專利名稱：一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路及其制造領域，尤其涉及一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法。
背景技術：
隨著集成電路的集成度不斷提高，半導體技術也持續的飛速發展。現有的集成度提高主要是采取減小最小特征尺寸，例如從最小特征尺寸為90納米減小至最小特征尺寸為45納米，使得在給定的區域內能夠集成更多的元件。但上述的減小最小特征尺寸在實質上基本都是二維(2D)集成，即被集成的元件都位于半導體晶圓(wafer)的表面，隨著集成電路技術進入32納米甚至22納米技術平臺之后，其系統復雜性、設備投資成本等方面的急劇上升；因此，利用現代電子封裝技術實現高密度的三維(3D)集成，成為現今微電子電路 (包括MEMS)系統集成的重要技術途徑。在眾多的3D封裝技術中，由于硅通孔(Through -Silicon-Via，簡稱TSV)具有互連長度可以縮短到與芯片厚度相等，采用垂直堆疊的邏輯模塊取代水平分布的邏輯模塊， 且能顯著的減小RC延遲和電感效應，提高數字信號傳輸速度和微波的傳輸，實現高密度、 高深寬比的連接，進而實現復雜的多片全硅系統集成，且其密度比當前用于先進多片模塊的物理封裝高出許多倍，同時還更加節能，預期TSV能夠降低芯片功耗大約40%等優勢，使得其已經成為現在研究的熱點。圖1-7是本發明背景技術中采用傳統硅通孔(TSV)填充方法的流程結構示意圖；如圖1-7所示，傳統填充硅通孔的方法首先，在硅晶片1上設置硅通孔12 (Via !formation)，沉積絕緣阻擋層13覆蓋硅晶片1的上表面和硅通孔12的側壁及其底部(Insulation/Barrier deposition),沉積種子層 14 覆蓋絕緣阻擋層 13 (seed deposition)；然后，電鍍銅(Cu)覆蓋種子層14并充滿硅通孔12 (Cu plating)，形成銅金屬層15并在其上黏粘晶圓載體16 (wafer carrier attachment)；最后，減薄晶片1使得通孔12內底部的填充物暴露(wafer thinning)，對剩余晶片11進行底部處理(backside processing)后去除晶圓載體 16 (wafer carrier remove)。但是，TSV技術的最大難點在于硅通孔的填充，這主要是由于硅通孔的高深寬比所造成的。因為TSV技術中硅通孔的高深寬比，使得采用銅互連工藝所要求的阻擋層和種子層的臺階覆蓋性較差，從而易導致通孔的失效。而近幾年，導電水凝膠的研究熱點已經從起始的聚電解質導電水凝膠逐步過渡到無機物添加導電水凝膠及導電高分子基導電水凝膠，這主要是因為單一的聚電解質導電水凝膠的機械強度和穩定性都不能達到工藝的需求，而經過無機物添加或者導電高分子材料復合的導電水凝膠不但具有良好的導電性和穩定性，同時還具有較好的機械強度，且由于在凝膠產生之前其為溶液，對通孔的填充具有天然的優勢，這就使其在集成電路互連方面具有了實際應用價值。
發明內容
本發明公開了一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，包括以下步驟 步驟Sl 于一設置有硅通孔的硅晶片上淀積絕緣阻擋層覆蓋硅晶片的上表面和硅通
孔底部及其側壁；
步驟S2 制備導電聚合物凝膠覆蓋絕緣阻擋層并充滿硅通孔； 步驟S3 去除覆蓋在硅晶片上表面的導電聚合物凝膠和絕緣阻擋層； 步驟S4 依次采用金屬薄膜沉積和光刻刻蝕工藝于硅通孔上形成上部金屬凸起，該上部金屬凸起覆蓋剩余導電聚合物凝膠和剩余絕緣阻擋層的上表面；
步驟S5 減薄硅晶片并去除硅通孔底部的剩余絕緣阻擋層至硅通孔底部的導電聚合物凝膠，并采用金屬薄膜沉積和光刻刻蝕工藝于硅通孔暴露部分上形成下部金屬凸起，該下部金屬凸起覆蓋剩余導電聚合物凝膠和剩余覆蓋在硅通孔側壁上絕緣阻擋層的下表面。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，硅通孔的直徑為l-50um，深度為 10-500um。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，步驟Sl中采用化學氣相沉積工藝沉積絕緣阻擋層。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，絕緣阻擋層的材質為二氧化硅， 厚度為5-500A。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，步驟S2中采用紫外線光引發聚合法制備導電聚合物凝膠。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，采用紫外線光引發聚合法制備導電聚合物凝膠，即
