【摘要】：近些年來(lái),隨著信息技術(shù)改革,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也隨之獲得很大發(fā)展。微電子制造越來(lái)越追求輕小化、多功能與低成本,三維硅通孔技術(shù)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(shù)中,通過(guò)半導(dǎo)體導(dǎo)通孔的鍍銅填充來(lái)實(shí)現(xiàn)疊層封裝是今后重要的電子封裝形式,但對(duì)于大深寬比的導(dǎo)通孔很難實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷鍍銅填充。鍍銅填充后期常出現(xiàn)的孔洞、縫隙等問(wèn)題在后續(xù)的封裝過(guò)程中會(huì)降低芯片的可靠性,嚴(yán)重影響該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。本文研究了在未完全鍍銅填充的半導(dǎo)體導(dǎo)通孔中填充有機(jī)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(jī)聚合物填充能夠避免鍍銅后期出現(xiàn)的孔洞、縫隙等問(wèn)題,降低了鍍銅填充的工藝要求;另外,采用彈性較好的有機(jī)物進(jìn)行填充,在后續(xù)封裝過(guò)程中也可以起到緩沖應(yīng)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(jī)層的基本規(guī)律,考察了接枝時(shí)間及水溶液中各組分(對(duì)硝基苯四氟硼酸重氮鹽NBD、丙烯酸AA)對(duì)有機(jī)層厚度的影響并闡述了銅基體上水相電接枝有機(jī)聚合物的機(jī)理。結(jié)果表明,在合適的AA濃度下,有機(jī)層厚度基本隨時(shí)間延長(zhǎng)、引發(fā)劑NBD含量增多而變厚;當(dāng)AA含量較高時(shí),有機(jī)層厚度隨時(shí)間延長(zhǎng)先增加后減少,這是由于在高濃度條件下,有機(jī)層與銅層的結(jié)合力不足以抵抗外界的作用力而使得原本較厚的有機(jī)層有所脫落,導(dǎo)致最終觀測(cè)到的有機(jī)層較薄。經(jīng)過(guò)探究發(fā)現(xiàn),當(dāng)NBD濃度為16.88 mM、AA濃度為0.82 M時(shí),有機(jī)層最厚;判斷該條件下的溶液濃度對(duì)于平面銅來(lái)說(shuō)更為合適。其次,本文將水相電接枝有機(jī)聚合物的技術(shù)應(yīng)用在三維銅互連上。通過(guò)調(diào)控溶液中AA濃度和接枝時(shí)間,探究不同反應(yīng)參數(shù)下TSV孔內(nèi)有機(jī)層的生長(zhǎng)趨勢(shì)及其對(duì)孔的填充效果。結(jié)果表明,在合適的溶液濃度和相當(dāng)?shù)慕又r(shí)間下,有機(jī)層對(duì)帶有加厚銅層的TSV實(shí)現(xiàn)了一定程度的填充。在相同的接枝時(shí)間下,隨著AA濃度的增加,有機(jī)層的規(guī)整度更大,對(duì)TSV的填充效果更好;在充足的溶液濃度下,隨著接枝時(shí)間的延長(zhǎng),有機(jī)層優(yōu)先實(shí)現(xiàn)對(duì)TSV底部的填充,然后逐漸增厚側(cè)壁以實(shí)現(xiàn)對(duì)TSV的最終填充。在研究過(guò)程中,本文還發(fā)現(xiàn)TSV底部接枝的有機(jī)層在足夠的溶液濃度下能實(shí)現(xiàn)快速大幅增厚,本文將此定義為“空間聚集效應(yīng)”,并提出合理的解釋和理論模型。
【圖文】：

圖 1-1 三維封裝技術(shù)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(shù)三維封裝，又稱(chēng)疊層芯片封裝技術(shù)，將多個(gè)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(hào)傳播延遲、噪聲等問(wèn)題得到解決[4-7]，從而使電路獲得更快的響應(yīng)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(guò)細(xì)的金屬線，，一端連接芯片，一端連接板從而使芯片和基板實(shí)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(shí)鍵合難度大大提升，過(guò)長(zhǎng)的引線還會(huì)影響信號(hào)的傳輸和響應(yīng)

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(shù)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(dǎo)通孔，工業(yè)上一般由深反應(yīng)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(dǎo)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(kuò)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(yù)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(jiàn)的是金屬銅[24, 25]，有的也會(huì)用金屬鎢等填充。TSV 孔內(nèi)填充金主要是為了實(shí)現(xiàn)電氣互連，保證電路的導(dǎo)通。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN304;O631.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2621141