[发明专利]一种生长具有高温稳定性的纳米孪晶铜的硅通孔填充方法

说明书

本发明公开了一种生长具有高温稳定性的纳米孪晶铜的硅通孔填充方法。该方法包括以下步骤：(1)在硅基片上通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成通孔；(2)采用热氧化工艺将硅基片表面氧化，在侧壁上形成绝缘层；(3)利用光刻技术在Si基片的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片中间位置形成一个圆形图案，且保证所述通孔位于所述圆形图案区域内；(4)在通孔中制作阻挡层和种子层；(5)以Cu板为阳极，以种子层为阴极，采用直流电镀的方式在通孔内生长纳米孪晶铜；(6)去除外围光刻胶。采用本发明的方法能够提高硅通孔互连材料的电学性能、机械性能和高温稳定性能，该方法成本低廉、制备工艺简单，适合产业化生产。

技术领域

本发明涉及一种用于三维集成电路领域的硅通孔填充方法，更具体地说，涉及一种生长具有高温稳定性的纳米孪晶铜的硅通孔填充方法，属于硅通孔技术领域。

背景技术

硅通孔技术是一种利用垂直硅通孔完成芯片间互连的方法。随着微电子封装技术向高集成度、高性能的方向发展，硅通孔先进封装技术己经成为最有效的高级封装技术之一，其具有低功耗、低噪声、小尺寸等优势，可广泛应用于射频芯片、CMOS图像传感器、MEMS等领域。

铜由于其高导电率、对电子迁移的高阻抗及其低成本，被广泛应用于硅通孔中的互连材料。然而要将其从科学研究真正应用到生产中，必须要首先确保其可靠性。在实际应用中，由于受到热环境影响，可能会造成材料设计性能的失效。目前已有多种增强铜金属性能的通孔填充方法，包括掺杂碳纳米管、石墨烯等。专利文献CN105261590A公开的方法采用金属铜与碳纳米管的复合材料作为填充材料，有效提高了通孔的导电性能和稳定性，并力图解决传统填充方法中始终存在的缺陷问题，但其操作步骤繁琐，且对铜本身机械性能无明显提升。专利文献CN107658262A公开的方法利用石墨烯材料良好的热力学、机械和材料特性，以提升铜本身的机械和电学性能，但是石墨烯制备的条件较为苛刻，成本较高。

纳米孪晶材料是指含有晶粒内部含有孪晶并且其片层间距位于纳米量级(＜100nm)的材料，这类材料内部的孪晶界面为共格孪晶界，它的界面能很低，约为晶界的十分之一。由于孪晶界的特殊性，其可以同时提升材料强度和塑性，且对导电性能影响较小，因此受到了广泛的关注。考虑到对硅通孔填充材料综合性能的要求，将纳米孪晶铜引入到硅通孔技术中具有较高的应用价值。

由于硅通孔技术广泛应用于射频芯片、MEMS等领域，其实际应用环境存在高温和由此引发的热应力。因此提供一种生长具有高温稳定性的纳米孪晶铜的硅通孔填充方法具有重要的意义。

发明内容

基于现有制备工艺步骤繁琐、条件苛刻、成本较高以及难以确保应用中的可靠性，很难实现规模化实际应用，本发明的目的是提供一种生长具有高温稳定性的纳米孪晶铜的硅通孔填充方法，提高硅通孔互连材料的电学性能、机械性能和高温稳定性能，该方法成本低廉、制备工艺简单，适合产业化生产。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种生长具有高温稳定性的纳米孪晶铜的硅通孔填充方法，该方法包括以下步骤：

(1)在硅基片上通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成通孔；

(2)采用热氧化工艺将硅基片表面氧化，在侧壁上形成绝缘层；

(3)利用光刻技术在Si基片的外围区域覆盖光刻胶，从而使Si基片中间位置形成一个圆形图案，且保证所述通孔位于所述圆形图案区域内；

(4)在通孔中制作阻挡层和种子层；

(5)以Cu板为阳极，以种子层为阴极，采用直流电镀的方式在通孔内生长纳米孪晶铜；

(6)去除外围光刻胶。

所述步骤(4)中，所述阻挡层为Ti层，由磁控溅射方法制备。