一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法及其應用的製作方法
2023-04-23 20:07:51 2
一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法及其應用，屬於微電子和微機電系統封裝【技術領域】。該方法首先在基體上製備通孔，然後在通孔的側壁表面上直接或間接地通過化學鍍的方法製備化學鍍鎳合金層，再以化學鍍鎳合金層作為種子層進行電鍍填充。本發明提出一種通過化學鍍鎳合金作為通孔的阻擋層和電鍍的種子層的技術，此技術可以實現阻擋層和種子層的一體化，可以簡化傳統的工藝流程，大大節省成本；通過化學鍍的方法，在高深徑比的通孔內可以使鍍膜分布更加均勻，有效避免離子濺射方法產生的「盲區」，這有利於獲得完整的電鍍填充效果。該方法用於微電子三維封裝的矽通孔互連技術，或者用於玻璃或樹脂基體的通孔連接技術。
【專利說明】一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子和微機電系統封裝【技術領域】，具體涉及一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法及其應用。該方法適用於晶片/晶圓或其它功能器件在三維疊層封裝過程中通過通孔實現互連的【技術領域】。
【背景技術】[0002]隨著微電子器件向微型化和多功能化發展趨勢，要求電子封裝密度不斷加大。因此，三維封裝技術成為電子封裝發展的方向。在三維封裝中，要求晶片在垂直方向疊層並實現電和機械的連接。TSV(through silicon via)技術,即穿透娃通孔技術的縮寫,一般簡稱矽通孔技術，是三維集成電路中堆疊晶片實現互連的一種新的技術解決方案。如圖1所示，晶片a (2)、晶片b (3)、晶片c (4)和晶片d (5)上分別製備通孔(6)，然後各個晶片上的通孔(6)填充後通過微焊球(7)電連接，實現基板(I)上多個晶片的層疊。與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術不同，TSV能夠使晶片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，並且大大提高晶片速度和降低晶片功耗，成為目前電子封裝技術中最引人注目的一種技術。因此，常把TSV稱為繼線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動連接(TAB)和倒裝晶片(FC)之後的第四代封裝技術。TSV技術的優勢:1、縮小封裝尺寸；2、高頻特性出色，減小傳輸延時、降低噪聲；3、降低晶片功耗，據稱，TSV可將矽鍺晶片的功耗降低大約40% ;4、熱膨脹可靠性高。
[0003]TSV技術的核心在於通孔的製備和填充，包含以下技術:矽通孔刻蝕，絕緣層(介質層)沉積，阻擋層和種子層製備，通孔填充。一般通過化學氣相沉積或者幹法氧化的方法製備二氧化矽絕緣層，一般選用鈦，鉭等金屬薄膜層作為阻擋層和銅膜作為後續銅電鍍填充的種子層，阻擋層和種子層一般採用幹法濺射的方法製備，這樣，阻擋層和種子層的製備需要通過兩次幹法濺射，成本相對較高。對於利用Bosch深反應離子刻蝕製備的高深徑比(孔深與孔徑之比)通孔，其孔壁較粗糙，呈現螺紋狀形貌，幹法濺射在高深徑比孔中沉積的膜臺階覆蓋性很差，其凹槽部位常無金屬沉積覆蓋，從而導致在隨後的電鍍過程中形成缺陷。隨著高深徑比加工能力的不斷提高，研究表明當通孔的深徑比高於5時，利用磁控濺射的方法，離子將無法到達盲孔底部位置。利用化學氣相沉積的方法可以製備優良的阻擋層和種子層，但成本卻相當昂貴，另外，化學氣相沉積的工藝溫度將達到400°C，從而限制了其在後道通孔工藝中的應用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法及其應用，該方法可以實現矽/玻璃/樹脂通孔內阻擋層和種子層的一體化，即化學鍍鎳合金起到阻擋擴散作用的同時還為後續的電鍍填充提供導電種子層的功能。
