专利名称：用于tsv绝缘层的超薄膜湿法制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微电子材料技术领域的制备方法，特别是一种用于 TSV(ThroughSilicon Vias，硅通孔)绝缘层的超薄膜湿法制备方法。
背景技术：
微电子工业的发展趋势是提高性能、降低成本。传统的二维小型化策略已经达到 了性能、功能多样性和制造成本的极限，正在逐渐被三维半导体集成技术所取代。在各种3D 集成技术中，基于TSV垂直互连的叠层封装方式以其短距离互连和高密度集成的关键技术 优势，引领3D封装技术发展的趋势。TSV封装包含一系列关键技术，硅深孔刻蚀成型，孔内 绝缘层、阻挡层和种子层的形成，以及硅通孔电镀填充等。绝缘膜的存在可以防止互连材料 铜和硅基底之间形成导电通道，从而提高芯片的电学可靠性和稳定性。迄今为止，TSV互连 结构中的绝缘层、阻挡层以及种子层绝大多数采用干法工艺制备，到目前为止，用于产业化 TSV互连技术中的绝缘层、阻挡层以及种子层几乎都是采用干法技术。干法技术存在的主要问题是集成成本过高，生长速度慢、不易和后续工艺兼容；另 夕卜，相关文献指出，当通孔的深宽比较大时，传统的PVD(physical vapor exposition，物理 气相淀积)方法的台阶覆盖性较差，因而难以在通孔内部得到均勻的绝缘层、阻挡层和种 子层，导致填充孔的导电膜品质下降，虽然采用电离PVD系统可使深宽比较大的硅瞳孔覆 盖性能有所改善，但价格非常昂贵，同时也增加了工艺流程的复杂性。湿法技术(包括电镀、化学镀、电泳涂装)由于其工艺简单、成本低及极好的台阶 覆盖率性，正受到越来越大的关注。电泳镀膜是一种湿法钝化成膜技术，利用外加电场使悬浮于电泳液中的带电微粒 定向迁移并沉积于阴极或阳极基底表面。该技术具有阻断导电通道，形成完整绝缘膜的能 力，而且，绝缘层厚度可以通过调节工艺参数(电压、电流、温度)加以控制，因此，以电泳镀 膜方法制备硅通孔内绝缘膜具有合理性和可行性。但是目前通用电泳镀膜技术获得的涂层 厚度基本都在5p m以上，过厚的绝缘层直接影响后续阻挡层和种子层的生长，由此可知现 有的电泳镀膜技术难以用于制备TSV绝缘层。
发明内容
本发明的目的在于克服传统溅射方法在硅通孔表面生长绝缘层成本高、工艺复 杂、台阶覆盖性差的缺点，以及通用电泳镀膜技术难以在深孔中获得超薄绝缘层的种种不 足，提供一种用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法。本发明工艺简单、成本低廉、质量良 好的硅通孔绝缘层制造方法，通过电泳镀膜技术，在外加超声振荡和旋转电极的条件下，在 硅表面生长不同材料的超薄绝缘膜，大大提高了硅通孔表面绝缘层的均勻性和绝缘性，工 艺简单，成本低。本发明通过以下技术方案实现本发明包括以下步骤
<1>将经过DRIE(de印reaction ion etching，深反应离子刻蚀)刻蚀的硅片与 导电装置连接为阳极或者阴极系统，作为导电装置接电泳仪器的正极或者负极，构成回路。所述的硅片，经过DRIE刻蚀出通孔的硅片，硅 片的技术参数、DRIE的刻蚀参数随 着TSV的技术指标变化而变化；所述的导电装置具有良好的导电性，在电泳镀膜过程中和 电泳镀膜溶液不发生反应，而且能够保证硅片表面电场分布均勻。<2>将与导电装置连接好的硅片放入电泳镀膜溶液中。所述的电泳镀膜溶液，使用的电泳涂料的浓度为质量百分比10% -30%。所述的电泳涂料为聚氨酯改性环氧树脂、改性丙烯酸树脂、改性丙烯酸聚氨酯树 月旨、丙烯酸改性环氧树脂的一种或两种。所述的电泳镀膜，阴极电泳镀膜中使用的阳极板或在阳极电泳镀膜中使用的阴极 板为不锈钢、碳板、钛件等表面不和电泳镀膜液发生反应的稳定材料、惰性材料或者是经过 表面处理导电的非金属材料等。<3>打开电源开始电泳镀膜。其中所述的电泳电压为30V-60V ；电泳时间为10S_60S ；温度25°C -32°C其中所述的电泳镀膜过程采用超声振荡，以及旋转搅拌工艺，以保证电泳镀膜溶 液的均勻性，提高镀膜液的传质能力，获得超薄、均勻的电泳镀膜。