审视独特TSV、电镀挑战

陶氏化学电子材料先进封装技术部门

由于工艺时间长、高深宽比，硅通孔 (TSV) 存在一些独特的电镀问题，有必要对此进行详细探讨。

图 1：硅通孔 (TSV) 电镀中非优化型孔填充工艺（顶部）与优化型孔填充工艺（底部）图示
 

负责设计具有硅通孔 (TSV) 的晶圆制造工艺工程师知晓硅通孔填充是制造工艺中花费时间最长的步骤之一。工程师自然希望通过提高电流密度来获得更高的产出量，不过速度较快、不受控的填充经常会导致可靠性降低、增加化学机械研磨 (CMP) 成本。

劣质硅通孔 (TSV) 电镀示例

图 2：劣质硅通孔 (TSV) 电镀示例：出现中缝空隙
 

高电流密度会影响通孔电镀，导致出现中缝空隙。填孔速度越快，就越容易出现这种空隙，通孔的顶部也越容易出现铜过剩现象（覆盖层）。

图 3：劣质硅通孔 (TSV) 电镀示例：有底部空隙（左）和夹断空隙（右）
 

添加剂选择不当或电镀槽中的添加剂浓度不正确都可导致硅通孔 (TSV) 电镀不可控或不全面。通孔润湿不当会导致底部出现空隙（左），种子层低覆盖率也会导致这种空隙出现。由于相对于通孔底部的电镀速度，通孔侧边和顶部的电镀率未充分降低，因此通孔顶部未极化可导致出现夹断空隙（右）。（请见铜电镀基础辅导材料。）

正确填充的硅通孔 (TSV) 示例

图 4：正确的自下而上通孔填充示例（测试验仪器：应用材料公司 (Applied Materials)）
 

正确选择添加剂对在高电流密度下实现最优无空隙填充而言十分重要。合适的材料可实现自下而上快速、（例如，对于 5x50 µm 通孔，填充需要 20 分钟；对于 10x100 µm 通孔，填充时间不到 1 小时）可靠的填孔。通孔开口的高度极化对达到理想的填充效果至关重要。

图 5：硅通孔 (TSV) 电镀期间低覆盖层示例（测试验仪器：应用材料公司 (Applied Materials)）
 

填充效果最佳的通孔其覆盖层很低，从而减少材料新层沉积前所需的后续化学机械研磨 (CMP) 时间。化学机械研磨 (CMP) 时间的减少有助于降低材料成本与处理成本。

电镀槽稳定性的重要性

图 6：不稳定的通孔填充工艺与稳定的通孔填充工艺图示
 

电镀槽稳定性对硅通孔 (TSV) 电镀而言又是一项挑战。新电镀槽的质量可能非常好，不过有机添加剂的分解会产生多余的副产品，这些副产品可能导致通孔出现空隙。

图 7：由于电镀槽不稳定导致硅通孔 (TSV) 填充不充分的示例
 

通孔填充不充分是电镀槽不稳定的最初表象之一。添加剂分解会导致不完全极化，这会造成铜沉积在表面而非全部沉积在通孔中。

图 8：稳定的电镀槽随时间推移提供硅通孔 (TSV) 最佳电镀性能的示例（来源：应用材料公司 (Applied Materials)）
 

要在数千个晶圆上实现稳定工艺并非易事，不过利用优化型电解液以及电镀工具专用的添加剂封装技术可实现这一目标。优化型电镀槽可实现超过 40 安培小时/升的稳定性，这足以加工通孔大小为 5x50 µm 的 10,000 个晶圆或通孔大小为 10x100 µm 的 4,000 个晶圆。

铜纯度效应

图 9：硅通孔 (TSV) 中高纯度铜退火示例（来源：应用材料公司 (Applied Materials)）
 

电镀铜中的杂质含量对退火后其性能产生影响。退火应在不导致出现空隙的情况下对铜粒结构进行优化，电镀槽中如杂质过多会出现一些问题。研究表明杂质含量少于 25 ppm 的电镀铜在退火后可保持无空隙填充效果，而低纯度材料则无法实现这一点。

制造可靠且高产量的硅通孔 (TSV) 可能较为困难，不过利用合适的电镀材料可以攻克这一问题。

此文章原出处为：http://blog.dowelectronicmaterials.com/en/posts/2017/01/examining-unique-plating-challenges-of-tsvs