一种TSV/TGV微通孔金属化方法

本发明属于晶圆级封装，具体涉及一种tsv/tgv微通孔金属化方法。

背景技术：

1、tsv/tgv技术通过在硅芯片/裸硅衬底上、或玻璃衬底上制作微通孔，提供贯穿两表面之间的电互连，在2.5d、mems晶圆级封装中应用前景广泛。但是tsv/tgv互连技术自身也面临一些瓶颈，最关键的便是tsv/tgv金属化问题。tsv/tgv孔金属化技术有三类：电镀、化学镀、填充电子浆料。其中化学镀和填充电子浆料方案存在填充效率、工艺难度、导电性能等问题，尚处于研究开发中。铜具有优异的延展性、电阻率、导热率等特性，电镀铜填充工艺可延续利用pcb、硅cmos大马士革工艺等技术积累，降低工艺开发难度，兼具性能和成本上的优势，是主流的通孔金属化方案。

2、目前，主要的tsv/tgv通孔电镀铜填充生长模式，有保形填充、实心填充和部分填充。保形填充可延续利用pcb板等通孔互连工艺制程，目前主要的研究机构有美国佐治亚理工大学、弗罗里达大学，日本dnp公司，国内的厦门大学、云天半导体等，但保形填充缺乏气密性，需要通过填充pi、bcb等介质材料进行改善，同时表面存在微孔凹陷限制其布线密度及精度。实心填充主要采用盲孔填充，具有优异的电学性能和良好的气密性，但是cte失配导致热力学可靠性原因，使得其直径一般小于50微米，深宽比小于10。也有学者提出通过将带通孔的晶圆键合至表面有种子层的晶圆上，接着进行电镀工艺，自下向上生长，实现实心填充，如：美国康宁公司、美国国家研究院、韩国东亚大学等机构。但实心填充的工艺难度大，对镀液和机台均有较高要求，还要结合cmp、临时键合等工艺，大大增加了电镀填充的成本。

3、为了综合实心填充气密性好和保形填充工艺难度低的优势，提出了电镀实现部分实心填充的概念，即在通孔内某些位置为实心填充，某些位置为保形填充，最大限度的降低电镀填充的成本和时间。主要的技术方法可以分为三种，一种是借助孔型，如采用激光诱导打孔工艺在af32型号玻璃中制作x形孔中，通过双面保形电镀在孔径较小的位置实现密封，如美国康宁公司等。该方法受限于激光诱导打孔工艺原理，在其他类型玻璃上难以实现x型加工；一种是开发新型电镀添加剂，改变孔内电位分布，加快孔中间铜层沉积速度，使通孔首先在中间交连，双面电镀两个盲孔加厚实心填充高度，如纽约州立大学。该方法对镀液性能要求高，部分添加剂需要国外进口，同时表面存在微孔凹陷限制了布线密度及精度；第三种是先双面保形电镀加厚通孔侧壁铜层，然后更换镀液利用开口表面及侧壁铜层横向生长填实孔口，如日本dnp公司。该方法虽然降低了对镀液性能的要求，但电镀工艺步骤复杂，需要2种镀液体系匹配，而且实心填充厚度小，气密性表现一般。

4、因此非常有必要开发一种新的部分实心填充的方法，以满足更高的2.5d、mems晶圆级封装要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种tsv/tgv微通孔金属化方法。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：一种tsv/tgv微通孔金属化方法，具体包括如下步骤：

3、s1：对衬底材料进行清洗，去除表面的油污、灰尘等杂质，使衬底表面保持洁净；

4、s2：将清洗好的衬底材料进行烘干，根据设计的图案进行打孔；打孔完成后，用表面活性剂、乙醇、异丙醇等在超声条件下进行清洗，清洗完成后进行烘干；

5、s3：对衬底材料表面以及通孔进行绝缘层的沉积，防止电气信号泄露；

6、s4：对衬底材料表面以及通孔进行阻挡层和种子层的沉积；

7、s5：利用夹具夹持衬底材料，然后将衬底材料放入浸润槽中，然后对浸润槽进行抽真空，持续时间为20-60min,直至衬底表面没有气泡产生；由于衬底材料中通孔深宽比较大，通孔内部电镀液难以进入，容易产生孔洞等缺陷；通过抽真空可使去离子水进入通孔内部，便于下一步镀液的相互交换，减少填充缺陷；

8、s6：设置多段电流密度和时间进行电镀。

9、以上方法适合除玻璃衬底以外所有衬底材料。

10、进一步地，步骤s1中依次用丙酮、乙醇和去离子水在超声波的作用下对衬底材料进行清洗5-20min。

11、进一步地，所述步骤s3中tsv孔绝缘层材料主要有氧化硅、氮化硅、有机聚合物等，所述氧化硅可以通过氧化工艺、低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等工艺制作，所述氮化硅可以通过lpcvd、pecvd等工艺制作，所述有机聚合物可以通过物理气相沉积、旋转涂覆等方法制作。

