總體來(lái)講，結(jié)合了傳統(tǒng)或者現(xiàn)代封裝技術(shù)的大馬士革結(jié)構(gòu)技術(shù)和諸如金屬電介質(zhì)混合連接技術(shù)在3D-SIC解決方案中具有很強(qiáng)的代表性。IMEC的3D-SIC技術(shù)使用這樣一種工藝流程，即通過(guò)單大馬士革工藝實(shí)現(xiàn)Si層之間的銅通孔互連（TSV），這步工藝在前道和接觸孔工藝之后，但位于后道金屬層之前。這種工藝使得1-5μm直徑的小尺寸通孔成為可能，同時(shí)使得與前道區(qū)域的阻斷最小化。更進(jìn)一步，這些通孔不會(huì)阻斷后道互連線的區(qū)域。在后道連線完成之后，Si會(huì)被從襯底底部去除從而打開(kāi)通孔，隨后硅片之間會(huì)堆疊起來(lái)并使用直接的Cu-Cu互連或者Cu-介質(zhì)層互連。

    使用Cu進(jìn)行穿越Si的通孔填充

    采用電化學(xué)方法用Cu填充TSV是制造流程中很重要的一步。用Cu進(jìn)行TSV填充時(shí)需要保證沒(méi)有缺陷產(chǎn)生，從而保證堆疊的多芯片器件中沒(méi)有可靠性的問(wèn)題。另外，電鍍工藝的持續(xù)時(shí)間在很大程度上決定了全部的制造成本，因此需要將其最小化。過(guò)多的Cu淀積，比如在硅片頂部表面多余的銅，要盡可能的少，這是為了減少化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的時(shí)間。最后，對(duì)于Cu電鍍液內(nèi)添加劑的含量對(duì)Cu電鍍機(jī)理的影響，在過(guò)去的研究中也很少被提及。

    文章中，我們研究了兩種應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的方法。在第一種方法中，我們著力于發(fā)現(xiàn)電鍍工藝中添加劑的作用和電流密度的影響。在第二種方法中，我們著力于減少硅片表面Cu的淀積。兩種方法都得到了沒(méi)有空洞的電鍍Cu填充的3D通孔，同時(shí)電鍍時(shí)間也大為縮短。

    方法一：優(yōu)化添加劑成分和電流密度

    在最理想的情況下，被電鍍Cu完全填充的通孔應(yīng)該沒(méi)有空洞，并且有盡可能少的殘留銅。從經(jīng)濟(jì)的角度看，填充時(shí)間最好盡可能的短。填充的結(jié)果依賴于幾個(gè)因素，比如電鍍時(shí)的電流密度和填充工藝中添加劑的成分。添加劑包括有機(jī)平坦劑和促進(jìn)劑，它們存在于電鍍液內(nèi)并影響表面反應(yīng)。

    IMEC已經(jīng)詳細(xì)研究了添加劑成分和電流密度對(duì)Cu電鍍工藝的影響。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們?cè)?00mm硅片上使用深反應(yīng)離子蝕刻設(shè)備準(zhǔn)備了直徑5μm、深度25μm的通孔。電鍍實(shí)驗(yàn)使用具有三個(gè)可旋轉(zhuǎn)磁電極的設(shè)備完成。為了研究添加劑的影響，我們準(zhǔn)備的電解液包含0.8MCuSO₄•5H₂O\0.7MH₂SO₄,20ppm的聚乙烯乙二醇（PEG）和60ppm的Cl-(NaCl,Sigma-Aldrich)。在電解液中添加了不同含量的二硫化物作為促進(jìn)劑(SPS,RaschigGmbH,Germany)，JanusGreenB(JGB,Sigma-Aldrich)作為平坦劑。

    實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)使用2ppm的SPS和10ppm的JGB時(shí)，在淀積的開(kāi)始階段需要使用高達(dá)-5mA/cm²的電流密度來(lái)保證無(wú)空洞的填充。為了減少填充時(shí)間而增加電流密度會(huì)導(dǎo)致通孔的底部形成空洞。這個(gè)局限性可以通過(guò)如下方法克服，即通過(guò)兩個(gè)恒電流的步驟，一旦通孔的底部已經(jīng)被銅部分填充，電流密度可以增加到-15mA/cm²(圖1）。 

    然后，我們將不同含量的促進(jìn)劑（SPS,2或者7.5ppm）和平坦劑（JGB,5、10或者15ppm）組合起來(lái)觀察它們對(duì)填充工藝的影響。在使用含7.5ppmSPS和15ppm平坦劑的電解液時(shí)，我們得到了最佳的結(jié)果，即在45分鐘左右的填充時(shí)間下獲得了沒(méi)有空洞的通孔(圖2）。當(dāng)使用兩步恒電流操作時(shí)，填充時(shí)間可以進(jìn)一步的降低至25分鐘。使用商用的平坦和促進(jìn)添加劑也可以得到類似的結(jié)果。在這些實(shí)驗(yàn)中，硅片表面淀積的電鍍層厚度大約有2.5μm。

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