專利名稱：用于tsv絕緣層的超薄膜濕法制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子材料技術領域的制備方法，特別是一種用于 TSV(ThroughSilicon Vias，硅通孔)絕緣層的超薄膜濕法制備方法。
背景技術：
微電子工業(yè)的發(fā)展趨勢是提高性能、降低成本。傳統(tǒng)的二維小型化策略已經達到 了性能、功能多樣性和制造成本的極限，正在逐漸被三維半導體集成技術所取代。在各種3D 集成技術中，基于TSV垂直互連的疊層封裝方式以其短距離互連和高密度集成的關鍵技術 優(yōu)勢，引領3D封裝技術發(fā)展的趨勢。TSV封裝包含一系列關鍵技術，硅深孔刻蝕成型，孔內 絕緣層、阻擋層和種子層的形成，以及硅通孔電鍍填充等。絕緣膜的存在可以防止互連材料 銅和硅基底之間形成導電通道，從而提高芯片的電學可靠性和穩(wěn)定性。迄今為止，TSV互連 結構中的絕緣層、阻擋層以及種子層絕大多數采用干法工藝制備，到目前為止，用于產業(yè)化 TSV互連技術中的絕緣層、阻擋層以及種子層幾乎都是采用干法技術。干法技術存在的主要問題是集成成本過高，生長速度慢、不易和后續(xù)工藝兼容；另 夕卜，相關文獻指出，當通孔的深寬比較大時，傳統(tǒng)的PVD(physical vapor exposition，物理 氣相淀積)方法的臺階覆蓋性較差，因而難以在通孔內部得到均勻的絕緣層、阻擋層和種 子層，導致填充孔的導電膜品質下降，雖然采用電離PVD系統(tǒng)可使深寬比較大的硅瞳孔覆 蓋性能有所改善，但價格非常昂貴，同時也增加了工藝流程的復雜性。濕法技術(包括電鍍、化學鍍、電泳涂裝)由于其工藝簡單、成本低及極好的臺階 覆蓋率性，正受到越來越大的關注。電泳鍍膜是一種濕法鈍化成膜技術，利用外加電場使懸浮于電泳液中的帶電微粒 定向遷移并沉積于陰極或陽極基底表面。該技術具有阻斷導電通道，形成完整絕緣膜的能 力，而且，絕緣層厚度可以通過調節(jié)工藝參數(電壓、電流、溫度)加以控制，因此，以電泳鍍 膜方法制備硅通孔內絕緣膜具有合理性和可行性。但是目前通用電泳鍍膜技術獲得的涂層 厚度基本都在5p m以上，過厚的絕緣層直接影響后續(xù)阻擋層和種子層的生長，由此可知現 有的電泳鍍膜技術難以用于制備TSV絕緣層。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)濺射方法在硅通孔表面生長絕緣層成本高、工藝復 雜、臺階覆蓋性差的缺點，以及通用電泳鍍膜技術難以在深孔中獲得超薄絕緣層的種種不 足，提供一種用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法。本發(fā)明工藝簡單、成本低廉、質量良 好的硅通孔絕緣層制造方法，通過電泳鍍膜技術，在外加超聲振蕩和旋轉電極的條件下，在 硅表面生長不同材料的超薄絕緣膜，大大提高了硅通孔表面絕緣層的均勻性和絕緣性，工 藝簡單，成本低。本發(fā)明通過以下技術方案實現本發(fā)明包括以下步驟
<1>將經過DRIE(de印reaction ion etching，深反應離子刻蝕)刻蝕的硅片與 導電裝置連接為陽極或者陰極系統(tǒng)，作為導電裝置接電泳儀器的正極或者負極，構成回路。所述的硅片，經過DRIE刻蝕出通孔的硅片，硅 片的技術參數、DRIE的刻蝕參數隨 著TSV的技術指標變化而變化；所述的導電裝置具有良好的導電性，在電泳鍍膜過程中和 電泳鍍膜溶液不發(fā)生反應，而且能夠保證硅片表面電場分布均勻。<2>將與導電裝置連接好的硅片放入電泳鍍膜溶液中。所述的電泳鍍膜溶液，使用的電泳涂料的濃度為質量百分比10% -30%。所述的電泳涂料為聚氨酯改性環(huán)氧樹脂、改性丙烯酸樹脂、改性丙烯酸聚氨酯樹 月旨、丙烯酸改性環(huán)氧樹脂的一種或兩種。所述的電泳鍍膜，陰極電泳鍍膜中使用的陽極板或在陽極電泳鍍膜中使用的陰極 板為不銹鋼、碳板、鈦件等表面不和電泳鍍膜液發(fā)生反應的穩(wěn)定材料、惰性材料或者是經過 表面處理導電的非金屬材料等。<3>打開電源開始電泳鍍膜。