微孔镀膜解决方案

一、 PVD在TSV/TGV金属化中面临的共同核心挑战

• 高深宽比下的台阶覆盖与底部覆盖：这是最大的挑战。传统的PVD工艺粒子束流方向性很强，导致孔口沉积过厚，而孔侧壁底部和底部中心区域覆盖极薄甚至不连续，形成“钥匙孔”效应。

• 侧壁覆盖连续性：种子层必须在整个孔内壁（顶部、侧壁、底部）保持连续和无孔洞。任何不连续处都会导致电镀时电流密度不均，产生孔洞或填充失败。

• 薄膜均匀性与应力控制：需要保证薄膜在整个晶圆和每个孔内都具有良好的均匀性，并且内应力要低，以防止薄膜从侧壁剥落。

二、 针对TSV的PVD解决方案

TSV的PVD工艺要求极高，因为硅基材对污染敏感，且深宽比通常较大。

1. 主流PVD技术

• 电离金属等离子体物理气相沉积

  • 工作原理：在传统的磁控溅射基础上，增加一个独立的射频源，将溅射出的中性金属原子部分电离成带正电的离子。

  • 为何有效：

    • 带正电的金属离子会被施加在基片上的负偏压加速并垂直轰击基片表面。

    • 这种方向性极大地改善了底部覆盖能力，因为离子几乎是直线飞行到底部。

    • 同时，偏压带来的轰击效应还能对沉积的薄膜进行原位清洗和再溅射，进一步改善侧壁底部的覆盖。

  • 应用：这是目前TSV 阻挡层（Ta/TaN）和种子层（Cu） 沉积的主流和高性能解决方案，能够应对5：1到10：1的深宽比。

• 长距离溅射

  • 工作原理：显著增加靶材到基片的距离。

  • 为何有效：增加了原子的飞行距离，使得只有运动方向与基片表面接近垂直的原子才能到达基片表面，从而改善了方向性。这是一种相对经济但能力有限的方法。

• 自离子化等离子体溅射

  • 工作原理：通过特殊的磁场和电场配置，产生极高密度的等离子体，使其中的金属离化率大幅提升（可达80%-90%）。

  • 为何有效：其效果与IMP类似，但离化率更高，对深孔底部的覆盖能力更强。是应对极高深宽比TSV的先进技术。

2. TSV的PVD工艺序列

1. 绝缘层沉积后（SiO₂或SiNₓ），硅孔准备就绪。

2. PVD沉积阻挡层：使用IMP技术沉积一层薄而连续的TaN/Ta叠层。TaN是良好的扩散阻挡层，Ta则能促进与铜种子层的粘附。

3. PVD沉积种子层：紧接着，在同一真空腔室内，使用IMP技术沉积铜种子层。要求在整个孔内壁，特别是底部，形成连续、低电阻的铜膜。

三、 针对TGV的PVD解决方案

TGV的挑战更多在于附着力，且其深宽比通常低于TSV，这为PVD工艺提供了一些灵活性。

1. 主流PVD技术

• 磁控溅射：对于深宽比不高（如<5：1）的TGV，经过优化的磁控溅射是成本效益很高的选择。

  • 优化手段：通过旋转基片、行星式运动、调整气压和功率，可以改善覆盖均匀性。

• 电离金属等离子体物理气相沉积：

  • 为何有效：对于高深宽比的TGV，IMP同样是确保底部和侧壁覆盖连续性的最佳选择。其强大的偏压轰击还能活化光滑的玻璃表面，增强薄膜的附着力。

2. TGV的PVD工艺序列

1. 玻璃孔准备：通常会对玻璃孔进行湿法或等离子体刻蚀，使其内壁轻微粗糙化，以创造更多的机械互锁点。

2. PVD沉积粘附层：这是TGV成功的关键。使用溅射或IMP技术沉积一层Cr、Ti或Ta。这些金属能与玻璃中的氧形成牢固的化学键，提供极强的附着力。

3. PVD沉积种子层：在粘附层上沉积Cu种子层。同样，对于高深宽比孔，IMP是首选。

四、 PVD的局限性及与其它技术的协同

尽管先进的PVD技术如IMP能力强大，但当TSV/TGV的深宽比继续升高（>10：1）时，即使是IMP也面临极限。此时，PVD需要与更强大的薄膜沉积技术协同工作：

• PVD + ALD：

  • 方案：先使用PVD（如IMP）沉积一层非常薄但可能不完美的种子层，然后使用原子层沉积 沉积一层更薄、但绝对共形、无孔洞的铜层。

  • 优势：ALD能完美覆盖PVD无法覆盖的“死角”，确保整个内壁导电性。然后再用常规电镀填充。这是一种高性能、高成本的方案。