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硅圓片通孔金屬填充工藝的制作方法

文檔序號:7043774閱讀:259來源:國知局
專利名稱:硅圓片通孔金屬填充工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種電子元器件封裝技術(shù),特別涉及一種硅圓片通孔金屬填充工藝。
背景技術(shù)
半導(dǎo)體技術(shù)遵循著摩爾定律發(fā)展,其集成度每隔18個月便會增加一倍。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,摩爾定律已經(jīng)開始出現(xiàn)瓶頸。隨著芯片線寬不斷縮小,當(dāng)線寬達到納米級別時,材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化。同時,單個芯片集成度越來越高,發(fā)熱越來越嚴重,將嚴重影響產(chǎn)品的可靠性。并且,隨著芯片線寬的不斷縮小,對制造設(shè)備的性能要求越來越高,造成產(chǎn)品制造成本的急劇上升。但是人們對于電子產(chǎn)品小型化、輕型化的要求卻不可能停止,三維封裝技術(shù)也隨之出現(xiàn),迅速發(fā)展。三維封裝技術(shù)已經(jīng)開始運用到一些電子產(chǎn)品中,例如存儲器等。硅通孔(TSV)技術(shù)是一種新型的高密度、高速、低功耗的三維封裝技術(shù),近年來得到迅速發(fā)展。它是通過在芯片與芯片之間或者晶元與晶元之間制作垂直導(dǎo)通,實現(xiàn)芯片之間垂直互連的一種技術(shù)。硅通孔的金屬填充是TSV技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的金屬填充方法是采用電鍍的方式在通孔中填充銅。但是由于銅與硅的熱失配,造成產(chǎn)品在使用過程中存在很大的熱應(yīng)力,嚴重影響產(chǎn)品的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的缺陷,提供一種硅圓片通孔金屬填充工藝。其特征在于所述硅圓片通孔內(nèi)通過電鍍金屬Sn或Sn合金,或者經(jīng)多次電鍍Sn及其合金金屬,并通過熱處理工藝在硅圓片上的通孔內(nèi)形成的填充金屬,填充工藝包括以下步驟:(1)在硅圓片上刻蝕深孔;(2)在娃圓片表面形成一層絕緣層;(3)在絕緣層表面濺射一層粘附層、阻擋層、種子層;(4)采用光刻工藝暴露出通孔,并利用光刻膠保護硅圓片的其余部分;(5)通過電鍍工藝在孔內(nèi)通過電鍍金屬Sn或Sn合金,或者采用多次電鍍Sn及其合金金屬;(6)利用光刻膠保護通孔填充金屬部分,利用腐蝕工藝去除圓片表面的粘附層,阻擋層和種子層;(7)在惰性氣體的保護下,進行熱處理,最終形成硅圓片通孔內(nèi)的填充金屬。所述步驟(1)的深孔可以是通孔或者是盲孔,孔可以通過反應(yīng)離子刻蝕的方式形成,深寬比范圍為1:1 20: 1,直徑為1um 300um,硅圓片的厚度在30um 600um。上述步驟(2)中的絕緣層可以是二氧化硅或者氮化硅,通過熱氧化或氣相沉積的工藝形成絕緣層。上述步驟(3)中的粘附層的材料為T1、Ni,阻擋層的材料為W、Ta、TaN,種子層為Cu、Sn、N1、Au。上述步驟(5)中可以直接在種子層上先采用Sn或Sn合金電鍍液Ag_Sn、Au-Sn>Cd-Sn> Co-Sn> Cu-Sn> Ni_Sn、Sn-Zn> Pb-Sn, Sn-Ag-Cu 電鍍液,通過電鍍形成 Sn 或 Sn 合金填充金屬,或者在種子層表面先電鍍或沉積形成一層Sn的合金金屬,如Ag、Au、Cd、Co、Cu、N1、Zn,然后采用電鍍Sn工藝在形成的其它金屬上形成一層Sn,通過熱處理工藝形成Sn合金。上述步驟(6)選用不同的腐蝕溶液去除粘附層,阻擋層和種子層。如氯化鐵溶液,氫氟酸溶液。上述步驟(7)中采用的保護氣體為氮氣或氮氫混合氣。所述通孔內(nèi)最終形成的金屬填充物為柱狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所述硅圓片表面刻蝕的孔為盲孔的條件下,則在步驟(7)之后采用機械磨削及化學(xué)機械拋光減薄工藝,對硅圓片進行減薄暴露出金屬填充物。本發(fā)明的優(yōu)點是工藝簡單、具有高電導(dǎo)率、高可靠性的硅圓片通孔金屬填充的方法,為硅通孔(TSV)技術(shù)提供了一條新的解決方案。


