TSV技术中关键工艺基础研究

论文摘要

集成电路随着线宽的减少,互连延迟超过门延迟,限制了集成度增加。基于硅通孔(TSV)的垂直铜互连不仅可以实现高密度集成,而且其短距离互连的优势可以降低互连延迟。TSV技术的核心在于通孔的制备和填充,包含以下技术：硅通孔刻蚀,绝缘层(介质层)沉积,阻挡层和种子层制备,通孔填充。常见工艺中阻挡层和种子层采用干法溅射的方法制备。两次干法溅射成本很高,而且干法溅射在高深宽比孔中淀积的膜台阶覆盖性很差,影响后续电镀铜。论文中提出一种阻挡层与种子层一体化工艺,通过溅射制备钛膜,利用其底层作为阻挡层,表层氧化后作为种子层。该一体化制备工艺,不仅降低了工艺成本,而且湿法氧化得到的氧化钛膜有较好的均匀性。论文中研究了钛膜的制备工艺。通过比较两种方法制备的氧化钛膜的导电性、均匀性、与铜膜的结合力等确定了较佳的钛膜制备工艺。论文中研究了钛膜的湿法氧化工艺。为了确定较佳的氧化条件：水浴温度,溶液中NaOH和H2O2的量,设计了正交试验来确定较佳的氧化条件。论文中研究了钛膜及其氧化膜的阻挡性能。将样品放在不同温度下热退火,利用XPS的深度剖析(depth profiling)来检测铜的扩散情况。论文中研究了深孔中钛膜氧化的实验条件。为了促进孔内钛膜的氧化,论文中降低了湿法氧化的温度,使氧化过程尽量变慢。在此基础上,研究了搅拌,超声环境,添加表面活性剂等方法对深孔中钛膜氧化的促进作用,氧化结果通过电镀铜来观察。论文中最终在深宽比为2：1的通孔中实现了铜的无孔洞填充。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 铜互连
• 1.1.2 通孔的制备方法
• 1.1.3 扩散阻挡层的研究现状
• 1.1.4 常见种子层
• 1.1.5 通孔电镀填充
• 1.2 论文的研究意义、内容及方法
• 1.2.1 本论文的研究意义及内容
• 1.2.2 本论文的研究方法
• 1.2.3 本论文的章节安排
• 第二章 阻挡层钛膜的制备工艺研究
• 2.1 离子束溅射
• 2.1.1 离子束溅射技术概述
• 2.1.2 本研究内容
• 2.2 磁控溅射
• 2.2.1 磁控溅射概述
• 2.2.2 本研究的实验内容
• 2.3 结果分析
• 第三章 钛膜的湿法氧化工艺研究
• 3.1 氧化钛制备方法
• 3.2 本研究的内容
• 3.2.1 离子束溅射获得的钛片的氧化
• 3.2.2 磁控溅射获得的钛片的氧化
• 第四章 钛膜的阻挡特性研究
• 4.1 测试方法介绍
• 4.1.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 4.1.2 X射线衍射（XRD）
• 4.1.3 X射线光电能谱（XPS）
• 4.2 钛膜的阻挡性能
• 第五章 硅通孔中钛膜的氧化工艺研究
• 5.1 硅通孔中钛膜的台阶覆盖性研究
• 5.1.1 台阶覆盖（Step coverage）
• 5.1.2 影响台阶覆盖的因素
• 5.1.3 本研究的磁控溅射条件
• 5.2 硅通孔中钛膜的氧化工艺优化
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和专利