其中所述的電泳電壓為30V-60V ；電泳時間為10S_60S ；溫度25°C -32°C其中所述的電泳鍍膜過程采用超聲振蕩，以及旋轉攪拌工藝，以保證電泳鍍膜溶 液的均勻性，提高鍍膜液的傳質能力，獲得超薄、均勻的電泳鍍膜。<4>生長完畢后，關閉電源，將硅片從電泳鍍膜溶液中取出，用去離子水超聲清洗 硅通孔，洗去懸浮涂料。所述的超聲清洗的頻率為25KHZ-68KHZ，旋轉電極的轉速為50rmp-300rpm。<5>將清洗干凈的電泳鍍膜硅片，進行初次烘干、二次烘干處理。其中所述的初次烘干溫度為80°C -IOO0C ；烘干時間為10min-20min。所述的二次烘干溫度為150°C _200°C，烘干時間為20min-30min。本發(fā)明利用電泳鍍膜技術在硅通孔中生長超薄絕緣層，與現有薄膜制備技術相比 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)本方法制備的絕緣膜厚度為1 μ m-3 μ m，厚度適當，滿足后續(xù)制造阻擋層和種 子層的需求，適合在TSV技術中應用。(2)本方法制備的絕緣層與硅基底結合良好。測試表明，生長出的絕緣層材料與 硅基底的結合力為大于2. 5MPa，采用機械旋涂的聚合物如負性SU-8光刻膠的結合力大于 0. 3MPa，采用CVD技術成型的聚合物如Parylene薄膜的結合力大于0. 7MPa?？梢钥闯?，電 泳鍍膜與硅基底的結合力比旋涂聚合物SU-8光刻膠大8倍，比CVD聚合物Parylene大3 倍以上。(3)本發(fā)明制備的應用于TSV的超模絕緣層技術，成本低，工藝流程簡單、低功耗、 無污染，具有很強的市場競爭力。


圖1是深反應離子刻蝕出的硅通孔剖面示意圖。圖2是生長出絕緣層的硅通孔剖面示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1聚氨酯改性環(huán)氧樹脂超薄絕緣膜的制備本實施例采用陰極電泳鍍膜工藝，使用聚氨酯改性環(huán)氧樹脂電泳涂料，具體包括 以下步驟(1)將待處理的硅片與導電裝置相連，導電裝置接電源的負極，電泳裝置陽極接電 源正極作為陽極系統(tǒng)。(2)將硅片放入含10%聚氨酯改性環(huán)氧樹脂的電泳鍍膜液中，在25°C的條件下， 外加頻率為25KHZ的超聲振蕩，旋轉電極轉速為50rmp，電泳電壓設定為30V，陰極電泳IOS。(3)按要求的時間完成電泳鍍膜后，取出硅片，用去離子水超聲清洗硅通孔，洗去 懸浮涂料。(4)將清潔完的硅片進行干燥處理，第一步預烘溫度為80°C，時間為20min ；第二 步后烘溫度為150°C，時間為30min。通過上述方法制備的絕緣膜厚度為1. IP m，絕緣性良好，測得其擊穿電壓為 1.98MV/cm。實施例2改性丙烯酸聚氨酯樹脂超薄絕緣膜的制備本實施例采用陰極電泳鍍膜工藝，使用改性丙烯酸聚氨酯樹脂涂料，具體包括以 下步驟(1)將待處理的硅片與導電裝置相連，導電裝置接電源的負極，電泳裝置陽極接電 源正極作為陽極系統(tǒng)。(2)將硅片放入含20%改性丙烯酸聚氨酯樹脂的電泳鍍膜液中，在25°C的條件 下，外加頻率為50KHZ的超聲振蕩，旋轉電極轉速為200rmp，電泳電壓設定為45V，陰極電泳 30S。(3)按要求的時間完成電泳鍍膜后，取出硅片，用去離子水超聲清洗硅通孔，洗去 浮漆。(4)將清潔完的硅片進行干燥處理，第一步預烘溫度為90°C，時間為15min ；第二 步后烘溫度為180°C，時間為25min。通過上述方法制備的絕緣膜厚度為2.0 μ m，絕緣性良好，測得其擊穿電壓為 2. 01MV/cm。實施例3丙烯酸改性環(huán)氧樹脂超薄絕緣膜的制備本實施例采用陽極電泳鍍膜工藝，使用丙烯酸改性環(huán)氧樹脂電泳涂料，具體包括 以下步驟(1)將待處理的硅片與導電裝置相連，導電裝置接電源的正極，電泳裝置陰極接電 源負極作為陰極系統(tǒng)。(2)將硅片放入含30%丙烯酸改性環(huán)氧樹脂的電泳鍍膜液中，在30°C的條件下，外加頻率為68KHZ的超聲振蕩，旋轉電極轉速為300rmp，電泳電壓設定為60V，陽極電泳 60S。(3)按要求的時間完成電泳鍍膜后，取出硅片，用去離子水超聲清洗硅通孔，洗去浮漆。(4)將清潔完的硅片進行干燥處理，第一步預烘溫度為100°C，時間為20min ；第 二步后烘溫度為200°C，時間為30min。通過上述方法制備的絕緣膜厚度為2.9 μ m，絕緣性良好，測得其擊穿電壓為 2.25MV/cm。
