本發(fā)明涉及先進(jìn)封裝和異質(zhì)集成，特別涉及一種混合型硅通孔及其快速金屬化方法。
背景技術(shù)：
1、面對物理極限、技術(shù)手段和經(jīng)濟(jì)成本的三種挑戰(zhàn)，通過縮小半導(dǎo)體器件的特征尺寸來延續(xù)“摩爾定律”已經(jīng)變得愈發(fā)困難。作為拓展和超越“摩爾定律”最重要的途徑之一，異質(zhì)集成可以依托先進(jìn)的封裝技術(shù)，將不同材料、不同功能、不同代工廠生產(chǎn)、不同特征尺寸的芯片，以并排或堆疊的方式緊密地集成在同一塊封裝基板上，實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝。相較于傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)，異質(zhì)集成在不使用高精度級紫外光刻機(jī)和光刻膠的前提下，可以充分整合不同芯片各自的優(yōu)勢，使整個芯片系統(tǒng)具備更多的功能、更快的信息處理速度、更大的信息吞吐量。
2、在異質(zhì)集成架構(gòu)中，硅通孔(through?silicon?via,tsv)是實現(xiàn)堆疊芯片間信號傳輸最有效的途徑。由里及外，其結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電層、種子層、阻擋層和絕緣層：導(dǎo)電層負(fù)責(zé)堆疊芯片間垂直電信號的傳輸，其作用最為關(guān)鍵。種子層作為導(dǎo)電的起始層，具有良好的導(dǎo)電性，能在電鍍過程中吸附電鍍液中的銅離子。阻擋層不僅能防止金屬銅滲透到硅(si)或二氧化硅(sio2)中，還能增強(qiáng)絕緣層和種子層間的結(jié)合力。絕緣層能將兩相鄰硅通孔電氣絕緣，從而避免短路的發(fā)生。為使硅通孔具備良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)電層的材料和制備至關(guān)重要。通常情況下，導(dǎo)電層材料為金屬銅，因為其具備高導(dǎo)電率；對應(yīng)的制備方法為電鍍，因為其成本相對低廉。
3、由于孔狀結(jié)構(gòu)的特殊性，在適形電鍍過程中，銅離子更趨向于在孔的開口處而非內(nèi)部聚集，從而導(dǎo)致孔內(nèi)部填充不完全而留有空隙。目前，針對該問題，常見的解決方案有三種：第一種，使用添加劑；第二種，優(yōu)化電流參數(shù)；第三種，采用自底向上填充。在第一種方案中，添加劑有三類，分別是促進(jìn)銅離子沉積的加速劑、減緩銅離子沉積的抑制劑和整平劑。加速劑常為含硫小分子化合物，如聚二硫二丙烷磺酸鈉(sps)等。因其具有強(qiáng)吸附性與特殊的硫活性基團(tuán)，此類物質(zhì)易吸附在孔底部，因而可以加速該區(qū)域銅的生長。抑制劑常為長鏈聚合物，如聚乙二醇等。因其分子量大，此類物質(zhì)易聚集在孔頸(即孔內(nèi)中上部)而難以擴(kuò)散至孔底，因而可以減緩孔頸處的銅沉積，防止孔過早閉合。整平劑是具有胺官能團(tuán)或芳香環(huán)的聚合物，主要分布在襯底表面而非孔內(nèi)部。此類物質(zhì)能阻擋加速劑在襯底表面的附著，因此同樣能減少該處的銅沉積。然而，此方案也存在不足之處：第一，添加劑的濃度隨著孔尺寸的不同而變化，因此需要大量的前期試驗才能找到合適的配比。第二，某些添加劑若是使用或回收不當(dāng)，可能對環(huán)境造成重大污染。第三，添加劑的功效并非沒有上限，相較于其它加工步驟，電鍍?nèi)匀惠^為耗時；而且，對于超高深寬比(例如20比1)的硅通孔，即使加入添加劑，也可能出現(xiàn)填充不完全的情況。第二種方案的基本原理是用脈沖電流替代傳統(tǒng)的單向直流，即在待鍍的晶圓和靶材間，周期性施加較大的正向電流和較小的反向電流。在正向電流期間，銅離子的沉積速度在孔口較孔內(nèi)更高，因此孔趨向于閉合；在反向電流期間，銅離子的析出速度在孔口較孔內(nèi)也更高，因此孔的閉合趨勢得到抑制。通過優(yōu)化正向和反向電流的大小和持續(xù)時間，便可實現(xiàn)完全填充。然而，反向電流的引入，無法避免地拉長了總電鍍時間，不利于批量生產(chǎn)。第三種方案的基本原理是只在孔的一端引入種子層，即將通孔晶圓粘接到表面鍍銅的載物晶圓上，這樣銅離子便可實現(xiàn)自底向上沉積。此種方案同樣具有電鍍時間過長的問題，因此只適合低深度的通孔。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種混合型硅通孔及其快速金屬化方法，要解決的技術(shù)問題是如何兼顧高填充質(zhì)量和短填充時間，通過對混合型硅通孔的導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用電鍍層和導(dǎo)電聚合物層作為導(dǎo)電層，以使得在其金屬化過程中，可消除硅通孔在電鍍過程中可能會出現(xiàn)的空隙，并加快其填充速度。以此本發(fā)明可為異質(zhì)集成和光電共封裝的大規(guī)模應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
