基于先進封裝的硅通孔鍍銅工藝仿真分析

魏紅軍，陳蘇偉，王洪建

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176）

0 引言

硅通孔技術，簡稱TSV（Through Silicon Via）技術，是在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導通，通過Z 方向通孔實現芯片之間的互連。硅通孔技術能夠使芯片在三維集成堆疊的密度最大，芯片之間的互連線最短，外形尺寸最小，并具有優異的抗干擾性能[1]。

硅通孔制作主要工藝流程為：深硅刻蝕成孔；絕緣層、阻擋層、種子層的形成；鍍銅填充；晶圓減薄；晶圓鍵合等，如圖1 所示[2]。在整個過程中，鍍銅填充是硅通孔制作的關鍵環節，主要難點是必須保證金屬離子在深孔內優先沉積，并在短時間內完成無縫隙、無孔洞填充，即可達到完全填充效果。在電鍍填充中，形成的空洞或縫隙都會導致芯片出現嚴重的質量問題。需通過鍍液中添加劑的合理配比，達到硅通孔電鍍銅填充“孔底加速，孔口抑制”的效果，實現硅通孔電鍍銅的完全填充[3]。

圖1 硅通孔制作主要工藝流程

1 硅通孔鍍銅填充機理

目前硅通孔鍍銅填充主要采用硫酸銅工藝體系，電鍍液成分主要包括硫酸、銅離子、氯離子、加速劑、抑制劑和整平劑等。

理想的填充過程是自底向上的填充過程，主要依靠兩種作用相反的添加劑（加速劑和抑制劑）競爭吸附來實現的。加速劑是加速銅的生長，主要在孔底吸附；抑制劑是抑制銅的生長，主要在孔表面和側壁吸附。

如圖2 所示，電流積聚效應會導致硅通孔的孔口銅沉積率加快，為了實現自底向上沉積，需在孔頂部加入強抑制作用的有機物，促進了底部的銅層沉積，抑制了頂部和側壁的沉積。同時，溶液還會添加一定的Cl-，也會起到“孔內加速、孔口抑制”的效果，有利于提高TSV 填充效果。

圖2 硅通孔鍍銅填充機理

要想得到良好的硅通孔鍍銅填充效果，鍍液化學組分的工藝參數優化非常關鍵，必須持續改進加速劑、抑制劑等添加劑各單項性能的表現，并保證三者之間相互平衡，最終達到更好的綜合性能。

2 硅通孔鍍銅填充仿真模型的建立

本文以深寬比為10∶1（孔徑10 μm，孔深100 μm）的硅通孔鍍銅填充為研究對象，電鍍藥水采用硫酸銅工藝，鍍液濃度參數見表1，電流密度為3 A/dm2，電鍍時間為120 min。

表1 硫酸銅鍍液濃度參數

采用COMSOL Multiphysics 電鍍模塊仿真軟件，并基于以下假設建立了硅通孔鍍銅填充仿真模型。

1）鍍液高速攪拌，晶圓電鍍表面處流場影響因素忽略不計。

2）電鍍時整流器采用恒流模式，仿真區域內電流恒定。

3）忽略離子雙電層厚度，認為陰極與臨近鍍液的點位差即為超電勢。

2.1 物理模型及邊界條件

圖3 為硅通孔鍍銅填充物理模型，其中硅通孔孔徑為10 μm，孔深為100 μm，孔口及孔底的弧度曲率半徑為5 μm，兩對稱邊界相距50 μm，高20 μm。

圖3 硅通孔鍍銅填充物理模型

仿真分析時認為，在遠端電鍍液邊界上，各離子濃度值設定為鍍液本體濃度值，邊界上的溶液電勢為0 V，在兩對稱邊界上沒有離子的產生和消失，各離子通量均為0；同鍍層的厚度通過軟件中的移動網格表征。

2.2 數學模型

為了簡化模型，本文只考慮銅離子（Cu2+）和硫酸根離子（SO42-）兩種，根據Nernst-Planck 方程，鍍液中的各離子物質流密度（mol/（m2·s））可表示為：

式中：Di為各離子的擴散速率，m2/s；ci為各離子的濃度，mol/m3；zi為各離子的帶電電荷數；ui為各離子的遷移速率（mol·s/kg）；φl為鍍液中電勢，V；u→為鍍液速度流場，m/s；F 為法拉第常數（96 485 C/mol）。

