3.3　TSV黏附层、扩散阻挡层及种子层沉积技术

当前，TSV导电填充主要使用电镀铜来实现。由于工艺和可靠性的需要，在电镀之前首先需要在绝缘层表面沉积黏附层、扩散阻挡层和种子层。对于铜填充的TSV，沉积黏附层和扩散阻挡层的技术，如Ti-TiN、Ti-TiW和Ta-TaN，沿用了集成电路的制造技术。

为了晶格匹配，种子层一般选择铜材料。针对黏附层、扩散阻挡层和种子层沉积，PVD由于成本低、生产率高、一致性好等优点，是高深宽比（10∶1）通孔中最常用的制备方法［74］。离子化金属离子及二次溅射等技术，可以实现深孔上金属材料的连续覆盖，确保后续电镀工艺的有效进行。PVD工艺一般只能实现金属层大约1%的覆盖效果，所以种子层要具有一定厚度才能保证电镀填充工艺的质量。图 3-14 所示的是PVD Ti/Cu薄膜在10μm×100μm TSV内的厚度分布，最薄弱位置的覆盖率仅约1.5%，基本可以保证侧壁金属的连续覆盖，但表面厚度会达到1.4～1.5μm，这不利于TSV尺寸的进一步缩小，并给后续表面平坦化工艺带来很大负担。

图3-14　PVD Ti/Cu薄膜在10μm×100μm TSV内的厚度分布

目前PVD设备是主流TSV工艺中最昂贵的设备之一，拥有很高的成本。近年来，包括法国Alchimer公司及美国设备商Lam Research在内的多家单位，都进行了扩散阻挡层及种子层的新型沉积工艺的研究和开发。法国Alchimer公司提出使用化学镀方式在侧壁绝缘层表面沉积 NiB 层作为扩散阻挡层，可以实现超过90%的台阶覆盖率［62］。TSV 底部及开口位置的材料层覆盖情况如图 3-15 所示；进一步使用电接枝工艺制作种子层，法国Alchimer公司可以提供TSV侧壁薄膜的全湿法解决方案，实例如图3-16所示［62］。全湿法解决方案目前还没有得到应用，其工艺稳定性、良率和可靠性都还存在一些问题。

由于在微米尺度深孔内覆盖率低，因此通过PVD在更高深宽比（15∶1以上）TSV中沉积连续的阻挡层和种子层面临巨大困难。ALD和金属有机化学气相沉积（MOCVD）是制备小直径高深宽比共形金属薄层TSV的替代技术。在直径小于5μm、深宽比大于25∶1的TSV中，可以利用ALD共形沉积钌（Ru）种子层和TaN阻挡层［75］，利用MOCVD共形沉积TiN阻挡层［76］。

图3-15　法国Alchimer使用化学镀方式制作TSV扩散阻挡层的覆盖情况［62］

图3-16　法国Alchimer公司使用全湿法工艺制作TSV侧壁绝缘层/扩散阻挡层/种子层实例

使用ALD工艺制备阻挡层，再以湿法工艺制备种子层成为一个极具竞争力的高深宽比TSV制备方案。对于ALD阻挡层，TiN和TaN材料是可选材料，其中TiN在TSV结构中显示了优良的共性沉积和可靠性。但是这两种材料电阻率高，在其表面湿法沉积铜非常困难，结合力也差。ALD沉积钌、钨虽然不能作为阻挡层，但可以沉积在阻挡层上作为铜的增黏剂。Kwon等人［77］研究了通过PE ALD沉积钌薄膜作为铜和TiN之间的助黏层，衬底为40nm TiN/100nm SiO2，钌沉积温度为270℃，每个周期沉积厚度为0.038nm，电阻率是12μΩ/cm。通过剥离法黏附力测试，确认2nm超薄钌薄膜能够增强MOCVD铜和阻挡层TiN之间的结合力，提高原因在于结合面区域的Cu—Ru化学键。直径为2μm、深度为30μm的TSV结构，在ALD-Ru（10nm）/ALD-TiN（12nm）/TEOS-SiO2、ALD-W（5nm）/ALD-TiN（12nm）/TEOS-SiO2上化学镀沉积铜，然后在60℃、15min条件下完成TSV电镀铜填充。结果表明，化学镀铜和ALD-Ru之间的结合强度大于100MPa。

MOCVD钴可以作为电镀种子层衬底，电镀铜可以在钴纳米晶层上生长。研究表明，虽然钴在铜电解液中有腐蚀倾向，但即使是5nm钴薄膜，在电镀过程中腐蚀程度也很小［78］。因此，即使是超薄的钴薄膜，特别是考虑到腐蚀的主要影响因素铜离子浓度，电镀铜是可行的。Armini等人［79］报道了使用化学气相沉积（CVD）钴作为增黏剂，利用碱性药液电镀铜作为种子层，再用酸性电镀药液完成盲孔电镀填充的工艺方案。结果表明，开口为5μm、深宽比为8∶1的TSV，实现了无孔洞填充。电镀铜种子层在孔表面和孔底的厚度比约为2，而利用PVD铜的方法，厚度比高达50。电镀铜种子层优异的共形性，使得电镀填充有较大的工艺窗口。

美国设备商Lam Research提出新型TSV解决方案，侧壁绝缘层使用PEALD方式，扩散阻挡层使用高温ALD沉积的WN薄膜，而种子层使用电化学沉积的NiB合金薄膜，结合这几种工艺的高台阶覆盖性能，提出更小尺寸TSV的集成方案，图3-17所示的是新型TSV侧壁薄膜方案的结果，由于各薄膜层厚度很小，整体制造成本具备一定优势［37］。

图3-17　美国Lam Research公司提供的新型TSV侧壁薄膜方案的结果［37］