本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造和電子封裝領(lǐng)域,具體涉及一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)及成型方法。
背景技術(shù):
通過(guò)半導(dǎo)體導(dǎo)通孔的鍍銅填充來(lái)實(shí)現(xiàn)3D疊層電子封裝是今后重要的電子封裝形式,但對(duì)于大深寬比的導(dǎo)通孔很難實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷鍍銅填充。這是由于傳統(tǒng)的孔填充是采用定電流的方法,用此方法容易發(fā)生提前封口現(xiàn)象,無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的孔填充,尤其是對(duì)大深寬比的導(dǎo)通孔。由于孔填充問(wèn)題造成的縫隙、孔洞在后期的封裝過(guò)程中會(huì)造成應(yīng)力集中,對(duì)產(chǎn)品可靠性造成極大的危害。
盡管目前的方法已經(jīng)在優(yōu)化孔填充問(wèn)題上取得了很大的進(jìn)展,但是對(duì)于如何徹底解決孔內(nèi)缺陷仍存在問(wèn)題。所以,研發(fā)一種新的方法避免孔內(nèi)缺陷顯得尤為重要。在未完全鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)聚合物,一方面降低了鍍銅工藝的工藝要求,節(jié)省工藝成本;另一方面能夠避免鍍銅填充時(shí)的孔內(nèi)缺陷,在后續(xù)封裝過(guò)程中起到熱應(yīng)力緩沖的作用。因而在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)具有重大應(yīng)用價(jià)值,可廣泛用于各種高端電子制造領(lǐng)域,尤其可應(yīng)用于大深寬比的導(dǎo)通孔中。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)及成型方法,以解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述問(wèn)題。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
第一方面,本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),包括半導(dǎo)體基材,其中,所述半導(dǎo)體基材上設(shè)有若干盲孔或通孔,所述盲孔或通孔內(nèi)部分填充有鍍銅層,所述鍍銅層上化學(xué)接枝有有機(jī)聚合物,在填充了銅和有機(jī)聚合物的基材表面設(shè)有微凸點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)可避免鍍銅填充時(shí)的孔內(nèi)缺陷,在后續(xù)封裝過(guò)程中起到熱應(yīng)力緩沖的作用;在填充了銅和有機(jī)聚合物的基材表面設(shè)有微凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)3D芯片堆疊。
作為優(yōu)選方案,所述半導(dǎo)體基材的類(lèi)型為n型或p型。
作為優(yōu)選方案,所述半導(dǎo)體基材為單質(zhì)半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體。
作為優(yōu)選方案,所述盲孔或通孔的直徑均不超過(guò)50μm,深寬比均不超過(guò)20:1。
作為優(yōu)選方案,所述盲孔或通孔和鍍銅層之間還依次設(shè)有絕緣層和阻擋層。
作為優(yōu)選方案,所述微凸點(diǎn)包括銅柱和焊帽,銅柱、焊帽與TSV結(jié)構(gòu)之間通過(guò)布線(xiàn)層形成電性能互連。布線(xiàn)層的結(jié)構(gòu)與形成機(jī)理可參考《TSV三維系統(tǒng)級(jí)封裝中的RDL工藝及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究》,北京大學(xué)碩士論文,2012,作者:崔卿虎。
第二方面,本發(fā)明還提供了一種如前述的半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)的成型方法,其包括如下步驟:
將具有銅鍍層的半導(dǎo)體基材置于化學(xué)鍍液中進(jìn)行化學(xué)接枝,在所述銅鍍層的表面接枝出有機(jī)聚合物層;
在半導(dǎo)體基材的正面進(jìn)行拋光后,濺射出下金屬層和銅種子層;
在所述銅種子層的表面涂覆光刻膠后,電鍍出微凸點(diǎn),最后去除光刻膠。
作為優(yōu)選方案,所述化學(xué)鍍液為含有表面活性劑、絡(luò)合劑、有機(jī)單體和引發(fā)劑的水溶液,且化學(xué)鍍液的溫度不超過(guò)50℃。
半導(dǎo)體垂直銅互連技術(shù)是實(shí)現(xiàn)三維疊層封裝的一種重要的電子封裝形式。在半導(dǎo)體垂直銅互連技術(shù)中,一般包括導(dǎo)通孔的制備,以及絕緣層、阻擋層、種子層和金屬銅的填充。通過(guò)半導(dǎo)體基材上的導(dǎo)通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的三維疊層封裝一般稱(chēng)作TSV(Through Semiconductor via)技術(shù)。通過(guò)TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維封裝的同時(shí),在基材表面往往需要制備微凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下芯片的互連,微凸點(diǎn)與TSV結(jié)構(gòu)通過(guò)布線(xiàn)層形成電性能互連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下的有益效果:
1、本發(fā)明提供的方法操作簡(jiǎn)單、方便,制造工藝要求低,能很好地降低工藝成本;
2、在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體盲孔或通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),不僅可以實(shí)現(xiàn)在鍍銅填充的半導(dǎo)體盲孔或通孔中的超填充,避免鍍銅填充時(shí)的孔內(nèi)缺陷,而且可以在封裝制造過(guò)程中起到緩沖應(yīng)力的作用;