權利要求
一種用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征在于，包括以下步驟<1>將經過DRIE刻蝕的硅片與導電裝置連接為陽極或者陰極系統(tǒng)，作為導電裝置接電泳儀器的正極或者負極，構成回路；<2>將與導電裝置連接好的硅片放入電泳鍍膜溶液中；<3>打開電源開始電泳鍍膜；<4>生長完畢后，關閉電源，將硅片從電泳鍍膜溶液中取出，用去離子水超聲清洗硅通孔，洗去懸浮涂料；<5>將清洗干凈的電泳鍍膜硅片，進行初次烘干、二次烘干處理。
2.根據權利要求1所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述的硅 片，經過DRIE刻蝕出通孔的硅片，其硅片的技術參數和DRIE的刻蝕參數隨著TSV的技術指 標變化而變化。
3.根據權利要求1所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述的電 泳鍍膜溶液，使用的電泳涂料的濃度為質量百分比10% -30%。
4.根據權利要求3所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述的電 泳涂料為聚氨酯改性環(huán)氧樹脂、改性丙烯酸樹脂、改性丙烯酸聚氨酯樹脂、丙烯酸改性環(huán)氧 樹脂的一種或兩種。
5.根據權利要求1或者3所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所 述的電泳鍍膜，陰極電泳鍍膜中使用的陽極板或在陽極電泳鍍膜中使用的陰極板為穩(wěn)定材 料、惰性材料或者是導電的非金屬材料等。
6.根據權利要求1所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述的電 泳電壓為30V-60V ；電泳時間為:10S-60S ；溫度25°C -320C0
7.根據權利要求1中所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述的 電泳鍍膜，采用超聲振蕩，以及旋轉攪拌工藝。
8.根據權利要求1中所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述的 超聲清洗的頻率為25KHZ-68KHZ，旋轉電極的轉速為50rmp-300rpm。
9.根據權利要求1中所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，其中所 述的初次烘干溫度為80°C -IOO0C ；烘干時間為10min-20min。
10.根據權利要求1中所述的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法，其特征是，所述 的二次烘干溫度為150°C _200°C，烘干時間為20min-30min。
全文摘要
一種微電子材料技術領域的用于TSV絕緣層的超薄膜濕法制備方法。包括<1>將經過DRIE刻蝕的硅片與導電裝置連接為陽極或者陰極系統(tǒng)，作為導電裝置接電泳儀器的正極或者負極，構成回路；<2>將與導電裝置連接好的硅片放入電泳鍍膜溶液中；<3>打開電源開始電泳鍍膜；<4>生長完畢后，關閉電源，將硅片從電泳鍍膜溶液中取出，用去離子水超聲清洗硅通孔，洗去懸浮涂料；<5>將清洗干凈的電泳鍍膜硅片，進行初次烘干、二次烘干處理。本發(fā)明制備出了超薄的絕緣膜，膜厚為1μm-3μm；具有良好的結合力，測試結果表明絕緣膜的擊穿電壓可達2mV/cm以上；工藝流程可以在低溫下操作，鍍層生長速度快，工藝成本低。
文檔編號C25D13/06GK101886286SQ201010236669
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月27日
發(fā)明者丁桂甫, 吳義伯, 姚錦元, 李光楊, 楊春生, 汪紅 申請人:上海交通大學