CN117594527A - 利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，包括：利用光刻工艺和刻蚀工艺在基板表面刻蚀出通孔；在通孔内先后形成绝缘层和阻挡层；在保护气氛围下，在基板上表面和通孔内填充金属纳米颗粒，利用飞秒激光辐照金属纳米颗粒时的热压效应，使金属纳米颗粒相互团聚熔合互连，从而实现通孔的填充；再利用化学机械抛光去除多余的金属。该方法是一种干法金属化的方法，通过该方法可以不用制作电镀法所需的种子层，并且实现快速填充。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，具体涉及一种利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法。
背景技术
目前，3D封装领域采用硅通孔(TSV)等通孔连接技术来实现芯片与芯片之间、晶圆与晶圆之间的垂直方向互连，从而提高电子元器件的集成度。以硅通孔为例，其结构由内到外依次为电镀金属、种子层、阻挡层、绝缘层、硅基底。硅通孔的制作包括通孔的形成和通孔的金属化等环节。通孔的金属化，通常是以电镀的方法进行的；由于硅基板本身基体的导电性较差，所以先在其表面沉淀一层薄薄的种子层再进行电镀；对于铜填充的硅通孔，由于铜原子在TSV制造工艺流程中可能会穿透二氧化硅绝缘层，导致封装器件产品性能的下降甚至失效，所以在电镀铜和绝缘层之间加工阻挡层；绝缘层的作用是将硅板和填充的导电材料之间进行隔离绝缘。
然而，在电镀过程中，沉积速率慢，电镀时间太长。为了导电在通孔内壁溅射种子层，使工艺复杂化。电镀时孔内外表面电流密度分布不均，孔内物质传输困难，出现空洞等问题。为了优化电镀质量，相关技术人员使用抑制剂、促进剂和整平剂来改善，但效果有限且随着电镀时间增加需要更多添加剂。也有采用不同的电流条件，例如反向脉冲和周期性反向脉冲，但仍然不能摆脱电镀需要种子层，沉积速率慢的缺陷。因此，需要一种能够快速填充通孔的填充方法。
发明内容
本发明为改善传统电镀法的孔壁需要种子层、沉积速率慢的问题，提供一种利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，包括如下步骤：
S1：利用光刻工艺和刻蚀工艺在硅片表面刻蚀出通孔；
S2：在通孔内先后形成绝缘层和阻挡层；
S3：在保护气氛围下，在硅片上表面和硅通孔内放置金属纳米颗粒；利用激光辐照金属纳米颗粒的热压效应，使金属纳米颗粒向孔内填充并且相互团聚熔合互连，从而实现通孔的填充。所采用的金属纳米颗粒包括同种金属纳米颗粒、金属混合纳米颗粒；其中，金属混合纳米颗粒包括金属纳米颗粒与其他金属纳米颗粒混合、金属纳米颗粒与非金属纳米颗粒混合。金属纳米颗粒的金属材质可以为金、银、铜或铝中任一种。
优选地，还包括S4：利用化学机械抛光去除多余的金属。
本发明的技术原理及研究过程如下：
鉴于使用电镀法填充通孔的诸多问题，本发明系一种干法金属化的方法，对其进行替代。金属纳米颗粒表面能高，易于与其他原子结合，具有增强的扩散能力，烧结温度低，是填充通孔的良好材料。激光热影响区小，易于精确控制，除了具有光热效应外，也具有光压作用，是实现纳米连接的重要手段。因此，使用金属纳米颗粒填充通孔，然后用飞秒激光辐照。激光的温度会促进金属纳米颗粒的团聚熔合，并且光压也会促进金属纳米颗粒向孔内填充。为了防止金属纳米颗粒在空气中氧化，需要将该过程处于氮气等保护气氛围下。激光辐照时可大面积辐照，也可用掩膜版精确控制激光辐照位置。最后用化学机械抛光去除多余的金属。
相较于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的有益效果是不需要电镀前的制作种子层工艺，利用飞秒激光辐照的填充时间短。本发明还提供了一种干法金属化的方法，金属纳米颗粒中也可添加其他优良特性(如导电性能好、导热性能高、热膨胀系数低)的纳米颗粒，这为改善填充金属的性能提供了新的途径。在用途上，不仅适用于硅通孔的金属化，也适用于布线的金属化。
