TSV技术正在朝着更高的密度和更大的深宽比方向发展，为先进的半导体集成提供了显著优势。高密度、高深宽比的TSV能够提高互连密度，促进更薄的interposer使用，并增加I/O端口的数量，从而使得芯片堆叠更加高效。这些进步对TSV孔壁的薄膜涂层以及后续的铜电镀过程提出了更高的要求。每个填充薄膜层在TSV孔中的连续性仍是一个挑战。
刻蚀完成后，需要在盲孔中沉积绝缘层、扩散阻挡层、粘合层和种子层。TSV中侧壁绝缘的主要作用是确保相邻TSV之间以及TSV与硅substrate之间的电气隔离。用于TSV绝缘的材料必须表现出优异的电气特性，包括高电阻率、高击穿电压和有利的阻抗特性。此外，这些材料应与硅有良好的原子兼容性，以最小化应力并防止TSV的结构损坏。
常见的绝缘材料包括SiO2(二氧化硅)、Si3N4(氮化硅)以及某些绝缘有机聚合物，如PI(聚酰亚胺)、BCB(苯基环丁烯)和PPC(碳酸丙烯酯)。基于聚合物的绝缘层层与传统二氧化硅绝缘层相比更具优势，因为它们可以减少寄生电容，提高热机械性能，降低介电常数，并改善热膨胀系数使之与铜晶粒相匹配。
聚苯乙烯是一种新兴的TSV绝缘层材料，具有优异的介电性能、高密度、高台阶覆盖率和低内应力。Ming ji和合作者开发了一种方法，将PECVD沉积的SiO2与聚苯乙炔层结合以增强介电性能。这种方法包括孔底SiO2刻蚀，以实现孔顶部0.92μm、中部0.49μm以及底部0.40μm厚度的绝缘层。
用于TSV绝缘层沉积的技术多种多样。使用四乙氧基正硅烷(TEOS)进行SiOx沉积的PECVD技术，由于其低温处理能力和出色的3D集成特性，显示出优势。传统的PECVD技术使用SiH4源，由于硅烷的各向异性，其步骤覆盖率较低。相比之下，TEOS提供了优越的前驱体分子流动性，且在通孔侧壁上的沉积速率更高。
热氧化是另一种有效的方法，它能够在高温下获得厚度均匀且步骤覆盖率良好的氧化物层。通过CVD或PVD沉积的氧化物层通常在通孔的顶部较厚，底部较薄。等离子体增强原子层沉积(PEALD)非常适合高深宽比的TSV，能够在低温下提供优异的台阶覆盖率，尽管沉积速率较慢且成本较高。
同样，使用SiH4源的低压化学气相沉积(SACVD)和高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)是进行绝缘层沉积的可行选择，其中SACVD在特定温度范围内能够实现高达70%的扇贝纹结构的致密覆盖。真空辅助的旋涂技术结合了传统的旋涂工艺与真空处理，能够解决可能导致薄膜缺陷的气泡形成等问题。实验结果如下图所示，展示了真空辅助旋涂的所有细节，包括盲孔的全景及其顶部、中部和底部的特写。
该低成本方法已成功用于为直径为6μm且深宽比为8的TSV薄膜层进行涂层，实现了至少30%的台阶覆盖率。Yang 及其同事利用这种方法实现了均匀的涂层，并展示了其在TSV绝缘应用中的实用性。
随后，依次沉积一个粘附层、一个扩散阻挡层和一个种子层是至关重要的，因为这些层的连续性和均匀性直接影响TSV的可靠性和成品率。
粘附层用于将绝缘材料与后续层粘结在一起，以确保层间粘结的牢固性并提高器件的机械稳定性。扩散阻挡层防止电镀填充金属材料(铜)扩散到高阻硅中，扩散后可能导致其电气性能下降并影响可靠性。
该阻挡层还为种子层的沉积提供了一个可润湿的表面。用于粘附性和扩散阻挡层的常见材料包括Ti/TiN和Ta/TaN。由于PVD具有优异的覆盖能力、一致性以及成本效益，因此在TSV中沉积薄膜时被广泛使用，其深宽比可达10:1。
Zhang 及其同事展示了通过原子层沉积(ALD)在直径为3μm、深度为50μm的TSV的顶部、侧壁和底部沉积约95nm的氧化物绝缘层，然后通过PVD依次沉积Ta阻挡层和Cu种子层。
对于具有更高密度和深宽比的高级TSV技术，需要新的高性能阻隔材料和沉积方法。例如，通过化学气相沉积(CVD)沉积的无定形锰氧化物层显示了卓越的铜扩散阻隔特性。此外，通过化学镀法沉积的单层镍层既可以作为阻隔层，也可以作为种子层，它在提高可靠性和降低工艺成本方面显示出优势。Hu、Xiong及其同事探索了一种通过化学镀法在涂有聚丙烯酸(PAA)薄膜的TSV上生长镍层的工艺。化镀镍溶液由20g/L柠檬酸钠、30g/L六水硫酸镍和30g/L一水次磷酸钠组成。TSV样品在80℃下将样品浸入化镀镍溶液中10分钟，然后用去离子水冲洗并用氮气干燥，最终获得一层厚度为190nm的镍(Ni)薄膜。
在电镀TSV之前，会沉积一层种子层作为导电层，确保电镀材料在通孔内均匀且有效地沉积。这个种子层在提高TSV的电导性和可靠性方面起着关键作用，对芯片的机械性能也很重要。用于种子层的材料包括Cu、Ni、Co和Ru，典型的沉积方法有物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)和化学镀。
种子层必须满足特定的厚度要求，以确保电镀质量。PVD由于其相对较差的台阶覆盖率，需要较厚的沉积层才能保持连续性和一致性。这种高厚度增加了后续CMP工艺的负担，使得PVD不太适用于高深宽比的TSV结构。
因此，需要开发替代的沉积技术。
文章归原作者所有，转载仅为分享和学习使用，不做任何商业用途！内容如有侵权，请联系本部删除！
