一种提高TSV热机械可靠性的复合结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种TSV复合结构，包括：形成在晶圆上的盲孔；设置在所述盲孔内表面上的绝缘层；以及填充所述盲孔的导电金属，所述导电金属包括处于顶部的细晶区以及处于中部和底部为粗晶区，所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径。

【技术实现步骤摘要】
一种提高TSV热机械可靠性的复合结构及其制造方法
本专利技术涉及到三维封装领域，具体涉及一种提高TSV热机械可靠性的复合结构及其制造方法。
技术介绍
TSV(Through-Silicon-Via，硅通孔)是一种三维立体封装技术，能进一步提高芯片集成度。与传统封装技术相比较，TSV具有更短的互连路径、更小的信号延迟、更低的功耗，是近年来半导体技术最热门的研究方向之一。尽管TSV具有诸多优势，但目前仍存在一些不利因素制约TSV技术的发展，包括制备工艺繁琐复杂，设计软件和方法的缺失，功率密度增加导致的热机械问题，关键工艺与设备问题以及系统测试难题等。其中，热机械可靠性问题对于TSV而言是一个巨大挑战。由于Si和Cu热膨胀系数(CTE)相差较大，封装工艺过程中的热载荷均会引起很大的热应力，甚至会超过Cu的屈服强度，导致Cu产生不可回复的塑性变形，宏观上表现为Cu的凸出和伸入。这种随温度变化的凸出或伸入会造成TSV顶部的重布线层(RDL)的分层，Cu和Si的界面上产生滑移或裂纹，从而降低TSV封装可靠性。传统的电镀工艺中，TSV的微观组织在深度方向上不均匀，其中部和底部的晶粒较大，顶部较小，但这种微观组织不稳定，在受热时就会发生晶粒长大，即使在室温下也会发生一定程度的自退火，这种显微组织的变化会降低TSV的可靠性。为了提高TSV封装的可靠性，往往会在TSV的制造工艺中加入热退火处理，在400℃以上的高温下保温半小时以上，以达到使显微组织稳定的效果，减少TSV在之后受热载时的热变形。但退伙过程中晶粒会长的更加粗壮，其屈服强度会进一步降低，导致Cu抵御变形的能力下降，因而受热载时变形更为剧烈，严重时甚至破坏重布线层，进而引起TSV的失效。而且增加热退火处理后，必须再增加一次CMP工艺，以去除热退火产生的Cu凸起。所以整个工艺流程的时间更长，成本也变的更高。提高Cu的屈服强度可显著减少塑形形变量，而细晶强化是材料科学中最常见的提高屈服强度的方式。Sun等人在Bottom-UpElectrodepositionofLarge-ScaleNanotwinnedCopperwithin3DThroughSiliconVia.Materials(Basel)11,doi:10.3390/ma11020319(2018)中通过直接电镀的方式获得了均匀的纳米孪晶微观组织。在电镀液中加入白明胶增加阴极过电势，并在较低的电流密度下，得到了具有<111>取向的圆柱状纳米孪晶，孪晶的厚度在20nm左右。但这种孪晶结构只在TSV径向上具有细晶强化作用，而且在受热载时，具有取向的孪晶结构因剪切应力而更易发生界面滑移变形，高温时甚至发生晶界滑移。由于TSV中Cu受力不均匀，而织构会加剧TSV变形的不均匀性。
技术实现思路
针对上述工艺中TSV的缺点，根据本专利技术的一个方面，提出了一种提高TSV热机械可靠性的复合结构设计。通过设计Cu在深度方向上的晶粒尺寸变化，达到中部和底部的较大晶粒，而顶部为细晶的复合结构，这种结构可以显著提高TSV顶部区域Cu的屈服强度，减少Cu受热载时的塑性变形，增强TSV可靠性。本专利技术通过形成TSV的复合结构，显著改善了TSV的可靠性，同时还可省去TSV制作过程中的热退火和相应的CMP工艺，能节省时间成本和工艺成本，提高效率，且具有一定的工艺灵活性。根据本专利技术的一个实施例，提供一种TSV复合结构，包括：形成在晶圆上的盲孔；设置在所述盲孔内表面上的绝缘层；以及填充所述盲孔的导电金属，所述导电金属包括处于顶部的细晶区以及处于中部和底部为粗晶区，所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径。在本专利技术的一个实施例中，所述细晶区内分散碳纳米管CNT。在本专利技术的一个实施例中，所述碳纳米管CNT是直径小于10nm，长度小于100nm。在本专利技术的一个实施例中，所述细晶区的晶粒直径在0.05～0.5微米的范围内，所述粗晶区的晶粒直径在0.5～5微米的范围内。在本专利技术的一个实施例中，所述细晶区的高度与TSV的直径的比值在0.2～2之间。根据本专利技术的另一个实施例，提供一种TSV复合结构的制造方法，包括：在晶圆上制作TSV盲孔；在所述TSV盲孔的内表面上形成绝缘层；在所述绝缘层上形成种晶层；在所述种晶层上形成电镀掩膜；进行电镀Cu，填充TSV的底部和中部区域，形成粗晶区；进行Cu/碳纳米管CNT复合电镀，填充TSV的顶部区域，形成细晶区，其中所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径；以及去除掉干膜、绝缘层、种晶层和电镀溢出的Cu部分。