<4>生长完毕后，关闭电源，将硅片从电泳镀膜溶液中取出，用去离子水超声清洗 硅通孔，洗去悬浮涂料。所述的超声清洗的频率为25KHZ-68KHZ，旋转电极的转速为50rmp-300rpm。<5>将清洗干净的电泳镀膜硅片，进行初次烘干、二次烘干处理。其中所述的初次烘干温度为80°C -IOO0C ；烘干时间为10min-20min。所述的二次烘干温度为150°C _200°C，烘干时间为20min-30min。本发明利用电泳镀膜技术在硅通孔中生长超薄绝缘层，与现有薄膜制备技术相比 本发明具有以下优点(1)本方法制备的绝缘膜厚度为1 μ m-3 μ m，厚度适当，满足后续制造阻挡层和种 子层的需求，适合在TSV技术中应用。(2)本方法制备的绝缘层与硅基底结合良好。测试表明，生长出的绝缘层材料与 硅基底的结合力为大于2. 5MPa，采用机械旋涂的聚合物如负性SU-8光刻胶的结合力大于 0. 3MPa，采用CVD技术成型的聚合物如Parylene薄膜的结合力大于0. 7MPa。可以看出，电 泳镀膜与硅基底的结合力比旋涂聚合物SU-8光刻胶大8倍，比CVD聚合物Parylene大3 倍以上。(3)本发明制备的应用于TSV的超模绝缘层技术，成本低，工艺流程简单、低功耗、 无污染，具有很强的市场竞争力。
图1是深反应离子刻蚀出的硅通孔剖面示意图。图2是生长出绝缘层的硅通孔剖面示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1聚氨酯改性环氧树脂超薄绝缘膜的制备本实施例采用阴极电泳镀膜工艺，使用聚氨酯改性环氧树脂电泳涂料，具体包括 以下步骤(1)将待处理的硅片与导电装置相连，导电装置接电源的负极，电泳装置阳极接电 源正极作为阳极系统。(2)将硅片放入含10%聚氨酯改性环氧树脂的电泳镀膜液中，在25°C的条件下， 外加频率为25KHZ的超声振荡，旋转电极转速为50rmp，电泳电压设定为30V，阴极电泳IOS。(3)按要求的时间完成电泳镀膜后，取出硅片，用去离子水超声清洗硅通孔，洗去 悬浮涂料。(4)将清洁完的硅片进行干燥处理，第一步预烘温度为80°C，时间为20min ；第二 步后烘温度为150°C，时间为30min。通过上述方法制备的绝缘膜厚度为1. IP m，绝缘性良好，测得其击穿电压为 1.98MV/cm。实施例2改性丙烯酸聚氨酯树脂超薄绝缘膜的制备本实施例采用阴极电泳镀膜工艺，使用改性丙烯酸聚氨酯树脂涂料，具体包括以 下步骤(1)将待处理的硅片与导电装置相连，导电装置接电源的负极，电泳装置阳极接电 源正极作为阳极系统。(2)将硅片放入含20%改性丙烯酸聚氨酯树脂的电泳镀膜液中，在25°C的条件 下，外加频率为50KHZ的超声振荡，旋转电极转速为200rmp，电泳电压设定为45V，阴极电泳 30S。(3)按要求的时间完成电泳镀膜后，取出硅片，用去离子水超声清洗硅通孔，洗去 浮漆。(4)将清洁完的硅片进行干燥处理，第一步预烘温度为90°C，时间为15min ；第二 步后烘温度为180°C，时间为25min。通过上述方法制备的绝缘膜厚度为2.0 μ m，绝缘性良好，测得其击穿电压为 2. 01MV/cm。实施例3丙烯酸改性环氧树脂超薄绝缘膜的制备本实施例采用阳极电泳镀膜工艺，使用丙烯酸改性环氧树脂电泳涂料，具体包括 以下步骤(1)将待处理的硅片与导电装置相连，导电装置接电源的正极，电泳装置阴极接电 源负极作为阴极系统。(2)将硅片放入含30%丙烯酸改性环氧树脂的电泳镀膜液中，在30°C的条件下，外加频率为68KHZ的超声振荡，旋转电极转速为300rmp，电泳电压设定为60V，阳极电泳 60S。(3)按要求的时间完成电泳镀膜后，取出硅片，用去离子水超声清洗硅通孔，洗去浮漆。(4)将清洁完的硅片进行干燥处理，第一步预烘温度为100°C，时间为20min ；第 二步后烘温度为200°C，时间为30min。通过上述方法制备的绝缘膜厚度为2.9 μ m，绝缘性良好，测得其击穿电压为 2.25MV/cm。