2、為了達(dá)到上述目的，采用的技術(shù)方案如下：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種混合型硅通孔，包括自內(nèi)而外依次設(shè)置的導(dǎo)電聚合物層、電鍍層、種子層、阻擋層和絕緣層。
4、進(jìn)一步地，所述電鍍層為銅層，所述絕緣層為二氧化硅，所述阻擋層為鎢化鈦，所述種子層為銅。
5、第二方面，本發(fā)明提供一種如上所述的混合型硅通孔的快速金屬化方法，所述方法包括：
6、在襯底上刻蝕硅通孔；其中，所述襯底為晶圓；
7、在所述硅通孔內(nèi)沉積薄膜；其中，沉積薄膜的方式包括：在所述硅通孔內(nèi)生長二氧化硅作為絕緣層，并分別從正反兩面沉積鎢化鈦和銅作為阻擋層和種子層；
8、對刻蝕有硅通孔并沉積薄膜后的晶圓進(jìn)行清洗，將清洗后的晶圓放入電鍍設(shè)備中進(jìn)行銅填充，以形成電鍍層；
9、在所述晶圓表面旋涂液態(tài)的導(dǎo)電聚合物，并利用真空設(shè)備在所述硅通孔上下兩端形成氣壓差，在所述氣壓差的驅(qū)動下，將所述液態(tài)的導(dǎo)電聚合物吸入至所述硅通孔內(nèi)未被電鍍的區(qū)域，將晶圓置于設(shè)定溫度的環(huán)境中，以使液態(tài)的導(dǎo)電聚合物凝固于硅通孔中，形成導(dǎo)電聚合物層。
10、進(jìn)一步地，通過如下方式在襯底上刻蝕硅通孔：
11、以雙拋晶圓作為襯底，將襯底先后置于丙酮、異丙醇和去離子水中浸泡，使用氮氣將襯底正反兩面吹干，以實現(xiàn)對襯底表面的清潔；
12、將清洗后的襯底置于180～220攝氏度的環(huán)境中，隨后冷卻至室溫，用以去除晶圓表面附著的水分，促進(jìn)光刻膠與晶圓表面的粘附；
13、在襯底正面旋涂厚度為5～12微米的光刻膠，隨后進(jìn)行曝光和顯影；
14、利用深度反應(yīng)離子刻蝕在襯底上刻蝕出直徑為30～80微米的通孔。
15、進(jìn)一步地，在所述硅通孔內(nèi)生長的二氧化硅的厚度為0.5～1.5微米，從正反兩面沉積鎢化鈦和銅的厚度分別為200～400納米和700～900納米。
16、進(jìn)一步地，通過如下方式對刻蝕有硅通孔并沉積薄膜后的晶圓進(jìn)行清洗：
17、將晶圓先后置于濃度為3％～7％的硫酸溶液和去離子水中浸泡第一時間和第二時間，以去除晶圓表面的氧化銅和雜質(zhì)，從而確保后續(xù)電鍍過程中良好的液體交換；其中，所述第二時間大于所述第一時間。
18、進(jìn)一步地，所述電鍍設(shè)備包括電鍍槽、兩個陽極和一個陰極；其中，所述兩個陽極均與銅靶材相連，分別設(shè)置于所述電鍍槽的左右兩端，所述陰極設(shè)置于所述電鍍槽的中間；在將清洗后的晶圓放入電鍍設(shè)備中進(jìn)行銅填充時，銅離子從兩端同時進(jìn)入通孔中進(jìn)行沉積，待硅通孔開口處銅厚度達(dá)到15～25微米時，將晶圓從電鍍設(shè)備中取出，完成電鍍過程。
19、進(jìn)一步地，利用真空設(shè)備在所述硅通孔上下兩端形成氣壓差的方式包括：
20、將晶圓放入真空輔助吸頭的一端，真空輔助吸頭的另一端與真空泵相連，啟動真空泵，以在所述硅通孔上下兩端形成氣壓差。
21、進(jìn)一步地，在形成導(dǎo)電聚合物層之后，所述方法還包括對晶圓進(jìn)行減薄和拋光。
22、進(jìn)一步地，對晶圓進(jìn)行減薄和拋光的方式包括：
23、用背面減薄設(shè)備處理晶圓正反兩面，用以去除多余的銅層和導(dǎo)電聚合物，用化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備打磨晶圓正反兩面，從而實現(xiàn)硅通孔兩端的平整
24、本發(fā)明的有益效果是：
25、1)相較于傳統(tǒng)的完全依靠電鍍銅進(jìn)行填充的硅通孔，本發(fā)明中提出的混合型硅通孔可以具備更快的填充速度、更好的填充效果(即無內(nèi)部空隙)、更高的深寬比、更低的成本。
26、2)本發(fā)明采用了雙面電鍍，能同時從兩端將銅離子填充至硅通孔內(nèi)，從而加快硅通孔的金屬化過程，也使得超高深寬比硅通孔的制作成為可能。
27、3)本發(fā)明中導(dǎo)電聚合物在真空負(fù)壓的驅(qū)動下，可以快速流入硅通孔中，充分填充未被電鍍到的中心區(qū)域，從而消除可能出現(xiàn)的內(nèi)部空隙。另外，負(fù)壓吸入導(dǎo)電聚合物這種填充方式對孔的深寬比、形貌、內(nèi)壁粗糙度等包容性高；因此，在前期電鍍過程中可以使用更高的電流密度，加快電鍍速度。