12、进一步地，所述步骤s4中阻挡层的材料主要有ta、tan/ta、tin、tiw、cr、ti等中的一种或多种。

13、进一步地，步骤s4中，阻挡层和种子层的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、e-graft等中的一种。

14、进一步地，步骤s6中电流密度主要分为三个阶段，第一阶段为保形填充阶段，增加铜层厚度，第二阶段为通孔内部桥连阶段，通过调整电流密度精准控制实心填充位置，第三阶段为“v”型或“自下而上”填充阶段，实现实心填充端的完全填充。

15、进一步地，所述步骤s4沉积阻挡层和种子层后对衬底材料进行检测确保其导电，衬底材料导电，即可保证种子层完全覆盖通孔内壁，确保后续通电后，镀铜能够完全充满玻璃通孔；可采用万用欧姆表检测衬底材料是否导电。

16、进一步地，步骤s5中电镀所用的电镀液的组成包括30-200g/l铜离子、5-300g/l硫酸、20-150mg/l氯离子、1-30m1/l光亮剂、1-50m1/l抑制剂和1-30m1/l整平剂。

17、更进一步地，所述光亮剂是含硫化合物,包含聚二硫二丙烷磺酸钠、醇硫基丙烷磺酸钠、苯基二硫丙烷磺酸钠、二甲基甲酷胺基丙烷磺酸钠3-(苯骈唾-2-硫基)丙烷磺酸钠、3-硫基-1-丙磺酸钠盐以及二甲基-二硫甲胺磺酸中的一种或几种的组合。

18、更进一步地，所述抑制剂是含氧化合物,包含分子量分别为400、1000、6000和20000的聚乙二醇,脂肪醇烷氧基化物、氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物中的一种或几种的组合。

19、更进一步地，所述整平剂为硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿中的一种或几种的组合,与不同分子量脂肪醇聚氧乙烯醚系列、醚系列、乳化剂系列中的一种或几种的组合。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

21、1、本发明通过设置多段电流密度和时间，调整通孔两端的电力线密度，精准控制桥连位置，完成多种方法的部分实心填充；

22、2、本发明方法简单、实施难度低，适用于多种镀液，气密性好。

技术特征：

1.一种tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s1中清洗依次用丙酮、乙醇和去离子水在超声波的作用下进行，清洗时间为5-20min。

3.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s2中采用表面活性剂、乙醇、异丙醇中的一种或多种进行清洗。

4.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s3中tsv孔绝缘层材料包括氧化硅、氮化硅、有机聚合物中的一种，所述氧化硅通过氧化工艺、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积制作，所述氮化硅通过lpcvd或pecvd工艺制作，所述有机聚合物通过物理气相沉积或旋转涂覆方法制作。

5.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s4中阻挡层的材料包括ta、tan/ta、tin、tiw、cr、ti中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s4中阻挡层和种子层的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、e-graft中的一种。

7.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s6中电流密度主要分为三个阶段，第一阶段为保形填充阶段，第二阶段为通孔内部桥连阶段，第三阶段为“v”型或“自下而上”填充阶段。

8.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s4沉积阻挡层和种子层后对衬底材料进行检测确保其导电。

9.如权利要求1所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述步骤s5中电镀所用的电镀液的组成包括30-200g/l铜离子、5-300g/l硫酸、20-150mg/l氯离子、1-30m1/l光亮剂、1-50m1/l抑制剂和1-30m1/l整平剂。

10.如权利要求9所述的tsv/tgv微通孔金属化方法，其特征在于，所述光亮剂是含硫化合物，所述抑制剂是含氧化合物，所述整平剂为硫脲类化合物、烷基吡啶类化合物、烟鲁绿中的一种或几种,或不同分子量脂肪醇聚氧乙烯醚系列、醚系列、乳化剂系列中的一种或几种。

技术总结
本发明属于晶圆级封装技术领域，具体公开了一种TSV/TGV微通孔金属化方法，具体包括：清洗衬底材料保持衬底表面洁净；将衬底材料烘干后打孔，打孔完成后再进行清洗烘干；对衬底材料表面以及通孔进行绝缘层的沉积；对衬底材料表面以及通孔进行阻挡层和种子层的沉积；将衬底材料放入浸润槽中，然后对浸润槽进行抽真空，持续时间为20‑60min,直至衬底表面没有气泡产生；设置多段电流密度和时间进行电镀。本发明通过设置多段电流密度和时间，调整通孔两端的电力线密度，精准控制桥连位置，完成多种方法的部分实心填充。

技术研发人员：马盛林,王翌旭,王燕,陈路明
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15