[0005]本發明的技術方案是:
[0006]一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法，包括如下步驟:[0007](I)在基體上製備通孔(盲孔或貫穿孔)；所述基體材質為矽、玻璃或樹脂；
[0008](2)當基體為玻璃或樹脂時，在通孔的側壁表面上製備化學鍍鎳合金層；當基體為矽時，先在通孔的側壁表面上沉積二氧化矽絕緣層，然後在絕緣層表面製備化學鍍鎳合金層，或者在二氧化矽絕緣層表面製備鈦、鎳、鎢或鉻金屬層，然後在金屬層表面製備化學鍍鎳合金層；
[0009](3)以化學鍍鎳合金層作為種子層進行電鍍填充，其填充金屬為銅、銅合金、鎳、鎳合金、錫或錫合金。
[0010]上述步驟(2)中通過化學鍍的方法製備化學鍍鎳合金層，所述化學鍍的鍍液組成和含量為:硫酸鎳10-30g/L，次亞磷酸鈉8-15g/L，檸檬酸鈉5_20g/L，醋酸鈉10_18g/L，十二烷基硫酸鈉0.Ι-lg/L，其餘為水；其中:鍍液PH值為6.5。所述化學鍍時間0.5-2小時，化學鍍溫度60-85°C ;製備的化學鍍鎳合金層厚度為100-1000nm。
[0011 ] 在化學鍍之前，先對欲化學鍍的表面進行活化處理，以保證鍍層優良的結合力。
[0012]上述通孔填充方法用於微電子三維封裝的矽通孔互連技術，或者用於玻璃或樹脂基體的通孔連接技術。
[0013]本發明的有益效果是:
[0014]1、本發明以化學鍍鎳合金層同時作為通孔技術的阻擋層和電鍍種子層，可以在矽、玻璃或樹脂基體上實現。
[0015]2、本發明的化學鍍鎳合金作為通孔技術的阻擋層和電鍍種子層，實現了阻擋層和種子層的一體化，簡化傳統的工藝流程；相對傳統的化學沉積製備阻擋層和離子濺射的方法製備電鍍種子層，大大節省成本。
[0016]3、本發明採用在通孔側壁直接或間接進行化學鍍膜的方法製備電鍍種子層(化學鍍鎳合金層)，相對離子濺射的方法，膜層厚度沿深度方向分布均勻；可以避免濺射方法可能造成的沉積盲區，從而避免後續電鍍過程中產生缺陷。
[0017]4、本發明利用化學鍍膜製備擴散阻擋層(化學鍍鎳合金層)，該鍍層能夠較好地阻止銅元素向基體的擴散。
[0018]5、本發明利用化學鍍膜製備電鍍種子層，能夠實現無孔洞缺陷的電鍍填充，並且電鍍填充與該化學鍍層具有良好的結合力。
[0019]6、本發明採用在通孔側壁化學鍍膜的方法製備電鍍種子層，可以廣泛應用於微電子和微機電製造領域，特別適用於三維封裝的矽通孔填充技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為現有技術基於矽通孔技術的晶片疊層封裝示意圖。
[0021]圖2為本發明實施例1矽基體深徑比為6的盲孔結構示意圖。
[0022]圖3為本發明實施例2矽基體深徑比為8的貫穿孔結構示意圖。
[0023]圖4為本發明實施例3矽基體深徑比為10的盲孔結構示意圖。
[0024]圖5為本發明實施例4玻璃基體深徑比為4的盲孔結構示意圖。
[0025]圖6為本發明實施例5樹脂基體深徑比為4的貫穿孔結構示意圖。