圖1-1 (a) (f)實施例一的工藝流程圖;圖1-2 (g) (j)實施例一的工藝流程圖是圖1-1的接續(xù);圖1-3 (k) (m)實施例一的工藝流程圖是圖1_2的接續(xù);圖2-1 (a) (f)實施例二的工藝流程圖;圖2-2 (g) (j)實施例二的工藝流程圖是圖2-1的接續(xù);圖2-3 (k) (η)實施例二的工藝流程圖是圖2_21的接續(xù);圖3(a) (b)實施例三的部分工藝流程圖;圖4(a) (b)實施例四的部分工藝流程圖;圖5(a) (b)實施例五的部分工藝流程圖;圖6(a)實施例六的部分工藝流程圖;圖7(a) (C)實施例七的部分工藝流程圖;圖中:1硅圓片、2通孔、3絕緣層、4粘附層和阻擋層、5種子層、6光刻膠、7通孔周圍一部分空間、8金屬Sn、9盲孔、10金屬Sn環(huán)、11 Sn合金金填充物、12 Sn的合金金屬層、13 Sn合金填充物。
具體實施例方式實施例一下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的實施例:如圖1-1 (a)所示,在硅圓片I上采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或者感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)(ICP)在刻蝕出通孔2,硅圓片I的厚度為30 600微米,該孔可以是圓孔或方孔,深寬比是5:1 20: 1,如圖1(b)所示。采用熱氧化在硅圓片I的表面和通孔2的內(nèi)壁形成一層二氧化硅或者 采用等離子化學(xué)氣相淀積技術(shù)在硅圓片I的表面形成一層氮化硅作為絕緣層3,厚度為0.5um lum,如圖1_1 (c)。在絕緣層3的表面物理氣相淀積技術(shù)(PVD)或濺射工藝沉積一層粘附層和阻擋層4,粘附層的厚度大約為50-500nm,阻擋層厚度為50-500nm,粘附層的材料可以為T1、Ni,阻擋層的材料可以為W、Ta、TaN,如圖1-1 (d)所示。采用物理氣相淀積或化學(xué)氣相淀積或雙面濺射工藝在粘附層和阻擋層4表面沉積一層種子層5,厚度為50-2000nm,種子層5為金屬Sn,如圖1_1 (e)所不。在娃圓片I的上下表面旋涂光刻膠6,如圖1-1 (f)所示。光刻,顯影去掉光刻膠,暴露出通孔2以及通孔2周圍一部分空間7,如圖l_2(g)所不。將整個娃圓片I置于Sn電鍍液中,通電直至在通孔內(nèi)表面種子層上電鍍金屬Sn 8,如圖1-2 (h)。米用有機溶劑如丙酮,去掉光刻膠,如圖1-2 (i)所示。在整個硅圓片I上下表面旋涂光刻膠6,如圖1-2 (j)所示。曝光,顯影去除通孔外圍光刻膠,如圖l-3(k)所示。采用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護粘附層4、種子層5,如圖
