电脉冲调控的铜在硅通孔内自底向上沉积及纳米孪晶生长

3D-TSV(Through Silicon Via)is one of the most advanced semiconductor packaging technologies,and the metal filling within TSV is the fundamental way for the 3D interconnect. Regarding the Cu void-free filling and microstructure optimization,those are key issues to determine the performance of 3D integrated circuit in service,this work will investigate the mechanisms of Cu "bottom-up" electrodepositon and nano-twins formation by the regulation of pulse current.In detail, we will investigate the mechanism of additives selective and competitive adsorption on the wall of TSV by the reverse pulse regulation, establish Cu "bottom-up" electrodeposition mechanism model under period pulse reverse(PPR), and develop a new approach of void-free filling for TSV using PPR. In addition, we will character the nano-twins structure within the filled Cu in TSV,build up the relationship between the electrodeposition conditions and the nano-twins,reveal the mechanism of nano-twins growth during the "bottom-up" deposition process,and build up the formula of high density nano-twins growth within the filling of TSV. It is aimed to build a 3D interconnect of high electrical conductivity, electro-migration resistance, mechanical property and thermal stability. The work will explore new approach and lay the foundation for the 3D integrated circuit with excellent electrical, mechanical and thermal performances.

三维硅通孔(3D-TSV)是当前最先进的半导体封装技术，金属化填充是TSV实现垂直导通的根本途径。本项目拟针对高深径比TSV内Cu填充的无孔洞化和组织优化等决定三维集成电路性能的关键问题，探索电脉冲条件下Cu在TSV内"自底向上"电沉积及纳米孪晶生长的机理和方法。研究反向电脉冲对镀液添加剂在TSV孔壁选择性和竞争性吸附行为的调控机理，构建正反向脉冲条件下Cu在TSV内"自底向上"沉积的机制模型，发展TSV内Cu无孔洞填充的新方法。表征TSV内Cu填充中的纳米孪晶组织，建立电沉积条件与纳米孪晶组织的关系，揭示Cu在"自底向上"沉积中纳米孪晶生长的机理，建立在TSV填充中生长高密度纳米孪晶组织的方法，构建出高导电性、电迁移抗性、力学和热稳定性的三维互连结构，为发展具有优异电学、力学和热学的三维集成电路探索途径和奠定基础。

三维硅通孔(3D-TSV)是当前最先进的半导体封装技术，金属化填充是TSV 实现垂直导通的根本途径。本项目针对高深径比TSV 内Cu 填充的无孔洞化和组织优化等决定三维集成电路性能的关键问题，研究了电脉冲条件下Cu 在TSV 内“自底向上”电沉积及纳米孪晶生长的机理和方法。研究了反向脉冲对添加剂在TSV微盲孔壁上吸附行为的影响，利用电化学测试和实际电镀填充试验揭示反向脉冲对抑制剂、加速剂、整平剂等单添加剂的作用，并建立氯离子浓度相关的机制模型；揭示反向脉冲对抑制剂、加速剂、整平剂添加剂组合在微孔壁选择性和竞争性吸附的作用；构建出正反向电脉冲条件下“抑制剂-加速剂-整平剂”调控的Cu“自底向上”沉积方法。从添加剂吸附角度，阐释Cu“自底向上”沉积的电化学机理，据此，优化筛选最合适盲孔填充的新型整平剂。建立了TSV微孔内生长高密度纳米孪晶组织的方法，对微孔填充结构纳米孪晶形貌特征进行表征以及对其力学性能进行测试，建立添加剂、电沉积条件与纳米孪晶生长的对应关系，从多角度揭示Cu“自底向上”沉积中纳米孪晶生长的机理。本研究构建出高导电性、电迁移抗性、力学和热稳定性的三维互连结构，为发展具有优异电学、力学和热学的三维集成电路探索途径和奠定基础。发表SCI收录论文11篇，其中，第一或通讯作者论文9篇（项目第一标注8篇）；申请国家发明专利6项，与本项目相关的一项成果已实现产业化应用；培养博士生2名（已毕业1名），硕士生6名（已毕业4名）。