附图说明
图1是本发明利用激光辐照纳米颗粒进行填充示意图。
图2是本发明工艺流程示意图。
图中：1：密闭空间，2：掩膜版，3：氮气氛围，4：激光，5：绝缘层，6：阻挡层，7：纳米颗粒，8：基板(硅基板或玻璃)，9：光刻胶；
S1.1-a：光刻胶旋涂，S1.1-b：曝光显影；S1.2-a：刻蚀硅孔或沟槽；S1.2-b为去除光刻胶；S2：热氧化或物理气相沉积制作绝缘层和阻挡层；S3：激光辐照金属纳米颗粒；S4：化学机械抛光去除多余金属。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步详细阐述。
实施例1
一种利用飞秒激光辐照铜纳米颗粒进行硅通孔填充的方法，具体步骤如下：
S1.1：光刻制作掩膜层。使用4寸[100]型硅片，厚度为520±10um。在硅片上旋涂S1818型光刻胶制作掩膜层，掩膜层图形为孔直径是20um的孔阵列，如图S1.1-a所示。掩膜层厚度5～10um，匀胶转速500～1000rpm，105℃后烘8min。然后曝光显影，在硅片表面漏出硅孔位置，如图S1.1-b所示。
S1.2：硅通孔刻蚀。采用深反应离子刻蚀设备进行硅孔刻蚀，孔深度为100um，如图S1.2-a所示。盲孔刻蚀完成后，使用丙酮和异丙醇清去除光刻胶。刻蚀和去除光刻胶后的盲孔如图S1.2-b所示。
S2：绝缘层和阻挡层制作。为防止硅基体导电从而导致TSV间出现漏电流，因此需要制作绝缘层。采用等离子体增强化学气相沉积或者热氧化技术制作一层厚度为500nm的SiO2层。由于铜在硅基体中容易扩散，因此需要制作阻挡层。采用物理气相沉积制作一层厚度为50nm的TaN阻挡层。制作完成的绝缘层和阻挡层如图S2所示。
S3：填充金属纳米颗粒和激光辐照。在密闭箱中通入氮气排除空气以避免铜纳米颗粒氧化，在硅片上的硅通孔内填充铜纳米颗粒。为使纳米颗粒更充分进入通孔内，并且在辐照过程中能够向通孔内补充铜纳米颗粒，在硅片上表面也放置一层铜纳米颗粒。利用飞秒激光辐照金属纳米颗粒，使金属纳米粒在热压效应下向孔内填充并且相互团聚熔合形成互连，从而实现硅通孔的填充，如图S3所示。
S4：化学机械抛光。利用化学机械抛光方法将硅片表面多余的铜纳米颗粒层去除，如图S4所示。
实施例2
一种利用飞秒激光辐照银和碳化硅混合纳米颗粒进行玻璃通孔填充的方法，该实施例可利用碳化硅的低热膨胀系数降低填充银的热膨胀系数，具体步骤如下：
S1.1：光刻制作掩膜层。使用玻璃基底在玻璃基底上旋涂S1818型光刻胶制作掩膜层，掩膜层图形为孔直径是20um的孔阵列，如图S1.1-a所示。掩膜层厚度5～10um，匀胶转速500～1000rpm，105℃后烘8min。然后曝光显影，在玻璃基底表面漏出玻璃孔位置，如图S1.1-b所示。
S1.2：玻璃通孔刻蚀。采用深反应离子刻蚀设备进行玻璃孔刻蚀，孔深度为100um，如图1.2-a所示。盲孔刻蚀完成后，使用丙酮和异丙醇清去除光刻胶。刻蚀和去除光刻胶后的盲孔如图S1.2-b所示。
S2：阻挡层制作。因为玻璃主要成分为二氧化硅，为绝缘体，所以在此处可不用制作绝缘层。为防止银在玻璃中的扩散，采用物理气相沉积制作一层厚度为50nm的TaN阻挡层。制作完成的绝缘层和阻挡层如图S2所示。
S3：填充金属纳米颗粒和激光辐照。将银纳米颗粒和SiC纳米颗粒按照一定比例进行均匀混合制作成混合纳米颗粒。在密闭箱中通入氩气排除空气以避免银纳米颗粒被氧化，在玻璃基底上的玻璃通孔内填充混合纳米颗粒。为使纳米颗粒更充分进入通孔内，并且在辐照过程中能够向通孔内补充混合纳米颗粒，在玻璃基底上表面也放置一层混合纳米颗粒。利用飞秒激光辐照混合纳米颗粒，使混合纳米粒在热压效应下向孔内填充并且相互团聚熔合形成互连，从而实现玻璃通孔的填充，如图S3所示。
S4：化学机械抛光。利用化学机械抛光方法将玻璃表面多余的混合纳米颗粒层去除，如图S4所示。
实施例3
一种利用飞秒激光辐照铝纳米颗粒进行布线金属化的方法，具体步骤如下：