1-3(1)所示。采用有機溶液如丙酮去除剩余的光刻膠,如圖1-3(m)所示。最后,在惰性氣氛的保護下采用熱處理,所用的惰性氣體可以為氮氣或氮氫混合氣。實施例二如圖2-1 (a)在硅圓片1,厚度為30 600微米,采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)或者感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)(ICP)刻蝕出一個盲孔9,該孔可以是圓孔或者是方孔,深寬比為5:1 20:1,如圖2-2 (b)所不。米用熱氧化在娃圓片I的表面和盲孔內(nèi)壁形成一層二氧化硅或者采用等離子化學(xué)氣相淀積技術(shù)在硅圓片表面形成一層氮化硅作為絕緣層3,厚度為0.5um lum,參見圖2_2 (c)。在絕緣層表面物理氣相淀積技術(shù)(PVD)或濺射工藝沉積一層粘附層和阻擋層4,粘附層的厚度大約為50-500nm,阻擋層厚度為50_500nm,粘附層的材料可以為T1、Ni,阻擋層的材料可以為W、Ta、TaN,如圖2_1 (d)所示。采用物理氣相淀積或化學(xué)氣相淀積或濺射工藝在粘附層和阻擋層4表面沉積一層種子層5,厚度為50-2000nm,種子層可以是金屬Sn,如圖2-1 (e)所示。采用旋涂方法在硅圓片I的表面涂布光刻膠6,如圖2-1 (f)所示。光刻,顯影去掉光刻膠,暴露出盲孔以及盲孔周圍一部分空間7,如圖
2-2(g)所示。將整個硅圓片I置于Sn電鍍液中,電鍍直至整個盲孔鍍滿,如圖2-2(h)所示。采用有機溶劑如丙酮,去掉光刻膠,如圖2-2(i)所示。在整個硅圓片I的表面旋涂光刻膠6,如圖2-2 (j)所示。曝光,顯影去除通孔外圍光刻膠,如圖2-2 (k)所示。用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護粘附層4、種子層5,如圖2-3 (I)所示。采用有機溶液如丙酮去除剩余的光刻膠,如圖2-3(m)所示。采用機械減薄,對硅圓片I背面進行減薄,直至暴露出金屬填充物,采用化學(xué)機械拋光工藝進行拋光,出去損傷層,如圖2-3(n)所示。最后,在惰性氣氛的保護下采用熱處理工藝,所用的惰性氣體可以為氮氣或氮氫混合氣。實施例三實施例三與實施例一相同,所不同的是在電鍍工藝金屬Sn時,不將孔內(nèi)填充滿,而只是在孔內(nèi)填充出一個金屬Sn環(huán)10,如圖3(a)所示,用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護粘附層4、種子層5后最終得到環(huán)狀金屬填充結(jié)構(gòu),如圖3(b)所示。實施例四實施例四與實施例二相同,所不同的是在電鍍工藝金屬Sn的時,不將孔內(nèi)填充滿,而只是在孔內(nèi)填充出一個金屬Sn環(huán)10,如圖4(a)所示,用腐蝕溶液去除未受光刻膠保護粘附層4、種子層5后最終得到環(huán)狀金屬填充結(jié)構(gòu),如圖4(b)所示。實施例五實施例五與實施例 一相同,所不同的是在電鍍工藝金屬Sn的之前,不利用光刻膠6保護硅圓片I上通孔以外的表面,將通孔內(nèi)連同整個硅圓片都鍍滿金屬Sn,如圖5(a)所示。采用機械磨削及化學(xué)機械拋光的方法,對硅圓片I的正反面進行減薄,最終得到的硅圓片通孔金屬填充結(jié)構(gòu),如圖5(b)所示。實施例六實施例六與實施例一相同,所不同的是采用沉積或濺射工藝制作種子層,種子層的金屬種子層的金屬可以為么8、411工(1、(]0、(]11、祖,211,采用Sn合金電鍍液,如Ag-Sn、Au_Sn、Cd-Sn、Co-Sn、Cu-Sn、N1-Sn、Sn-Zn、Pb-Sn, Sn-Ag-Cu電鍍液,通過在通孔內(nèi)形成電鍍形成Sn合金填充金屬11。如圖6(a)所不。實施例七實施例七與實施例一相同,所不同的是采用沉積或濺射工藝制作種子層,種子層的金屬可以為Ag、Au、Cd、Co、Cu、Ni, Zn,在種子層上電鍍或沉積Sn合金金屬層12,如Ag、Au、Cd、Co、Cu、N1、Zn, Pb,如圖7 (a)所示。再通過電鍍Sn填充通孔,如圖7 (b)所示。在惰性氣氛的保護下進行熱 處理形成Sn合金填充物13,如圖7(c)所示,所用的惰性氣體可以為
氮氣或氮氫混合氣。
權(quán)利要求