[0026]圖中:1-基板；2_晶片a ;3_晶片b ；4~晶片c ;5_晶片d ;6_通孔；7_微焊球；8-矽基體；9_ 二氧化矽絕緣層；10_化學鍍鎳層；11_填充的銅；12_玻璃基體；13_樹脂基體；14-鈦薄膜層。
【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]矽基體上製備深徑比6的盲孔:
[0029]選用厚度為400微米的4寸矽晶圓作為基體，利用光刻的方法製作欲刻蝕圖形，其預加工的圖形為直徑20微米的圓孔，孔間距為50微米。為保證在孔刻蝕過程中，未曝光的保護膠不被完全破壞，一般需要塗厚膠，其厚度在15微米以上。微孔的製作在深離子反應刻蝕設備上進行，刻蝕深度為120微米，因此製備的微孔的深徑比為6。然後利用丙酮除去未曝光的光刻膠，並利用強酸性溶液清洗孔內側壁。然後在孔側壁表面利用化學氣相沉積的方法製備二氧化矽絕緣層，其厚度控制在100納米左右。化學鍍前，對二氧化矽絕緣層表面進行活化處理，使其表面吸附一層具有催化活性的鈀粒子。
[0030]對活化處理後的二氧化矽絕緣層表面進行化學鍍，本實施例中化學渡液為:硫酸鎳20g/L，次亞磷酸鈉10g/L，檸檬酸鈉10g/L，醋酸鈉15g/L，十二烷基硫酸鈉0.35g/L ;通過調整各成分含量使得鍍液PH值在6.5，化學鍍時間為I小時，溫度控制為80°C。化學鍍後，利用去離子水對其長時間清洗，直至去除孔內殘留的化學鍍液。然後以化學鍍鎳合金層為種子層進行電鍍填充，填充的金屬為銅。電鍍填充過程採用的鍍液，其成分及含量為硫酸銅 225g/L、硫酸(98wt.%)55g/L、氯化鈉 50mg/L、SPS2mg/L、PEGlmg/L，並採用正反向脈衝電流，其中，在一個脈衝單元中，正向電流密度為2mA/cm2，時間為100ms，反向電流密度為4mA/cm2，時間為5ms。完成後，該通孔結構示意圖如圖2所示，由外至內依次是:矽基體8，二氧化矽絕緣層9，化學鍍鎳層10，填充的銅11。
[0031]實施例2
[0032]矽基體上製備深徑比8的貫穿孔:
[0033]選用厚度為400微米的4寸矽晶圓作為基體，將晶圓在氧化爐中做氧化處理，在表面製備約50納米厚的二氧化矽保護層，以保證在深孔刻蝕過程中光刻膠不被完全消耗；然後利用光刻的方法在二氧化矽表面製作欲刻蝕圖形，其預加工的圖形為直徑50微米的圓孔，孔間距為100微米。微孔的製作在深離子反應刻蝕設備上進行，刻蝕深度為400微米，即將晶圓完全穿透，形成貫穿孔，所製備的貫穿孔的深徑比為8。利用丙酮除去未曝光的光刻膠，然後利用氫氟酸溶液去除表面二氧化矽層，並利用強酸性溶液清洗孔內側壁。然後在孔側壁表面利用化學氣相沉積的方法製備二氧化矽絕緣層，其厚度控制在100納米左右。然後在二氧化矽絕緣層表面利用化學氣相沉積的方法製備鈦薄膜層，以取得與矽基體更好的結合力。在製備化學鍍鎳層前，對鈦薄膜層進行活化處理，消除表面的氧化膜，並形成一層活性的氟基薄膜。然後對活化處 理後鈦薄膜層進行化學渡，本實施例中化學渡液為硫酸鎳20g/L，次亞磷酸鈉10g/L，檸檬酸鈉10g/L，醋酸鈉15g/L，十二烷基硫酸鈉0.35g/L ;其中:PH值在6.5，化學沉積時間為1.5小時，溫度控制為80°C。化學鍍後，利用去離子水對其長時間清洗，去除孔內殘留的化學鍍液，然後進行電鍍填充，填充的金屬為銅。電鍍填充採用的鍍液其成分及含量為:硫酸銅0.88M、硫酸(98wt.%) 0.54M、氯化鈉20ppm、NTBC50ppm，採用正反向脈衝電流，其中，在一個脈衝單元中，正向電流密度為2mA/cm2，時間為200ms，反向電流密度為4mA/cm2，時間為IOms使其在貫穿孔中間位置沉積速率高於兩端，以獲得更佳的無孔填充效果。該通孔結構示意圖如圖3所示，由外至內依次是:矽基體8，二氧化矽絕緣層9，鈦薄膜層14，化學鍍鎳層10，填充的銅11。