首先，配制含有交聯劑(NNMBA)、光引發劑丙酮二羧酸(OGA)、單體2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和苯胺的混合溶液，并均勻浸潤硅晶片表面及硅通孔后，將該硅晶片在紫外光下照射；
然后，將該硅晶片浸入含有引發劑過硫酸銨的HCl溶液中制備具有半互穿網絡結構的導電聚合物凝膠。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，紫外線的波長(λ )為365nm。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，步驟S2中通過采用無機物或高分子添加也能形成導電聚合物凝膠。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，導電聚合物凝膠的電導率大于 100S/cm。上述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其中，上、下部金屬凸起的材質為Al， 厚度為10-50nm。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明提出一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，通過利用導電凝膠聚合之前為溶液，對硅通孔能實現良好填充的特性，在制備的絕緣阻擋層上形成充滿硅通孔的導電聚合物凝膠，并利用導電凝膠的高導電性和穩定性， 于硅通孔上表面及其底部形成上、下部金屬突起，以實現導電互連，從而解決了因為硅通孔 (TSV)的高深寬比，采用銅互連工藝所要求的阻擋層和種子層的臺階覆蓋性差，而導致硅通孔失效的問題。
圖1-7是本發明背景技術中采用傳統硅通孔(TSV)填充方法的流程結構示意圖； 圖8-14是本發明導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法的流程結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明
圖8-14是本發明導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法的流程結構示意圖；如圖8-14所示，本發明一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法
首先，在設置有硅通孔22(Through -Silicon-Via,簡稱TSV)的硅晶片2上采用化學氣相淀積(chemical vapor deposition,簡稱CVD)工藝淀積絕緣阻擋層23，該絕緣阻擋層23 覆蓋硅晶片2的上表面和硅通孔22的底部及其側壁；其中，硅通孔22的直徑d為l-50um， 深度H為10-500um，而絕緣阻擋層23的材質為二氧化硅，其厚度h為5-500A。其次，采用波長λ為365nm的紫外線引發聚合法制備導電聚合物凝膠M，其覆蓋絕緣阻擋層23并充滿硅通孔22。具體的，配制含有交聯劑(NNMBA)、光引發劑丙酮二羧酸 (OGA)、單體2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和苯胺等的混合溶液，并將硅晶片2的表面及硅通孔22均勻浸潤，以保證硅通孔22內充滿該溶液；之后，將該硅晶片2在紫外光下照射，以使光引發劑在紫外光的作用下分解成自由基，而自由基再引發AMPS單體聚合， 并交聯成PAMPS水凝膠；再將該硅晶片2浸入含有引發劑過硫酸銨的HCl溶液中，以引發苯胺單體聚合，形成具有半互穿網絡結構的導電聚合物凝膠M。其中，導電聚合物凝膠M的電導率大于100S/cm。進一步的，通過采用無機物或高分子添加也能形成導電聚合物凝膠M。然后，去除覆蓋在硅晶片2的上表面部分的導電聚合物凝膠M和絕緣阻擋層23 ； 繼續依次采用金屬薄膜沉積和光刻刻蝕工藝于硅通孔22上形成上部金屬凸起25，該上部金屬凸起25覆蓋剩余導電聚合物凝膠241和剩余絕緣阻擋層231的上表面。最后，減薄硅晶片2并去除覆蓋在硅通孔22底部上部分的剩余絕緣阻擋層231至硅通孔底部的導電聚合物凝膠對1，并再次采用金屬薄膜沉積和光刻刻蝕工藝于此時硅通孔2暴露部分上形成下部金屬凸起沈，該下部金屬凸起沈覆蓋剩余導電聚合物凝膠241和剩余覆蓋在硅通孔22側壁上絕緣阻擋層2311的下表面。進一步的，上部金屬凸起25和下部金屬凸起沈的材質為Al，厚度均為10-50nm。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明提出一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，通過利用導電凝膠聚合之前為溶液，對硅通孔能實現良好填充的特性，在制備的絕緣阻擋層上形成充滿硅通孔的導電聚合物凝膠，并利用導電凝膠的高導電性和穩定性， 于硅通孔上表面及其底部形成上、下部金屬突起，以實現導電互連，從而解決了因為硅通孔 (TSV)的高深寬比，采用銅互連工藝所要求的阻擋層和種子層的臺階覆蓋性差，而導致硅通孔失效的問題。通過說明和附圖，給出了具體實施方式
