用,和避免了电沉积过程中孔径的缩小甚至于提前封孔的异常发生,明显降低电沉积铜填充过程中的微裂缝和微空洞出现的可能性。此整平剂与抑制剂、加速剂协同作用,可保证质量信赖性而且不影响电沉积速度。
附图说明
图1为实施例1中使用所述整平剂晶圆RDL电镀轮廓图。
图2为实施例1中使用所述整平剂晶圆RDL电镀线路SEM图。
图3为实施例1中使用所述整平剂晶圆电镀SEM图。
图4为实施例1中使用所述整平剂晶圆微孔表面SEM图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题,总体思路如下:
TSV是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通,实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同,TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大,外形尺寸最小,并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV制造工艺流程主要包括:TSV高深径比通孔形成、种子层的沉积、电化学沉积铜填充工艺等。目前电化学沉积铜填充工艺主要采取超等厚沉积(super-conformaldeposition),也叫底部生长(Bottom-up)的模式。
铜互连是如今超大规模集成电路中的最常用的互连技术,而电沉积铜是其中的关键工艺之一。在电沉积铜工艺中,包括加速剂、抑制剂、整平剂以及氯离子在内的添加剂通过竞争与协同作用,使得铜以bottom up的模式进行生长,进而实现通孔和沟道的无缺陷填充,避免在普通的TSV高深径比通孔电沉积铜填充时产生的微裂缝(micro-seam)和微空洞(micro-void)等缺陷。并且可以改变镀液的分散能力和镀覆能力,获得光亮、平整、具有良好韧性和延展性的镀层。
基于此,根据本发明一种典型的实施方式,提供一种含有新型整平剂的添加剂配方,解决TSV高深径比通孔电沉积铜填充后,铜柱出现微裂缝和/或微孔洞的技术问题。此整平剂的化学结构式为:
作为一种可选的实施方式,所述整平剂包括按照添加量计,含有10-20ppm。
作为一种可选的实施方式,用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,还包括加速剂和抑制剂;
所述加速剂一般为含硫有机物。最优选的,3-巯基丙烷磺酸钠(MPS),聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS),其不仅可以在氯离子协助下,与镀液中的铜离子形成络合物,进而降低阴极极化,加速铜的沉积,而且可以促使镀层表面晶核的产生速度大于其生长速度,从而达到细化晶体颗粒和提高镀层表面光亮致密性的效果。
所述抑制剂类一般为长链聚合物。一般选择为聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)、聚丙烯二醇及聚乙二醇的共聚物。其在电镀过程中会吸附在阴极表面,增加阴极极化,形成连续抑制电流的单层膜,极化形成的膜能够阻碍铜离子通过,并与镀液中的络合铜离子形成竞争,从而阻碍铜的沉积,明显的降低铜电沉积速率;
作为一种可选的实施方式,其中,按添加量计,
所述抑制剂的添加量为180~240ppm、所述加速剂的添加量为0.5~2ppm、所述整平剂的添加量为10~20ppm。
作为一种可选的实施方式,其中,抑制剂的平均分子量为6000~10000。
加速剂、抑制剂、整平剂的含量如果超出了控制范围,就会影响到铜沉积层的晶核尺寸、沉积层硬度和应力等,导致铜沉积层的质量异常。
在本实施方式中,电沉积铜电解液的配比为:60-100g/L CuSO4、180-240g/LH2SO4,50-60ppm Cl-、1ppm加速剂、200ppm抑制剂,10ppm整平剂。
实施例1
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本申请的添加剂在MEMS晶圆TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺中的铜填充效果进行详细说明。
按表1的配比,通过如下步骤制备电沉积铜电解液。
表1
实施例1 对比例
CuSO4 80g/L 80g/L
H2SO4 210g/L 210g/L
Cl- 55ppm 55ppm
加速剂(SPS) 1ppm 1ppm
抑制剂(PEG,8000) 200ppm 200ppm
整平剂 10ppm
对MEMS晶圆的通孔进行电镀铜(其中通孔的深宽比为100μm:10μm);
对使用实施例和对比例的电解液电沉积得到的MEMS晶圆进行实例切片,并利用SEM电镜进行检测。本发明提供的用于3D铜互连的高纵深比TSV微孔电镀填铜方法所制备的TSV样片外观平整,无void和seam缺陷,均匀性良好,满足要求。

Claims (10)

1.一种用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述添加剂包括整平剂,所述整平剂的化学结构式如下:
2.根据权利要求1所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述整平剂的添加量为10~30ppm。
3.根据权利要求2所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述整平剂的添加量为10~20ppm。
4.根据权利要求3所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述添加剂还包括加速剂和抑制剂;其中,所述抑制剂为聚乙烯醇类化合物;所述加速剂为硫醇类化合物。
5.根据权利要求4所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述的聚乙烯醇类化合物选自聚乙二醇、聚丙烯二醇、聚乙二醇中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述的聚乙烯醇类化合物的平均分子量为6000~12000;聚乙烯醇类化合物的添加量为120~300ppm;
优选配方中,所述的聚乙烯醇类化合物的平均分子量为8000~10000;聚乙烯醇类化合物的添加量为200~240ppm。
7.根据权利要求4所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述的硫醇类化合物选自3-巯基丙烷磺酸钠、或聚二硫二丙烷磺酸钠。
8.根据权利要求7所述的用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂,其特征在于,所述的硫醇类化合物的添加量为0.1-10ppm;优选配方中,所述的硫醇类化合物的添加量为0.5~2ppm。
9.一种电沉积铜电解液,其特征在于,所述电沉积铜电解液的组分包括权利要求1-8中任一项所述用于TSV高深径比通孔电沉积铜填充工艺的添加剂。
10.根据权利要求9所述的电沉积铜电解液,其特征在于,电沉积铜电解液原料还包括:60-90g/L Cu2+、10-30g/L H+,50-80ppm Cl-
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KR20180009041A (ko) * 2016-07-15 2018-01-25 한국생산기술연구원 니켈 도금용 평탄제 및 이를 포함하는 니켈 도금액
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