離子遷移速率ui可表示為：

式中：R 為理想氣體常數，8.31 J·K·mol；T 為開爾文溫度，K。

鍍液中，離子物料守恒方程為：

設定鍍液為電中性，帶點離子的平衡方程為：

根據法拉第定律，結合公式（3）和公式（4），鍍液中的電流密度可表示為：

由于通孔電鍍銅填充過程中，銅離子濃度在孔口和孔底兩者間有濃度差，根據Butler-Volmer 方程，陰極的電流密度（A/m2）可表示為：

式中：i0為平衡狀態下交換電流密度；αa和αc分別代表陽極和陰極的電化學傳遞系數；η 為超電勢和分別代表陰極表面處和本體鍍液的銅離子濃度。

陰極上銅層沉積過程中的過點位可表示為：

式中：φc為陰極電勢，在電鍍過程中，其值為固定值；Eeq為平衡電勢。

由于在陰極，超電勢在電鍍銅的銅層沉積過程中為負值，電流主要為陰極電流，陽極電流可以忽略，據此，陰極電流密度可表示為：

考慮到加速劑和抑制劑對電鍍銅過程的影響，鍍液中加入加速劑和抑制劑后，陰極電流密度可表示為：

式中：i0_sup，i0_acc和i0分別表示只含抑制劑、加速劑和無添加劑條件下鍍液的交換電流密度；αsup，αacc和αc分別對應上述三種情況下的陰極電化學傳遞系數。

仿真區域內，加速劑和抑制劑在其中的濃度分布場由拉普拉斯方程來表示：

式中：cacc和csup分別表示仿真區域內加速劑和抑制劑濃度，mol/m3。

考慮到加速劑和抑制劑在陰極表面的吸附、脫附、表面濃度擴散以及其之間的占位關系影響，加速劑和抑制劑在陰極表面的覆蓋率隨時間的變化情況可分別表示為如下形式：

對于加速劑：

考慮加速劑吸附時的覆蓋率減弱了抑制劑吸附的覆蓋率，抑制劑覆蓋率可以表示為：

式（11）（12）中：kacc_ads和ksup_ads分別表示加速劑和抑制劑的吸附系數，m3/（mol·s）；kacc_des和ksup_des分別表示加速劑和抑制劑的脫附系數，1/s；Dacc和Dsup分別表示加速劑和抑制劑在陰極表面的擴散系數，m2/s；▽Τ為軟件內置的垂直邊界面處的數學算子。

銅層沉積速率可表示為：

式中：MCu為銅摩爾質量，63.55 g/mol；n 為陰極銅離子被還原所產生的電子數；ρCu為銅密度，8 960 kg/m3。

表2 所示為仿真模型中所用到的電鍍工藝參數。

表2 硅通孔鍍銅工藝參數

3 仿真分析及研究

通過仿真分析分別研究了無添加劑加入、只加入加速劑、只加入抑制劑、同時加入加速劑和抑制劑四種情況下硅通孔電鍍銅填充規律。

3.1 無添加劑加入

圖4 所示為無添加劑加入情況下，不同時刻的硅通孔鍍銅填充狀態，可以發現無添加劑時，通孔開口處電鍍銅填充速度大于孔底電鍍銅填充速度，最終在通孔開口處出現了夾斷效應，難以實現硅通孔電鍍銅的完全填充。這是由于電流積聚效應，硅通孔開口處的電荷密度大于硅通孔底部，使得硅通孔開口處的電鍍速率比底部和側壁快，出現夾斷效應。

圖4 無添加劑加入情況下硅通孔鍍銅填充狀態

3.2 只加入加速劑或抑制劑

圖5 和圖6 所示為只加入加速劑或抑制劑情況下，不同時刻的硅通孔鍍銅填充狀態，可以發現兩種情況下，硅通孔電鍍銅填充均出現了夾斷效應，但加速劑加速了硅通孔電鍍銅填充速度，而抑制劑減慢了硅通孔電鍍銅填充速度。

圖5 只加入加速劑情況下硅通孔鍍銅填充狀態

圖6 只加入抑制劑情況下硅通孔鍍銅填充狀態

3.3 同時加入加速劑和抑制劑

基于此模型，先固定其中加速劑的濃度為10 mL/L，通過改變抑制劑的體積分數X×10 mL/L（X=1、2、3…），仿真研究各種條件下硅通孔銅填充情況，直至實現“自下而上”的填充效果。圖7 為加速劑和抑制劑以體積比為1∶5 配比加入時，硅通孔電鍍銅填充規律，此時硅通孔電鍍銅填充速率稍有增加，電鍍銅填充以“V”型生長，實現了硅通孔的完全填充。這是因為加速劑和抑制劑同時加入后，兩者在陰極表面競爭吸附，最終導致在加速劑多吸附在硅通孔孔底，而抑制劑多吸附在硅通孔開口處，從而實現了“孔口抑制，孔底加速”，實現了硅通孔的電鍍銅完全填充。

圖7 加速劑和抑制劑（比例為1：5）配比加入情況下硅通孔鍍銅填充

4 結論

1）加速劑能夠加速硅通孔底部鍍銅沉積速度，而抑制劑能夠減緩硅通孔側壁和頂部鍍銅沉積速度，但是二者對于電鍍銅填充生長模式均無影響。

2）改變電鍍藥液中促進劑和抑制劑的濃度，通過仿真分析得出加速劑和抑制劑配比系數，可以實現硅通孔鍍銅完全填充。