S1.1：光刻制作掩膜层。使用4寸型硅片，厚度为520±10um。在硅片上旋涂S1818型光刻胶制作掩膜层，掩膜层图形为电路连线图，如图S1.1-a所示为图形的沟槽截面。掩膜层厚度5～10um，匀胶转速500～1000rpm，105℃后烘8min。然后曝光显影，在硅片表面漏出沟槽位置，如图S1.1-b所示。
S1.2：电路沟槽刻蚀。采用深反应离子刻蚀设备进行电路沟槽的刻蚀，深度为50um，如图S1.2-a所示。沟槽刻蚀完成后，使用丙酮和异丙醇清去除光刻胶。刻蚀和去除光刻胶后的沟槽如图S1.2-b所示。
S2：绝缘层和阻挡层制作。为防止硅基体导电从而导致沟槽间出现漏电流，因此需要制作绝缘层。采用等离子体增强化学气相沉积或者热氧化技术制作一层厚度为500nm的SiO2层。为防止铝扩散后与硅反应破坏接合面因此需要制作阻挡层。采用物理气相沉积制作一层厚度为50nm的TiN阻挡层。制作完成的绝缘层和阻挡层如图S2所示。
S3：电路沟槽的填充和激光辐照。在密闭箱中通入氩气排除空气以避免铝纳米颗粒氧化，在硅片上的沟槽内填充铝纳米颗粒。为使纳米颗粒更充分进入沟槽内，并且在辐照过程中能够向沟槽内补充铝纳米颗粒，在硅片上表面也放置一层铝纳米颗粒。利用光刻工艺制作有电路连接图形的掩膜版。利用飞秒激光透过掩膜版辐照电路沟槽位置处的金属纳米颗粒，使金属纳米粒在热压效应下向沟槽内填充并且相互团聚熔合形成电路连线，如图S3所示。
S4：化学机械抛光。利用化学机械抛光方法将硅片表面多余的铝纳米颗粒层去除，如图S4所示。
Claims (9)
1.一种利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：利用光刻工艺和刻蚀工艺在基板上表面刻蚀出通孔；
S2：在通孔内先后制作绝缘层和阻挡层；
S3：在保护气氛围下，在基板上表面和通孔内放置金属纳米颗粒，利用激光辐照金属纳米颗粒，使金属纳米颗粒相互团聚熔合互连，从而实现通孔的填充。
2.根据权利要求1所述的利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：还包括步骤S4：利用化学机械抛光去除多余的金属。
3.根据权利要求2所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：所述基板材质为硅或玻璃。
4.根据权利要求3所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：采用激光辐照的方法，激光为单光束或者多光束，激光辐照是在平行于硅片上表面的平面内移动。
5.根据权利要求4所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：所采用的金属纳米颗粒包括同种金属纳米颗粒、金属混合纳米颗粒；其中，金属混合纳米颗粒包括金属纳米颗粒与其他金属纳米颗粒混合、金属纳米颗粒与非金属纳米颗粒混合。
6.根据权利要求5所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：所述金属纳米颗粒的金属材质为金、银、铜或铝中任一种。
7.根据权利要求6所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：激光辐照时使用保护气氛围进行保护，所述保护气为惰性气体。
8.根据权利要求7所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：所述惰性气体包括氮气或氩气。
9.根据权利要求8所述利用激光辐照金属纳米颗粒进行通孔填充的方法，其特征在于：所述激光选择不使用掩膜版进行大面积辐照或使用掩膜版进行精确定位辐照。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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