在本专利技术的另一个实施例中，电镀Cu的工艺包括：配置基础电镀液：电镀Cu镀液采用甲基磺酸体系，其中甲基磺酸铜80g/L，甲基磺酸20g/L，氯离子50ppm；增加添加剂：加速剂DVF-B5.5ml/L，抑制剂DVF-C20ml/L，整平剂DVF-D5ml/L，并用磁控搅拌器进行搅拌；对晶圆进行预浸润和抽真空处理；将晶圆和Cu阳极平行放入镀液，电压10V，电流10mA/cm2，进行电镀；待TSV底部和中部填充完毕后，取出晶圆并用去离子水冲洗。在本专利技术的另一个实施例中，所述Cu/碳纳米管CNT复合电镀工艺包括：配置基础电镀液：电镀Cu镀液采用甲基磺酸体系，其中甲基磺酸铜80g/L，甲基磺酸20g/L，氯离子50ppm；加入已分散在水中的CNT溶液，50ml/L，并用磁力搅拌器搅拌；对晶圆进行预浸润和抽真空处理；将晶圆和Cu阳极平行放入镀液，电压10V，电流30mA/cm2，进行电镀；待填充完毕后，取出晶圆并清洗。在本专利技术的另一个实施例中，所述去除掉干膜、绝缘层、种晶层和电镀溢出的Cu部分包括：使用氢氧化钠溶液去除干膜层并用去离子水清洗；使用氨水和双氧水的混合液去除Cu种子层3并用去离子水清洗；通过CMP工艺去除电镀溢出的Cu。在本专利技术的另一个实施例中，在所述TSV盲孔的内表面上形成绝缘层包括通过干氧热氧化的方式在晶圆表面以及盲孔的内表面上形成一层二氧化硅层作为绝缘层。与现有的TSV技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过两次电镀，使TSV顶部区域获得细晶结构，提高屈服强度，减少TSV的热变形，提高可靠性。虽然呈现细晶结构，但由于CNT(碳纳米管)的存在，导电性并没有明显降低，CNT作为纤维增强相，提高了机械稳定性。微观上，由于CNT尺寸较小，CNT的存在会阻碍晶界移动，避免细晶的长大，从而达到微观结构的稳定性。附图说明为了进一步阐明本专利技术的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本专利技术的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本专利技术的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。图1示出根据本专利技术的一个实施例的TSV复合结构的横截面示意图。图2示出根据本专利技术的一个实施例的形成TSV复合结构的过程的流程图。图3A至图3I示出根据本专利技术的一个实施例的形成TSV复合结构的过程的横截面示意图。具体实施方式在以下的描述中，参考各实施例对本专利技术进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TSV复合结构，包括：形成在晶圆上的盲孔；设置在所述盲孔内表面上的绝缘层；以及填充所述盲孔的导电金属，所述导电金属包括处于顶部的细晶区以及处于中部和底部为粗晶区，所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径。

【技术特征摘要】
1.一种TSV复合结构，包括：形成在晶圆上的盲孔；设置在所述盲孔内表面上的绝缘层；以及填充所述盲孔的导电金属，所述导电金属包括处于顶部的细晶区以及处于中部和底部为粗晶区，所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径。2.如权利要求1所述的TSV复合结构，其特征在于，所述细晶区内分散碳纳米管CNT。3.如权利要求2所述的TSV复合结构，其特征在于，所述碳纳米管CNT是直径小于10nm，长度小于100nm。4.如权利要求1所述的TSV复合结构，其特征在于，所述细晶区的晶粒直径在0.05～0.5微米的范围内，所述粗晶区的晶粒直径在0.5～5微米的范围内。5.如权利要求1所述的TSV复合结构，其特征在于，所述细晶区的高度与TSV的直径的比值在0.2～2之间。6.一种TSV复合结构的制造方法，包括：在晶圆上制作TSV盲孔；在所述TSV盲孔的内表面上形成绝缘层；在所述绝缘层上形成种晶层；在所述种晶层上形成电镀掩膜；进行电镀Cu，填充TSV的底部和中部区域，形成粗晶区；进行Cu/碳纳米管CNT复合电镀，填充TSV的顶部区域，形成细晶区，其中所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径；以及去除掉干膜、绝缘层、种晶层和电镀溢出的Cu部分。7.如权利要求6所述的TSV复合结构的制造方法，其特征在于，电镀Cu的工艺包括：配置基础电镀液：电镀Cu镀液采用甲基磺酸体系，其中甲基磺酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚明山，王艳，孙云娜，丁桂甫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31