[0034]實施例3
[0035]矽基體上製備深徑比10的盲孔:
[0036]選用厚度為400微米的4寸矽晶圓作為基體，利用光刻的方法製作欲刻蝕圖形，其預加工的圖形為直徑20微米的圓孔，孔間距為50微米。為保證在孔刻蝕過程中，未曝光的保護膠不被完全破壞，一般需要塗厚膠，其厚度在15微米以上。微孔的製作在深離子反應刻蝕設備上進行，刻蝕深度為200微米，因此製備的微孔的深徑比為10。然後利用丙酮除去未曝光的光刻膠，並利用強酸性溶液清洗孔內側壁。然後在孔側壁表面利用化學氣相沉積的方法製備二氧化矽絕緣層，其厚度控制在100納米左右。化學鍍前，需要對二氧化矽表面進行活化處理，使其表面吸附一層具有催化活性的鈀粒子，然後對活化處理後的二氧化矽表面進行化學鍍。化學鍍鍍液為:硫酸鎳15g/L，次亞磷酸鈉15g/L，檸檬酸鈉10g/L，醋酸鈉12g/L，十二烷基硫酸鈉0.5g/L ;其中:PH值在6.5，化學鍍時間為2小時，溫度控制為60°C。化學鍍後，利用去離子水對其長時間清洗，直至去除孔內殘留的化學鍍液，然後進行電鍍填充，填充的金屬為銅。電鍍填充的過程採用鍍液其成分及含量為硫酸銅225g/L、硫酸(98wt.%) 55g/L、氯離子50mg/L、SPS2mg/L、PEGlmg/L ;電鍍過程中採用正反向脈衝電流,其中，在一個脈衝單元中，正向電流密度為2mA/cm2，時間為20ms，反向電流密度為4mA/cm2，時間為1ms。完成後，該通孔結構示意圖如圖4所示，由外至內依次是:矽基體8，二氧化矽絕緣層9，化學鍍鎳層10，填充的銅11。
[0037]實施例4
[0038]玻璃基體上製備深徑比4的貫穿孔:
[0039]選用厚度為200微米的玻璃薄膜作為基體，利用雷射鑽孔方法在玻璃薄膜加工直徑50微米的貫穿孔，孔間距為100微米。製備的微孔的深徑比為4。利用強酸性溶液清洗孔內側壁。在化學鍍前對微孔內壁進行活化處理，在其表面吸附一層具有催化活性的鈀離子，然後在活化後的側壁表面上進行化學鍍。在化學鍍過程中，所使用的鍍液成分為，硫酸鎳16g/L，次亞磷酸鈉10g/L，檸檬酸鈉8g/L，醋酸鈉15g/L，十二烷基硫酸鈉0.2g/L ;其中:PH值在6.5，化學鍍時間為I小時，溫度控制為80°C。化學鍍後，利用去離子水對其長時間清洗，然後進行電鍍填充，填充的金屬為銅。電鍍填充的過程採用鍍液成分及含量為:硫酸銅0.88M、硫酸0.54M、氯化鈉20ppm、NTBC50ppm ;並使用兩正電極板，將樣品置於中間位置；採用正反向脈衝電流，其中，在一個脈衝單元中，正向電流密度為2mA/cm2，時間為100ms，反向電流密度為4mA/cm2，時間為5ms ;這樣使貫穿孔中間位置沉積速率高於兩端，以獲得無空隙的填充效果。通孔結構示意圖如圖5所示，由外至內依次是:玻璃基體12，化學鍍鎳層10，填充的銅11。
[0040]實施例5
[0041]樹脂基體上製備深徑比4的貫穿孔:
