复旦大学团队在《ECS Journal of Solid State Science and Technology》发表高深宽比硅通孔（TSV）金属化填充新工艺研究

作者及发表信息
本研究由复旦大学微电子学院的倪子洪、夏雅群、胡春风、曲新平等与上海电力大学材料保护与电力先进材料重点实验室的邱丽娜、徐群杰合作完成，于2025年5月22日发表于《ECS Journal of Solid State Science and Technology》（2025年第14卷第5期，文章编号054003）。研究聚焦高深宽比（High-Aspect-Ratio, HAR）硅通孔（Through Silicon Via, TSV）的低成本金属化填充工艺，为三维集成电路（3D Integration）互连技术提供了创新解决方案。

学术背景
三维集成技术因具备低功耗、高性能和高集成密度等优势，被视为“超越摩尔定律”的重要路径。TSV作为垂直互连的核心技术，其金属化填充的可靠性与电性能直接影响电路性能。传统物理气相沉积（PVD）技术在深宽比超过10:1的TSV中面临台阶覆盖率不足的问题，而化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）虽能改善覆盖性，却存在高成本、高温工艺及杂质引入等缺陷。因此，开发低成本、低温且高均匀性的湿法工艺成为研究重点。
本研究旨在通过化学镀钴（Electroless Deposition, ELD Co）替代传统ALD Ti衬层，结合碱性电镀铜种子层及酸性电镀铜填充，实现直径4 μm、深度50 μm（深宽比12.5:1）的TSV无缺陷填充，并评估其电学性能。

研究流程与方法
1. 化学镀钴衬层制备
- 工艺设计：采用Sn/Pd胶体活化硅通孔内壁，以CoSO₄·7H₂O为主盐的化学镀液（pH 6.5）沉积纯钴衬层。创新性添加高分子量抑制剂A（0.7 mL/L），通过梯度吸附抑制顶部沉积速率，提升深孔内均匀性。
- 表征手段：扫描电镜（SEM）显示，添加抑制剂后衬层台阶覆盖率从63%提升至97%，厚度均匀性达76 nm（顶部）与74 nm（底部）。透射电镜（TEM）证实钴为六方密排（HCP）与面心立方（FCC）混合晶相，电阻率低至13.6 μΩ·cm。

1. 碱性电镀铜种子层

   • 优化条件：在乙二胺（en）碱性电解液（pH 7.5）中，0.1 ASD电流密度下电镀15分钟，实现铜种子层与钴衬层总台阶覆盖率70%。SEM显示连续无孔洞结构，剥离测试验证强附着力。
     
   • 关键发现：电流密度超过0.4 ASD时，底部铜沉积不连续，表明低电流密度对深孔填充至关重要。
     

2. 酸性电镀铜填充

   • 工艺参数：采用甲烷磺酸基电解液，添加剂配比为3 mL/L加速剂与10 mL/L抑制剂，0.2 ASD电流密度下实现无空洞填充。聚焦离子束（FIB-SEM）验证4个随机TSV孔洞的完整性。
     
   • 晶体学分析：电子背散射衍射（EBSD）显示铜晶粒尺寸自顶部（0.2 μm）至底部（0.3 μm）递增，归因于添加剂梯度分布与电场强度差异。
     

3. 电学性能测试

   • Kelvin结构测量：79个TSV的平均电阻为138±18 mΩ，最低值77 mΩ接近理论值（71 mΩ）。漏电流测试显示20 V偏压下仅增加87 fA，证实绝缘性能优异。
     

主要结果与逻辑关联
- 化学镀钴的均匀性（步骤1）直接决定后续种子层质量，抑制剂A的引入解决了深孔内沉积速率梯度问题。
- 碱性电镀铜的低电流密度优化（步骤2）为酸性电镀铜填充（步骤3）提供了连续导电基底，避免空洞形成。
- 晶体结构分析（EBSD）表明底部大晶粒有利于降低电阻，与电学测试结果（低至77 mΩ）相互印证。

结论与价值
1. 科学价值：首次将纯化学镀钴衬层与碱性电镀铜种子层集成于TSV工艺，证实湿法工艺在HAR微孔填充中的可行性，为替代高成本ALD/PVD提供理论依据。
2. 应用价值：工艺成本降低30%（据文中湿法对比数据），适用于5 μm以下TSV的规模化生产，推动3D集成技术在先进封装中的普及。

研究亮点
- 创新工艺：化学镀钴衬层+碱性电镀铜种子层的湿法组合为全球首次报道，突破传统PVD技术局限。
- 性能突破：12.5:1深宽比TSV的97%台阶覆盖率与77 mΩ电阻值达到国际领先水平（对比文献[20][21]中同类工艺的电阻与空洞率）。
- 可扩展性：文中提及该工艺已申请专利（参考作者2024年会议论文[26]），并计划向2 μm直径TSV延伸。

其他价值
- 跨学科贡献：开发的超声辅助活化技术可推广至其他微孔金属化场景，如MEMS传感器电极制备。
- 环保性：低温（25°C）工艺减少能耗，符合半导体行业绿色制造趋势。

（全文共计约1800字）