水相电接枝PAA有机聚合物及其在三维铜互连中的应用

发布时间：2020-04-09 19:00

【摘要】：近些年来,随着信息技术改革,半导体产业也随之获得很大发展。微电子制造越来越追求轻小化、多功能与低成本,三维硅通孔技术因其集成密度高、制造成本低而随之受到人们的重视。在三维硅通孔技术中,通过半导体导通孔的镀铜填充来实现叠层封装是今后重要的电子封装形式,但对于大深宽比的导通孔很难实现无缺陷镀铜填充。镀铜填充后期常出现的孔洞、缝隙等问题在后续的封装过程中会降低芯片的可靠性,严重影响该技术的工业化应用。本文研究了在未完全镀铜填充的半导体导通孔中填充有机聚合物的工艺。一方面,TSV部分填充了金属铜,保证了芯片的电气互连;另一方面,采用有机聚合物填充能够避免镀铜后期出现的孔洞、缝隙等问题,降低了镀铜填充的工艺要求;另外,采用弹性较好的有机物进行填充,在后续封装过程中也可以起到缓冲应力的作用,保证了芯片的可靠性。首先,本文探索了平面铜上水相电接枝有机层的基本规律,考察了接枝时间及水溶液中各组分(对硝基苯四氟硼酸重氮盐NBD、丙烯酸AA)对有机层厚度的影响并阐述了铜基体上水相电接枝有机聚合物的机理。结果表明,在合适的AA浓度下,有机层厚度基本随时间延长、引发剂NBD含量增多而变厚;当AA含量较高时,有机层厚度随时间延长先增加后减少,这是由于在高浓度条件下,有机层与铜层的结合力不足以抵抗外界的作用力而使得原本较厚的有机层有所脱落,导致最终观测到的有机层较薄。经过探究发现,当NBD浓度为16.88 mM、AA浓度为0.82 M时,有机层最厚;判断该条件下的溶液浓度对于平面铜来说更为合适。其次,本文将水相电接枝有机聚合物的技术应用在三维铜互连上。通过调控溶液中AA浓度和接枝时间,探究不同反应参数下TSV孔内有机层的生长趋势及其对孔的填充效果。结果表明,在合适的溶液浓度和相当的接枝时间下,有机层对带有加厚铜层的TSV实现了一定程度的填充。在相同的接枝时间下,随着AA浓度的增加,有机层的规整度更大,对TSV的填充效果更好;在充足的溶液浓度下,随着接枝时间的延长,有机层优先实现对TSV底部的填充,然后逐渐增厚侧壁以实现对TSV的最终填充。在研究过程中,本文还发现TSV底部接枝的有机层在足够的溶液浓度下能实现快速大幅增厚,本文将此定义为“空间聚集效应”,并提出合理的解释和理论模型。
【图文】：

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图 1-1 三维封装技术示意图[2]Fig.1-1 Three dimensional packaging[2]1.1.1 基于硅通孔（TSV）的三维封装技术三维封装，又称叠层芯片封装技术，将多个芯片在垂直方向上互连，得到布线、短连接的封装方式，从而获得更高的集成度。除此之外，由于三维封装的互连线缩短，寄生电阻和寄生电容也随之减小，信号传播延迟、噪声等问题得到解决[4-7]，从而使电路获得更快的响应速度、更好的性能和更低的功耗[8-10目前三维封装主要有以下三种互连方式：引线键合、倒装芯片和硅通孔技[11-13]，如图 1-2 所示。引线键合是通过细的金属线，，一端连接芯片，一端连接板从而使芯片和基板实现物理和电气互连。金属线一般采用贵金属，如金及其金，成本昂贵；另外，引线键合只能连接芯片外围的 I/O 管脚，可用空间有限且连接多层芯片时键合难度大大提升，过长的引线还会影响信号的传输和响应

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图 1-2 三维封装的三种互连方式（a）引线键合[22]（b）倒装芯片[11]（c）硅通孔技术Fig.1-2 Three interconnection of Three Dimensional Packaging(a) Wire bonding[22](b) Flip chip[11](c) Through silicon via[11]图 1-3 所示为硅通孔的示意图。由图可知，硅通孔主要由以下几部分组首先是导通孔，工业上一般由深反应离子刻蚀（DRIE）或激光钻孔两种方法制而成。然后是各种功能层，主要包括绝缘层、阻挡层和种子层。绝缘层的作用防止硅衬底和填充的金属之间形成导电通路造成电路的损坏；阻挡层的作用是断填充金属向硅衬底的扩散，防止电子器件短路[23]；种子层是在填充金属之前在阻挡层上预先沉积一层金属薄层，方便后续金属的填充。除此之外，还包括充的金属，常见的是金属铜[24, 25]，有的也会用金属钨等填充。TSV 孔内填充金主要是为了实现电气互连，保证电路的导通。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304;O631.5

【参考文献】