[0042] 選用厚度為100微米的樹脂薄膜作為基體，利用雷射鑽孔方法加工直徑20微米的貫穿孔，孔間距為40微米，製備的微孔的深徑比為4。利用超聲波的方法在乙醇溶液裡清洗10分鐘，去除孔內壁由雷射加工形成的殘留物。在化學鍍前對其孔內壁進行活化處理，在其表面吸附一層具有催化活性的鈀離子，然後在活化處理後的微孔側壁表面進行化學鍍。在化學鍍過程中，所使用的鍍液為:硫酸鎳20g/L，次亞磷酸鈉10g/L，檸檬酸鈉10g/L，醋酸鈉15g/L，十二烷基硫酸鈉0.35g/L ;其中:PH值在6.5，化學鍍時間為50分鐘，溫度控制為80°C。化學鍍後，利用去離子水對其長時間清洗，直至去除孔內殘留的化學鍍液，然後進行電鍍填充，填充的金屬為銅。電鍍的過程採用鍍液成分及含量為硫酸銅0.88M、硫酸0.54M、氯化鈉20ppm、NTBC50ppm，並使用兩正電極板，將樣品置於中間位置；採用正反向脈衝電流，其中，在一個脈衝單元中，正向電流密度為2mA/cm2，時間為100ms，反向電流密度為4mA/cm2，時間為5ms ;這樣使貫穿孔中間位置沉積速率高於兩端，以獲得無空隙的填充效果。通孔結構示意圖如圖6所示，由外至內依次是:樹脂基體13，化學鍍鎳層10，填充的銅11。[0043] 以上實施例的詳細描述，旨在便於理解本發明技術方案的實質性特點，並非以此限制本發明實施範圍的大小。上述實施例中，可以通過改變通孔的形狀，如圓柱形/圓錐形，或者方形等，也可以改變通孔的尺寸大小，包括其孔徑，深度以及深徑比等；也可以改變通孔的基體，最普遍應用的為矽基體，也可以為樹脂和玻璃等基體；此外，此利用化學鍍實現擴散阻擋層和電鍍種子層一體化的工藝可以直接在基體側壁或者絕緣層上進行，還包括在其它修飾層上進行。實施例結果表明，該化學鍍層能夠和基體形成良好的結合力，該鍍層在高深徑比的孔壁上分布非常均勻，基本無盲區出現；該化學鍍層與電鍍銅能夠形成良好的結合力，並 能夠實現無孔洞缺陷的銅填充。
【權利要求】
1.一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法，其特徵在於:該方法包括如下步驟: (1)在基體上製備通孔；所述基體材質為矽、玻璃或樹脂； (2)當基體為玻璃或樹脂時，在通孔的側壁表面上製備化學鍍鎳合金層；當基體為矽時，先在通孔的側壁表面上沉積二氧化矽絕緣層，然後在絕緣層表面製備化學鍍鎳合金層，或者在二氧化矽絕緣層表面製備鈦、鎳、鎢或鉻金屬層，然後在金屬層表面製備化學鍍鎳合金層； (3)以化學鍍鎳合金層作為種子層進行電鍍填充。
2.一種基於化學鍍鎳合金的通孔填充方法，其特徵在於:步驟(2)中通過化學鍍的方法製備化學鍍鎳合金層，所述化學鍍的鍍液組成和含量為:硫酸鎳10-30g/L，次亞磷酸鈉8-15g/L，檸檬酸鈉5-20g/L，醋酸鈉10_18g/L，十二烷基硫酸鈉0.l_lg/L，其餘為水；其中:鍍液PH值為6.5。
3.根據權利要求2所述的通孔填充方法，其特徵在於:所述化學鍍時間0.5-2小時，化學鍍溫度60-85 °C。
4.根據權利要求1-3任一所述的通孔填充方法，其特徵在於:所述化學鍍鎳合金層厚度為 100-1000nm。
5.根據權利要求2所述的通孔填充方法，其特徵在於:在化學鍍之前，先對欲化學鍍的表面進行活化處理。
6.根據權利要求1所述的通孔填充方法，其特徵在於:所述電鍍填充，其填充金屬為銅、銅合金、鎳、鎳合金、錫或錫合金。
7.根據權利要求1所述的通孔填充方法，其特徵在於:所述通孔為盲孔或貫穿孔。
8.根據權利要求1-7任一所述的通孔填充方法的應用，其特徵在於:該方法用於微電子三維封裝的矽通孔互連技術，或者用於玻璃或樹脂基體的通孔連接技術。
【文檔編號】H01L21/768GK103904022SQ201210570600
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月25日 優先權日:2012年12月25日
【發明者】祝清省, 劉志權, 郭敬東, 張磊, 曹麗華 申請人:中國科學院金屬研究所