[發(fā)明專利]抑制TSV中銅熱脹出的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110433795.5
• 申請(qǐng)日: 2021-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN113186574B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王峰;郭藍(lán)天;丁勝妹;王廷昱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 青島科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C25D7/12
• 分類號(hào): C25D7/12;C25D5/20;C25D3/38;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 青島發(fā)思特專利商標(biāo)代理有限公司 37212
• 代理人: 趙偉敏

本發(fā)明涉及三維電子封裝技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種抑制TSV中銅熱脹出的方法，其包括：超聲波調(diào)控TSV沉積銅晶粒尺寸工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)：建立超聲波作用下TSV孔道內(nèi)聲場(chǎng)和流場(chǎng)的分布模型，計(jì)算銅離子和添加劑分子的局部濃度；建立超聲波作用下TSV鍍銅填充動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算陰極表面局部電流密度和銅離子局部濃度的時(shí)變分布，確定TSV填充參數(shù)；建立超聲波作用下TSV鍍銅填充電結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算TSV沉積銅晶粒尺寸與陰極局部電流密度的定量關(guān)系，設(shè)計(jì)獲得最小晶粒尺寸的超聲電沉積工藝參數(shù)；采用上述步驟設(shè)計(jì)的使TSV沉積銅晶粒尺寸最小化的超聲工藝參數(shù)電鍍填充TSV，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本發(fā)明可以在實(shí)現(xiàn)TSV快速、無(wú)缺陷鍍銅填充的基礎(chǔ)上抑制TSV中銅熱脹出，節(jié)約生產(chǎn)成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種抑制TSV中銅熱脹出的方法，屬于三維電子封裝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。隨著時(shí)代的發(fā)展，集成電路已進(jìn)入后摩爾時(shí)代。依靠減小特征尺寸來(lái)不斷提高集成度的二維封裝方式已接近極限，三維電子封裝技術(shù)成為延續(xù)摩爾定律的最佳選擇。硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技術(shù)是三維電子封裝實(shí)現(xiàn)垂直互連的核心和關(guān)鍵。TSV芯片在制造和服役過(guò)程中不斷經(jīng)歷溫度載荷，材料間的熱失配會(huì)引發(fā)諸多可靠性問(wèn)題。溫度變化過(guò)程中，TSV中銅的自由膨脹和收縮會(huì)受到周圍材料的限制，誘發(fā)的熱應(yīng)力使銅在軸向上受擠壓，并在銅/硅界面產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，引發(fā)塑性和蠕性變形，導(dǎo)致銅從孔內(nèi)脹出，脹出的銅會(huì)對(duì)周圍器件結(jié)構(gòu)、再分布層、脆性金屬間化合物施加壓力，導(dǎo)致器件變形或斷裂，引發(fā)嚴(yán)重的機(jī)電故障。目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中主要的解決方案有：增加緩沖或抑制結(jié)構(gòu)；復(fù)合電鍍的方法；但現(xiàn)有抑制TSV中銅熱脹出的方法尚不完善，與TSV制造工藝兼容性較差。因此，需要研究出一種較為完善、與TSV制造工藝兼容性好的方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種抑制TSV中銅熱脹出的方法。

本發(fā)明所述的一種抑制TSV中銅熱脹出的方法，包括以下步驟：

步驟S1：超聲波調(diào)控TSV沉積銅晶粒尺寸工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體包括以下步驟：

步驟S101：建立超聲波作用下TSV孔道內(nèi)聲場(chǎng)和流場(chǎng)的分布模型，計(jì)算銅離子和添加劑分子的局部濃度；

步驟S102：建立超聲波作用下TSV鍍銅填充動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算陰極表面局部電流密度和銅離子局部濃度的時(shí)變分布，確定實(shí)現(xiàn)TSV無(wú)缺陷、快速填充的工藝參數(shù)范圍；

步驟S103：建立超聲波作用下TSV鍍銅填充電結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算TSV沉積銅晶粒尺寸與陰極局部電流密度的定量關(guān)系，設(shè)計(jì)獲得最小晶粒尺寸的超聲電沉積工藝參數(shù)；

步驟S2：采用步驟S1設(shè)計(jì)的使TSV沉積銅晶粒尺寸最小化的超聲工藝參數(shù)電鍍填充TSV，具體包括以下步驟：

步驟S201：預(yù)處理；

步驟S202：電鍍填充；

步驟S203：清洗；

步驟S204：觀測(cè)；

步驟S3：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

優(yōu)選地，所述步驟S101具體包括以下步驟：首先根據(jù)液體介質(zhì)中的諧波方程建立聲場(chǎng)分布模型，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程建立超聲作用下流場(chǎng)分布模型，最后使用穩(wěn)態(tài)速度場(chǎng)對(duì)描述單個(gè)物質(zhì)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和對(duì)流輸運(yùn)的守恒方程進(jìn)行數(shù)值求解。

優(yōu)選地，所述步驟S102具體包括以下步驟：首先采用電化學(xué)分析和數(shù)值擬合的方法建立TSV鍍銅填充添加劑覆蓋率和添加劑濃度的量化表達(dá)模型，并計(jì)算添加劑的擴(kuò)算、吸附及消耗系數(shù)；然后建立添加劑作用下局部電流密度的求解模型；最后求解TSV陰極表面還原銅電沉積速度。