一种TSV填孔方法与流程

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(throughsiliconvia，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。

技术实现要素：

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，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；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。