1.一種硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述硅圓片通孔內(nèi)通過電鍍金屬Sn或Sn合金,或者經(jīng)多次電鍍Sn及其合金金屬,并通過熱處理工藝在硅圓片上的通孔內(nèi)形成填充金屬,填充工藝步驟如下: (1)在娃圓片上刻蝕深孔; (2)在硅圓片表面形成一層絕緣層; (3)在絕緣層表面濺射一層粘附層、阻擋層、種子層; (4)采用光刻工藝暴露出通孔,并利用光刻膠保護硅圓片的其余部分; (5)通過電鍍工藝在孔內(nèi)經(jīng)一次或者多次電鍍金屬Sn或Sn合金金屬; (6)利用光刻膠保護通孔填充金屬部分,利用腐蝕工藝去除硅圓片表面的粘附層,阻擋層和種子層; (7)在惰性氣體的保護下,進行熱處理,最終形成硅圓片通孔內(nèi)的填充金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述步驟(I)的深孔可以是通孔或者是盲孔,孔可以通過反應(yīng)離子刻蝕的方式形成,深寬比范圍為1:1 20:1,直徑為Ium 300um,娃圓片的厚度在30um 600um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述步驟(2)中的絕緣層可以是二氧化硅或者氮化硅,通過熱氧化或氣相沉積的工藝形成絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述步驟(3)中的粘附層的材料為T1、Ni,阻擋層的材料為W、Ta、TaN,種子層材料為Cu、Sn、N1、Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述步驟(5)中可以直接在種子層上先采用Sn或Sn合金電鍍液Ag-Sn、Au-Sn> Cd-Sn> Co-Sn> Cu-Sn> Ni_Sn、Sn-Zn, Pb-Sn, Sn-Ag-Cu電鍍液,通過電鍍形成Sn或Sn合金填充金屬,或者在種子層表面先電鍍或沉積形成一層Sn的合金金屬,然后米用電鍍Sn工藝在形成的其它金屬上形成一層Sn,通過熱處理工藝形成Sn合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述步驟(6)選用不同的腐蝕溶液去除粘附層,阻擋層和種子層。如氯化鐵溶液,氫氟酸溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述步驟(7)中采用的保護氣體為氮氣或氮氫混合氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述通孔內(nèi)最終形成的金屬填充物為柱狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述硅圓片表面刻蝕的孔為盲孔的條件下,則在步驟(7)之后采用機械磨削及化學(xué)機械拋光減薄工藝,對硅圓片進行減薄暴露出金屬填充物。
全文摘要
一種硅圓片通孔金屬填充工藝,其特征在于所述硅圓片通孔內(nèi)通過電鍍金屬,并通過熱處理工藝在硅圓片上的通孔內(nèi)形成填充金屬,工藝步驟為在硅圓片上刻蝕孔;在硅圓片表面形成一層絕緣層;在絕緣層表面濺射一層粘附層、阻擋層、種子層;采用光刻工藝暴露出孔;經(jīng)電鍍在孔內(nèi)壁形成金屬;利用光刻膠保護通孔填充金屬部分,去除圓片表面的種子層和粘附層;在惰性氣體的保護下進行熱處理,形成通孔內(nèi)填充金屬。本發(fā)明的優(yōu)點是工藝簡單、具有高電導(dǎo)率、高可靠性的硅圓片通孔金屬填充的方法,為硅通孔(TSV)技術(shù)提供了一條新的解決方案。
文檔編號H01L21/768GK103219278SQ20121001786
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者劉勝, 陳照輝, 陳潤 申請人:劉勝
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