[发明专利]一种用于填充垂直硅通孔TSV的复合材料及其填充方法

权利要求书

1.一种用于填充垂直硅通孔TSV的复合材料，其特征在于，该复合材料主要由金刚石和铜组成，

其中，所述金刚石的直径小于1um,该金刚石为单晶金刚石或掺硼金刚石。

2.如权利要求1所述用于填充垂直硅通孔TSV的复合材料，其特征在于，所述复合材料的热膨胀系数为4～6ppm/K，导热系数为500～800W/(m·K)；优选的，该复合材料中所述金刚石与所述铜两者的质量比为1:9～7:3。

3.一种垂直硅通孔TSV的填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在硅晶圆衬底上形成牺牲层；

(2)采用光刻工艺沿着竖直方向对所述步骤(1)得到的所述衬底进行刻蚀，从而在该衬底上形成一个轴向与该衬底上表面垂直的垂直硅通孔TSV；

(3)在所述步骤(2)得到的所述衬底的表面依次沉积粘附层、阻挡层和金属种子层；

(4)对所述步骤(3)得到的所述衬底涂抹光刻胶并采用光刻工艺处理，使得该衬底上仅有所述垂直硅通孔TSV被暴露出来；

(5)对金刚石颗粒进行敏化-活化处理的预处理，再将预处理后的金刚石颗粒加入到镀铜镀液中，搅拌使所述金刚石颗粒充分悬浮于该镀液中从而得到复合镀液；

(6)将所述步骤(4)得到的所述衬底其垂直硅通孔TSV置于所述步骤(5)得到的所述复合镀液的环境中，加入阳极，然后以所述金属种子层为阴极，通电进行电沉积，直至在该垂直硅通孔TSV内部表面沉积形成复合材料层；优选的，该复合材料层的总厚度为该垂直硅通孔TSV孔径的4/5以上；

(7)干燥所述步骤(6)所得垂直硅通孔TSV表面，然后将该垂直硅通孔TSV与金属铜基板连接，接着通过该金属铜基板向所述垂直硅通孔TSV引入电流，利用电流的电迁移作用使该金属铜基板中的铜向含有复合材料的垂直硅通孔TSV中迁移填充，直至该垂直硅通孔TSV被填充满；

优选的，所述电迁移的处理时间为80～150min，更优选为100min；

(8)对所述步骤(7)所得的衬底涂抹光刻胶并采用光刻工艺处理，去除该衬底表面上的粘附层和阻挡层，从而完成对垂直硅通孔TSV的填充。

4.如权利要求3所述垂直硅通孔TSV的填充方法，其特征在于，所述步骤(2)得到的所述垂直硅通孔TSV为圆柱形、圆台形或矩形。

5.如权利要求3所述垂直硅通孔TSV的填充方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述电沉积为复合电沉积；所述步骤(5)中，所述镀铜镀液包括CuSO4、EDTA以及甲醛，其中所述EDTA还可以被酒石酸钾钠替代，该镀铜镀液中各成分的含量为CuSO4 10～15g/L,EDTA 4.5～5.5g/L，甲醛65～75g/L；

该复合电沉积采用技术参数满足：阴极电流密度为1.4A/dm2～3.8A/dm2，搅拌强度为20rpm～200rpm，所述复合镀液中金刚石含量为2g/L～10g/L，金刚石平均粒径为0.25um～0.5um，电镀时间为10～15h。

6.如权利要求3所述垂直硅通孔TSV的填充方法，其特征在于，所述步骤(2)得到的所述垂直硅通孔TSV为两端开放的通孔，或者为一端开放且另一端封闭的盲孔；优选的，该垂直硅通孔TSV通过反应离子刻蚀方式或波什刻蚀工艺形成，深宽比范围为1：1～20：1，直径为1um～200um；优选的，所述步骤(1)中，所述硅晶圆衬底的厚度在50um～300um。