本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造和化學(xué)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)的制備方法。

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)樣品有很大危害。

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，一方面能夠降低工藝要求，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)程中起到緩沖應(yīng)力的作用。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)的制備方法具有重大應(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)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，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)的制備方法。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。通過(guò)制備在實(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)，不僅可以實(shí)現(xiàn)在鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)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)程中起到熱應(yīng)力緩沖的作用。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

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)的制備方法，其包括如下步驟：

在半導(dǎo)體基材上打出若干通孔或盲孔；

在所述通孔或盲孔內(nèi)依次制備出絕緣層、阻擋層和種子層；

在所述種子層的表面實(shí)現(xiàn)不完全填滿的鍍銅填充，形成銅鍍層；

在所述銅鍍層的表面用化學(xué)鍍液接枝出聚合物填充體；

對(duì)所述半導(dǎo)體基材的正面進(jìn)行拋光后，依次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)，最后去除光刻膠和所述微凸點(diǎn)周?chē)慕饘賹雍头N子層。

作為優(yōu)選方案，所述半導(dǎo)體基材的類(lèi)型為n型或者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，所述聚合物層的表面還設(shè)有微凸點(diǎn)。

作為優(yōu)選方案，所述微凸點(diǎn)包括銅柱和焊帽，所述銅柱、焊帽與TSV結(jié)構(gòu)之間通過(guò)布線層形成電性能互連。布線層的結(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。

作為優(yōu)選方案，所述化學(xué)鍍液為含有表面活性劑、引發(fā)劑、有機(jī)單體和絡(luò)合劑的水溶液，且化學(xué)鍍液的溫度不超過(guò)50℃。

作為優(yōu)選方案，所述表面活性劑為離子型表面活性劑或非離子型表面活性劑；所述有機(jī)單體為含有碳-碳雙鍵的烯酸類(lèi)；所述引發(fā)劑為氟硼酸重氮鹽、吡唑重氮內(nèi)鹽、三蝶烯重氮鹽中的至少一種。

作為優(yōu)選方案，所述有機(jī)物填充體的生長(zhǎng)模式是自孔底部向上。

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、半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(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)體導(dǎo)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)明提供的半導(dǎo)體垂直銅互連中填充有機(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)在大深寬比的導(dǎo)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)的制備方法的示意圖。

圖中：1、半導(dǎo)體基體；2、導(dǎo)通孔；3、絕緣層、阻擋層和不完全填滿的鍍銅層；4、聚合物填充體；5、下金屬層和種子層；6、光刻膠；7、銅柱；8、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。

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)的制備方法，如圖1所示，具體步驟如下：

步驟(1)：在p型，電阻率為5Ω·cm的硅片(半導(dǎo)體基體1)利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在確定位置打孔(導(dǎo)通孔2)，然后在帶有硅通孔的硅片中利用熱氧化法制備絕緣層3，利用PVD法制備阻擋層和種子層，然后電鍍填銅，但不完全填滿，形成絕緣層、阻擋層和不完全填滿的鍍銅層3；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，形成聚合物填充體4，測(cè)量截面處聚合物填充體4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5；

步驟(6)：將上述步驟完成后的樣品涂覆光刻膠6，并曝光使之圖形化；然后電鍍由銅柱7和焊帽8組成的微凸點(diǎn)；最后去除光刻膠和微凸點(diǎn)周?chē)南陆饘賹雍头N子層。

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)的制備方法，具體步驟如下：

步驟(1)：在n型，電阻率為50Ω·cm的GaAs片利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在確定位置打孔，然后在帶有導(dǎo)通孔的GaAs片中利用熱氧化法制備絕緣層，利用PVD法制備阻擋層和種子層，然后電鍍填銅，但不完全填滿；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，并使之圖形化；然后電鍍微凸點(diǎn)；最后去除光刻膠和微凸點(diǎn)周?chē)南陆饘賹雍头N子層。

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)的制備方法，具體步驟如下：

將p型，電阻率為5Ω·cm的硅片利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在確定位置打孔，然后在帶有硅通孔的硅片中利用熱氧化法制備絕緣層，利用PVD法制備阻擋層和種子層，然后電鍍填銅，但不完全填滿；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)的制備方法，具體步驟如下：

步驟(1)：在p型，電阻率為5Ω·cm的硅片利用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在確定位置打孔，然后在帶有硅通孔的硅片中利用熱氧化法制備絕緣層，利用PVD法制備阻擋層和種子層，然后電鍍填銅，但不完全填滿；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。