【摘 要】
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作为三维集成的核心技术之一,硅通孔（through silicon via,TSV）为小型化和高性能集成提供了高密度的垂直互连解决方案。目前,TSV制造技术仍不够成熟,特别是TSV镀铜填充环节,存在添加剂体系复杂、大深宽比TSV填充率低和工艺优化困难等问题。针对上述难题,本文建立了以单一抑制剂作用下大深宽比TSV镀铜填充仿真模型,并且使用单一抑制剂PEG8000实验验证,进行了不同电流密度下深宽比
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作为三维集成的核心技术之一,硅通孔（through silicon via,TSV）为小型化和高性能集成提供了高密度的垂直互连解决方案。目前,TSV制造技术仍不够成熟,特别是TSV镀铜填充环节,存在添加剂体系复杂、大深宽比TSV填充率低和工艺优化困难等问题。针对上述难题,本文建立了以单一抑制剂作用下大深宽比TSV镀铜填充仿真模型,并且使用单一抑制剂PEG8000实验验证,进行了不同电流密度下深宽比分别为3:1、6:1以及10:1的盲孔填充。此外,优化物理外场辅助下的工艺改进,解决了电镀后晶圆表面铜凸起的问题。主要研究工作与发现如下:（1）建立了基于COMSOL软件的单一抑制剂作用下大深宽比（200μm:20μm）TSV盲孔填充的有限元模型,并以实验验证了仿真的可行性。通过分析抑制剂浓度、抑制剂覆盖率、阴极电流密度分布和铜离子浓度等参数,解释了夹口、“v型”、等厚、自底向上这四种填充形貌形成原因。仿真结果表明抑制剂的浓度会影响盲孔内铜沉积生长模式。通过使用单一抑制剂PEG8000盲孔电镀填充实验,得到的填充形貌与仿真结果较相吻合。（2）实验探究了单一抑制剂PEG8000对三种深宽比TSV（分别为3:1,6:1,10:1）电镀铜的影响,并筛选出能实现自底向上填充的合适浓度。实验研究发现TSV盲孔深宽比为3:1时,PEG浓度为0.01g/L可在电流密度范围0.3ASD-1.5ASD内实现自底向上无缺陷填充;浓度为0.001g/L时TSV盲孔呈夹口模式生长,易产生空洞缺陷;浓度为0.1g/L时呈等厚生长模式,易产生夹缝缺陷。TSV盲孔为6:1和10:1时,PEG浓度为0.05g/L时,在电流密度0.3ASD-3ASD范围内可实现深宽比6:1TSV盲孔自底向上无缺陷填充;在0.3ASD-1.0ASD范围内可实现深宽比10:1TSV盲孔无缺陷填充。通过测试PEG不同浓度CV曲线,发现PEG浓度为0.01g/L和0.05g/L时迟滞电流最大,TSV铜沉积更能实现自底向上的填充模式,这与填充实验结果相吻合。（3）探究物理外场对实现大深宽比TSV无缺陷快速镀铜填充的影响,分别研究了温度、超声振动和强迫对流对大深宽比TSV镀铜填充的影响。研究发现低温影响添加剂的扩散和铜沉积速率,会延长电镀时间,高温40℃条件下,镀液中铜离子的扩散速率变快,孔内被消耗的铜离子得到及时补充,抑制剂消耗脱附不能完全抑制孔壁铜沉积使孔内铜沉积呈”V”型填充生长;超声辅助能改变盲孔填充铜沉积生长模式,加速铜沉积,揭示了超声空化效应促进反应粒子扩散的作用;强迫对流无法促进大深宽比TSV盲孔内反应粒子扩散现象,无法有效改善电镀工艺,但高速搅拌可以减小大深宽比TSV盲孔缺陷尺寸。（4）针对单一抑制剂PEG作用下镀铜填充完成后晶圆表面铜凸起问题,分别选择加入整平剂TU、2M5S和PN,解决了表面铜凸起问题。实验研究发现,PEG浓度为0.05g/L时,加入0.05g/L的TU可成功抑制表面铜凸起,2M5S的合适浓度为0.005g/L,PN的合适浓度为0.04g/L,通过电化学测试研究整平剂的整平抑制机理,简要分析PEG8000分别与TU和PN一起使用在TSV填充时的作用机理。图78幅,表6个,参考文献68篇
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