3、本發(fā)明提供的在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體盲孔或通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),操作簡(jiǎn)單、方便,在電子封裝領(lǐng)域具有重大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,有利于廣泛利用,尤其可實(shí)現(xiàn)在大深寬比的盲孔或通孔上的應(yīng)用。
附圖說(shuō)明
通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述,本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
圖1為在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖中:1、半導(dǎo)體基體;2、絕緣層;3、阻擋層;4、鍍銅層;5、有機(jī)聚合物填充體;6、焊帽。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是,對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明提供的一種在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),如圖1a或圖1b所示,包括半導(dǎo)體基體1,半導(dǎo)體基體1上設(shè)有若干盲孔或通孔,盲孔或通孔內(nèi)填充有絕緣層2和阻擋層3,阻擋層3的表面部分填充有鍍銅層4,鍍銅層4的表面填充有聚合物層5,半導(dǎo)體基體1的正面設(shè)有焊帽6。
實(shí)施例1
本實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),具體步驟如下:
步驟(1):在p型,電阻率為5Ω·cm,帶有硅通孔的硅片中電鍍填銅,但不完全填滿(mǎn),然后將不完全鍍銅填充的硅片放入丙酮、乙醇中進(jìn)行除油處理,然后酸洗除去基體表面的氧化物,最后用純水將基體表面沖洗干凈;
步驟(2):將經(jīng)過(guò)步驟(1)處理后的硅片放入配置好的水相溶液中反應(yīng),其組分為0.01g/mL的十二烷基磺酸鈉,6%體積分?jǐn)?shù)的丙烯酸,0.002g/mL的吡唑重氮內(nèi)鹽,0.01g/mL的EDTA-2Na;
步驟(3):將反應(yīng)一段時(shí)間后的樣品取出,測(cè)量截面處有機(jī)物的厚度;
步驟(4):根據(jù)步驟(3)中的厚度調(diào)整反應(yīng)時(shí)間,重復(fù)步驟(1)~(3),使得在銅基體上沉積的有機(jī)物能夠填充孔內(nèi)缺陷;
步驟(5):將處理后的硅片在基材正面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光,然后在其表面濺射下金屬層和銅種子層;
步驟(6):將上述步驟完成后的樣品涂覆光刻膠,使之圖形化;然后電鍍微凸點(diǎn);最后去除光刻膠。
實(shí)施例2
本實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),具體步驟如下:
步驟(1):在n型,電阻率為50Ω·cm,帶有導(dǎo)通孔的GaAs片中電鍍填銅,但不完全填滿(mǎn),然后將不完全鍍銅填充的GaAs片放入丙酮、乙醇中進(jìn)行除油處理,然后酸洗除去基體表面的氧化物,最后用純水將基體表面沖洗干凈;
步驟(2):將經(jīng)過(guò)步驟(1)處理后的GaAs片放入配置好的水相溶液中反應(yīng),組分為1g/mL的十二烷基磺酸鈉,6%體積分?jǐn)?shù)的丙烯酸,0.002g/mL的三蝶烯重氮鹽,0.01g/mL的EDTA-2Na;
步驟(3):將反應(yīng)一段時(shí)間后的樣品取出,測(cè)量截面處有機(jī)物的厚度;
步驟(4):根據(jù)步驟(3)中的厚度調(diào)整反應(yīng)時(shí)間,重復(fù)步驟(1)~(3),使得在銅基體上沉積的有機(jī)物能夠填充孔內(nèi)缺陷;
步驟(5):將處理后的GaAs片在基材正面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光,然后在其表面濺射下金屬層和銅種子層;
步驟(6):將上述步驟完成后的樣品涂覆光刻膠,使之圖形化;然后電鍍微凸點(diǎn);最后去除光刻膠。
對(duì)比例1
本實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),具體步驟如下:
將p型,電阻率為5Ω·cm,在硅通孔中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不完全鍍銅填充的硅片放入丙酮、乙醇中進(jìn)行除油處理,然后酸洗除去基體表面的氧化物,最后用純水將基體表面沖洗干凈;往清洗后的硅片灌注有機(jī)物。由于有機(jī)物具有一定的黏度,且有機(jī)物對(duì)硅片的潤(rùn)濕性不好,因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔的完全填充,最后也無(wú)法實(shí)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)。
對(duì)比例2
本實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu),具體步驟如下:
步驟(1)在p型,電阻率為5Ω·cm,帶有硅通孔中的硅片中電鍍填銅,但不完全填滿(mǎn),然后將不完全鍍銅填充的硅片放入丙酮、乙醇中進(jìn)行除油處理,然后酸洗除去基體表面的氧化物,最后用純水將基體表面沖洗干凈;
步驟(2)將清洗后的硅片放入配置好的水溶液中,其組分為0.01g/mL的十二烷基磺酸鈉,6%體積分?jǐn)?shù)的甲基丙烯酸甲酯,0.002g/mL的吡唑重氮內(nèi)鹽,0.01g/mL的EDTA-2Na;
步驟(3)將反應(yīng)一段時(shí)間后的樣品取出,測(cè)量截面處有機(jī)物的厚度,可以發(fā)現(xiàn),這種化學(xué)接枝在微孔側(cè)壁和底部是等厚的,無(wú)法實(shí)現(xiàn)底部?jī)?yōu)先生長(zhǎng)。因此填充的有機(jī)物無(wú)法實(shí)現(xiàn)致密完全的生長(zhǎng),最后也無(wú)法實(shí)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)聚合物的TSV結(jié)構(gòu)。
以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改,這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。