书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：TSV芯片中超临界二氧化碳电镀铜参数的研究
编号：JFKJ-21-
作者：炬丰科技
关键词:超临界二氧化碳，电镀铜，TSV，密封
摘要
本研究使用超临界电镀来填充芯片中的硅通孔。本研究利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICPRIE)工艺技术刻蚀硅通孔，讨论了不同的超临界CO2电镀参数，如超临界压力、电镀电流密度对TSV铜柱填充时间、伏安曲线、电阻和气密性的影响。此外，上述所有测试的结果都与传统电镀技术的结果进行了比较。对于测试，我们将首先讨论TSV铜柱的密封性，使用氦泄漏测试设备来评估制造的TSV铜柱的真空密封。此外，本研究还对电气特性进行了测试，包括测量TSV在水平方向两端的电阻，然后通过大电流(10A，由于探头限制)，以检查TSV是否能够承受而不烧毁。最后，将TSV的横截面切成两半，以观察超临界电镀对铜柱的填充，并检查空隙。这项研究的重要特点是使用超临界电镀工艺，不添加任何表面活性剂来帮助填充硅氧烷，而是利用超临界流体的高渗透性和低表面张力来实现我们的目标。这项研究的结果表明，超临界压力为磅/平方英寸，电流密度为3安DM2，提供了最佳的电镀填充和密封性，同时还能够承受10安的高电流，电镀时间相对较短，为3小时与我们自己的传统直流电镀相比。
介绍
与传统的2D平面布线方法相比，3D结构具有增加芯片有效布线面积的优势，并且制造技术集中在多层方法、在垂直方向堆叠层以及增加晶体管的连接密度上。通过利用集成电路多层区域的这种方法，我们可以降低成本、封装空间、体积和重量。3D集成电路具有以下优点:(1)更密集的集成电路设计，(2)减少连接长度，从而提高速度(3)将不同的制造工艺和器件集成在一起。我们相信，由于3D集成电路的最新发展及其集中度的提高，摩尔定律将继续主导行业，3D集成电路的关键技术是硅通孔(TSV)。
在本研究中，我们提出并讨论了在不同电镀参数下的硅通孔的电镀，并表明即使不添加任何表面活性剂来辅助该过程，电镀液也能有效地流入TSV微孔。讨论了改变超临界压力和电镀电流密度对TSV加工的影响。
制作工艺
TSV制造工艺如图1所示
本研究使用的实验设备如图3所示；我们使用强磁铁将TSV芯片和(蒸发后)导电铜衬底紧密固定，然后使用PR将芯片和衬底暂时粘合在一起。下一步是放入对流烘箱(温度:85℃)中1小时以干燥PR。接下来的步骤是电镀过程本身，首先将CO2泵入电镀室，然后增加压力，直到压力高到足以进入超临界状态(磅/平方英寸)。之后，我们开始磁力搅拌并混合30分钟，以获得更稳定的超临界乳液，并应用不同的参数进行电镀过程。在铜塞出来并且在TSV芯片的表面上可见之后，电镀室的压力将被释放并且被带回到大气压力。最后一步是取回TSV芯片并分离导电铜衬底。
芯片测试
在本节中，我们将使用氦泄漏测试设备来测试电镀TSV铜柱的气密性。氦泄漏试验装置的基本工作原理是将的一端置于真空环境中，另一端通过探针泵入少量氦气体；我们将检查he是否能穿过铜柱上的任何小裂缝并进入真空室，如图4所示.使用氦作为传感器气体的原因是因为它是一种在环境空气中不常见的气体，所以即使在测试时有少量，如果TSV铜柱有裂纹或实际上没有完全填充，氦将穿过裂纹并进入真空侧，在那里传感器检测到它的存在，产生确认裂纹存在或微孔没有完全填充的信号。选择何进行测试的另一个原因是，与其他气体相比，它的原子半径非常小，因此它可以进入并穿过非常小的间隙。实际氦气泄漏测试的图片如图5所示.图6显示了一个TSV氦泄漏密封性测试结果的例子。
在本节中，使用四点电阻装置测量了TSV铜柱的电阻，如图7所示。在TSV芯片的两侧进行水平接触，如图8所示。四点设置通过测量两个不同的点提供了电流和电压电极的分离，这消除了布线和接触电阻的阻抗贡献。本研究测量并比较了不同电镀参数下填充的TSV铜柱的电阻，以及超临界压力与测量的TSV电阻之间的关系，如图9所示。
电流密度与电镀时间的关系如图15所示。因为更高的电流密度导致更快的电沉积过程，所以当电流密度从最低(3aDM2)到最高(7aDM2)时，电镀所需的时间有明显减少的趋势。但是超临界电镀仍然比传统电镀相对更快，因为超临界电镀具有CO2微气泡的影响，它们可以流入微孔中进行超临界电镀。在传统电镀中没有这种效果，使得电镀液更难流入微孔。因此，与传统电镀方法相比，超临界电镀方法具有缩短制造所需时间的优点，并且无需添加任何表面活性剂来辅助电镀，可以在相对短的时间内实现更完全的TSV填充效果。
结论
本研究采用超临界电镀方法填充TSV微孔，讨论了超临界压力和电流密度对TSV铜柱质量的影响。从测量结果我们得出结论，对于超临界电镀的硅钒电池，在磅/平方英寸的压力参数下达到最佳气密性值；从四点电阻测量中发现，对于psi的压力参数和3aDM2的电流密度，最小电阻为0.ω.可以得出结论，无论压力值如何，当电流密度为3aDM-2时，或者无论电流密度如何，当压力为psi时，TSV铜柱可以传导10A的大电流而不会烧毁。此外，考虑到电镀所需的时间，超临界方法在所有情况下都比传统方法有优势，当超临界压力为磅/平方英寸(7安·分·秒2)时，电镀所需的时间最短(仅3小时)。总之，本研究发现的最佳参数是在磅/平方英寸的超临界压力和3aDM2的电流密度下.没有添加任何表面活性剂来辅助电镀，但只有利用超临界流体的特殊性质(如低表面张力和高渗透性)，通过简单的直流电源设置，我们才能成功制造出完全完整、密集封装的TSV铜柱。