的特定結構的典型實施例，基于本發明精神，還可作其他的轉換。盡管上述發明提出了現有的較佳實施例，然而，這些內容并不作為局限。
對于本領域的技術人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。 因此，所附的權利要求書應看作是涵蓋本發明的真實意圖和范圍的全部變化和修正。在權利要求書范圍內任何和所有等價的范圍與內容，都應認為仍屬本發明的意圖和范圍內。
權利要求
1.一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟Sl 于一設置有硅通孔的硅晶片上淀積絕緣阻擋層覆蓋硅晶片的上表面和硅通孔底部及其側壁；步驟S2 制備導電聚合物凝膠覆蓋絕緣阻擋層并充滿硅通孔；步驟S3 去除覆蓋在硅晶片上表面的導電聚合物凝膠和絕緣阻擋層；步驟S4 依次采用金屬薄膜沉積和光刻刻蝕工藝于硅通孔上形成上部金屬凸起，該上部金屬凸起覆蓋剩余導電聚合物凝膠和剩余絕緣阻擋層的上表面；步驟S5 減薄硅晶片并去除硅通孔底部的剩余絕緣阻擋層至硅通孔底部的導電聚合物凝膠，并采用金屬薄膜沉積和光刻刻蝕工藝于硅通孔暴露部分上形成下部金屬凸起，該下部金屬凸起覆蓋剩余導電聚合物凝膠和剩余覆蓋在硅通孔側壁上絕緣阻擋層的下表面。
2.根據權利要求1所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，硅通孔的直徑為l_50um，深度為10-500um。
3.根據權利要求1所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，步驟Sl中采用化學氣相沉積工藝沉積絕緣阻擋層。
4.根據權利要求1或3所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，絕緣阻擋層的材質為二氧化硅，厚度為5-500A。
5.根據權利要求1所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，步驟S2中采用紫外線光引發聚合法制備導電聚合物凝膠。
6.根據權利要求5所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，采用紫外線光引發聚合法制備導電聚合物凝膠，即首先，配制含有交聯劑(NNMBA)、光引發劑丙酮二羧酸(OGA)、單體2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和苯胺的混合溶液，并均勻浸潤硅晶片表面及硅通孔后，將該硅晶片在紫外光下照射；然后，將該硅晶片浸入含有引發劑過硫酸銨的HCl溶液中制備具有半互穿網絡結構的導電聚合物凝膠。
7.根據權利要求5或6所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，紫外線的波長(λ )為365nm。
8.根據權利要求1所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，步驟S2中通過采用無機物或高分子添加也能形成導電聚合物凝膠。
9.根據權利要求1、5、6或8所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，導電聚合物凝膠的電導率大于lOOS/cm。
10.根據權利要求1所述的導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，其特征在于，上、下部金屬凸起的材質為Al，厚度為10-50nm。
全文摘要
本發明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法。本發明一種導電聚合物凝膠填充硅通孔的方法，通過利用導電凝膠聚合之前為溶液，對硅通孔能實現良好填充的特性，在制備的絕緣阻擋層上形成充滿硅通孔的導電聚合物凝膠，并利用導電凝膠的高導電性和穩定性，于硅通孔上表面及其底部形成上、下部金屬突起，以實現導電互連，從而解決了因為硅通孔的高深寬比，采用銅互連工藝所要求的阻擋層和種子層的臺階覆蓋性差，而導致硅通孔失效的問題。
文檔編號H01L21/768GK102446844SQ20111035986
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者周軍 申請人:上海華力微電子有限公司