权利要求
一种用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征在于，包括以下步骤<1>将经过DRIE刻蚀的硅片与导电装置连接为阳极或者阴极系统，作为导电装置接电泳仪器的正极或者负极，构成回路；<2>将与导电装置连接好的硅片放入电泳镀膜溶液中；<3>打开电源开始电泳镀膜；<4>生长完毕后，关闭电源，将硅片从电泳镀膜溶液中取出，用去离子水超声清洗硅通孔，洗去悬浮涂料；<5>将清洗干净的电泳镀膜硅片，进行初次烘干、二次烘干处理。
2.根据权利要求1所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述的硅 片，经过DRIE刻蚀出通孔的硅片，其硅片的技术参数和DRIE的刻蚀参数随着TSV的技术指 标变化而变化。
3.根据权利要求1所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述的电 泳镀膜溶液，使用的电泳涂料的浓度为质量百分比10% -30%。
4.根据权利要求3所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述的电 泳涂料为聚氨酯改性环氧树脂、改性丙烯酸树脂、改性丙烯酸聚氨酯树脂、丙烯酸改性环氧 树脂的一种或两种。
5.根据权利要求1或者3所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所 述的电泳镀膜，阴极电泳镀膜中使用的阳极板或在阳极电泳镀膜中使用的阴极板为稳定材 料、惰性材料或者是导电的非金属材料等。
6.根据权利要求1所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述的电 泳电压为30V-60V ；电泳时间为:10S-60S ；温度25°C -320C0
7.根据权利要求1中所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述的 电泳镀膜，采用超声振荡，以及旋转搅拌工艺。
8.根据权利要求1中所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述的 超声清洗的频率为25KHZ-68KHZ，旋转电极的转速为50rmp-300rpm。
9.根据权利要求1中所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，其中所 述的初次烘干温度为80°C -IOO0C ；烘干时间为10min-20min。
10.根据权利要求1中所述的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法，其特征是，所述 的二次烘干温度为150°C _200°C，烘干时间为20min-30min。
全文摘要
一种微电子材料技术领域的用于TSV绝缘层的超薄膜湿法制备方法。包括<1>将经过DRIE刻蚀的硅片与导电装置连接为阳极或者阴极系统，作为导电装置接电泳仪器的正极或者负极，构成回路；<2>将与导电装置连接好的硅片放入电泳镀膜溶液中；<3>打开电源开始电泳镀膜；<4>生长完毕后，关闭电源，将硅片从电泳镀膜溶液中取出，用去离子水超声清洗硅通孔，洗去悬浮涂料；<5>将清洗干净的电泳镀膜硅片，进行初次烘干、二次烘干处理。本发明制备出了超薄的绝缘膜，膜厚为1μm-3μm；具有良好的结合力，测试结果表明绝缘膜的击穿电压可达2mV/cm以上；工艺流程可以在低温下操作，镀层生长速度快，工艺成本低。
文档编号C25D13/06GK101886286SQ201010236669
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者丁桂甫, 吴义伯, 姚锦元, 李光杨, 杨春生, 汪红 申请人:上海交通大学