【摘要】：近些年來,隨著信息技術改革,半導體產(chǎn)業(yè)也隨之獲得很大發(fā)展。微電子制造越來越追求輕小化、多功能與低成本,三維硅通孔技術因其集成密度高、制造成本低而隨之受到人們的重視。在三維硅通孔技術中,通過半導體導通孔的鍍銅填充來實現(xiàn)疊層封裝是今后重要的電子封裝形式,但對于大深寬比的導通孔很難實現(xiàn)無缺陷鍍銅填充。鍍銅填充后期常出現(xiàn)的孔洞、縫隙等問題在后續(xù)的封裝過程中會降低芯片的可靠性,嚴重影響該技術的工業(yè)化應用。本文研究了在未完全鍍銅填充的半導體導通孔中填充有機聚合物的工藝。一方面,TSV部分填充了金屬銅,保證了芯片的電氣互連;另一方面,采用有機聚合物填充能夠避免鍍銅后期出現(xiàn)的孔洞、縫隙等問題,降低了鍍銅填充的工藝要求;另外,采用彈性較好的有機物進行填充,在后續(xù)封裝過程中也可以起到緩沖應力的作用,保證了芯片的可靠性。首先,本文探索了平面銅上水相電接枝有機層的基本規(guī)律,考察了接枝時間及水溶液中各組分(對硝基苯四氟硼酸重氮鹽NBD、丙烯酸AA)對有機層厚度的影響并闡述了銅基體上水相電接枝有機聚合物的機理。結果表明,在合適的AA濃度下,有機層厚度基本隨時間延長、引發(fā)劑NBD含量增多而變厚;當AA含量較高時,有機層厚度隨時間延長先增加后減少,這是由于在高濃度條件下,有機層與銅層的結合力不足以抵抗外界的作用力而使得原本較厚的有機層有所脫落,導致最終觀測到的有機層較薄。經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn),當NBD濃度為16.88 mM、AA濃度為0.82 M時,有機層最厚;判斷該條件下的溶液濃度對于平面銅來說更為合適。其次,本文將水相電接枝有機聚合物的技術應用在三維銅互連上。通過調(diào)控溶液中AA濃度和接枝時間,探究不同反應參數(shù)下TSV孔內(nèi)有機層的生長趨勢及其對孔的填充效果。結果表明,在合適的溶液濃度和相當?shù)慕又r間下,有機層對帶有加厚銅層的TSV實現(xiàn)了一定程度的填充。在相同的接枝時間下,隨著AA濃度的增加,有機層的規(guī)整度更大,對TSV的填充效果更好;在充足的溶液濃度下,隨著接枝時間的延長,有機層優(yōu)先實現(xiàn)對TSV底部的填充,然后逐漸增厚側壁以實現(xiàn)對TSV的最終填充。在研究過程中,本文還發(fā)現(xiàn)TSV底部接枝的有機層在足夠的溶液濃度下能實現(xiàn)快速大幅增厚,本文將此定義為“空間聚集效應”,并提出合理的解釋和理論模型。
【圖文】：

圖 1-1 三維封裝技術示意圖[2]Fig.1-1 Three dimensional packaging[2]1.1.1 基于硅通孔（TSV）的三維封裝技術三維封裝，又稱疊層芯片封裝技術，將多個芯片在垂直方向上互連，得到布線、短連接的封裝方式，從而獲得更高的集成度。除此之外，由于三維封裝的互連線縮短，寄生電阻和寄生電容也隨之減小，信號傳播延遲、噪聲等問題得到解決[4-7]，從而使電路獲得更快的響應速度、更好的性能和更低的功耗[8-10目前三維封裝主要有以下三種互連方式：引線鍵合、倒裝芯片和硅通孔技[11-13]，如圖 1-2 所示。引線鍵合是通過細的金屬線，，一端連接芯片，一端連接板從而使芯片和基板實現(xiàn)物理和電氣互連。金屬線一般采用貴金屬，如金及其金，成本昂貴；另外，引線鍵合只能連接芯片外圍的 I/O 管腳，可用空間有限且連接多層芯片時鍵合難度大大提升，過長的引線還會影響信號的傳輸和響應

圖 1-2 三維封裝的三種互連方式 （a）引線鍵合[22]（b）倒裝芯片[11]（c）硅通孔技術Fig.1-2 Three interconnection of Three Dimensional Packaging(a) Wire bonding[22](b) Flip chip[11](c) Through silicon via[11]圖 1-3 所示為硅通孔的示意圖。由圖可知，硅通孔主要由以下幾部分組首先是導通孔，工業(yè)上一般由深反應離子刻蝕（DRIE）或激光鉆孔兩種方法制而成。然后是各種功能層，主要包括絕緣層、阻擋層和種子層。絕緣層的作用防止硅襯底和填充的金屬之間形成導電通路造成電路的損壞；阻擋層的作用是斷填充金屬向硅襯底的擴散，防止電子器件短路[23]；種子層是在填充金屬之前在阻擋層上預先沉積一層金屬薄層，方便后續(xù)金屬的填充。除此之外，還包括充的金屬，常見的是金屬銅[24, 25]，有的也會用金屬鎢等填充。TSV 孔內(nèi)填充金主要是為了實現(xiàn)電氣互連，保證電路的導通。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN304;O631.5

【參考文獻】

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本文編號：2621141