專利名稱：用于tsv銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體封裝中的功能結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體說是一種用于TSV(Through SiliconVias,娃通孔)銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)各種芯片功能多樣性和運(yùn)行速度的要求不斷提高，為了滿足上述要求，集成電路的尺寸必須不斷地縮小。但是，微加工工藝特征線寬的降低并非永無止境，一味追求細(xì)線寬已經(jīng)帶來很多技術(shù)難題，改變單純追求平面內(nèi)集成度提升的傳統(tǒng)思路，采用堆疊(3D)集成的方法延續(xù)芯片集成度持續(xù)上升之路，被認(rèn)為是繼續(xù)提高芯片及其組件集成度極具潛力的技術(shù)途徑。三維堆疊封裝早已有之，通常以引線鍵合方式實(shí)現(xiàn)片間互連，硅通孔(TSV—Through SiliconVias)互連技術(shù)提供了更為緊湊的堆疊封裝互連方式，成為高密度三維封裝最具吸引力的發(fā)展方向之一。TSV是一種制作在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的垂直導(dǎo)電通道。該通道可以構(gòu)成貫穿半導(dǎo)體芯片的電連接，將信號(hào)從半導(dǎo)體芯片的一面?zhèn)鲗?dǎo)到另一面，實(shí)現(xiàn)多層半導(dǎo)體芯片的三維集成，它能夠有效縮短芯片間互連線的長度，降低連線的寄生參數(shù)，提高系統(tǒng)的工作速度，降低功耗，因此贏得廣泛關(guān)注。在基于TSV互連的電子封裝架構(gòu)中，垂直的通孔互連銅柱與芯片表面的再分布層互連導(dǎo)線通過焊墊連接，焊墊一般位于銅柱的頂端，同時(shí)也是與其它芯片通過鍵合實(shí)現(xiàn)互連的位置。目前最常見的TSV焊墊大多采用廠商推薦的簡單平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接覆蓋在銅柱及其毗連區(qū)表面(圖1，4為傳統(tǒng)焊墊)。盡管上述設(shè)計(jì)經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是在多次熱循環(huán)后，位于Btt連區(qū)的焊墊常常發(fā)生斷裂(圖2) (P.Garrou, Researchers Strive forCopper TSV Reliability, Semiconductor International2009/ll).(《半導(dǎo)體國際》，2009年11月)(“研究人員對(duì)娃通孔銅可靠性的努力”))。Rainer Dudek等人在《200910thInternational Conference on Thermal, Mechanical and Mult1-physics simulationand Experiments in Microelectronics and Microsystems)) (〈〈2009 年第 10 屆關(guān)于微電子與微系統(tǒng)的熱，機(jī)械和多物理場仿真與實(shí)驗(yàn)國際會(huì)議》，2009年5月)發(fā)表了題為“Thermo-mechanical reliability assessment for3D Through-Si Stacking，，(“對(duì)于三維硅堆疊的熱機(jī)械可靠性評(píng)估”)的論文，研究了帶有傳統(tǒng)焊墊的單孔TSV銅互連的熱機(jī)械可靠性，對(duì)上述現(xiàn)象做出了合理的解釋。當(dāng)芯片溫度發(fā)生變化時(shí)，由于TSV中金屬銅柱的熱膨脹系數(shù)與相鄰硅材料相比要大許多倍，因此在TSV通孔銅柱與硅孔交界區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很大的局部熱應(yīng)力，經(jīng)過這一應(yīng)力的反復(fù)作用，會(huì)導(dǎo)致通孔上方的焊墊逐漸脫離芯片表面甚至斷裂。焊墊的斷裂直接導(dǎo)致芯片(組)內(nèi)電互連失效，成為制約產(chǎn)品使用壽命的關(guān)鍵因素之
一

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述影響TSV封裝壽命的焊墊斷裂問題，本發(fā)明提出了一種可以減輕TSV/硅孔交界區(qū)熱應(yīng)力對(duì)焊墊結(jié)構(gòu)影響的應(yīng)力隔離焊墊設(shè)計(jì)，以及該隔離焊墊的制備方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供一種用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)包括位于TSV通孔銅柱與硅孔壁交界區(qū)域的跨越式連接部分和附著于TSV銅柱頂端面和硅芯片表面的平鋪部分。所述的跨越式連接部分沿著TSV通孔邊緣的走向分布，其中設(shè)有隆起部分，該隆起部分覆蓋在TSV銅柱與硅孔壁交界線的正上或和/或正下方。優(yōu)選地，所述焊墊隆起部分形狀為未閉合的兩個(gè)對(duì)稱圓弧或者閉合的圓周。焊墊隆起部分的橫截面呈長方形，正方形、拱形或者它們的組合。優(yōu)選地，所述的兩個(gè)對(duì)稱圓弧或者閉合圓周的中心是空心的，或者填充柔性物質(zhì)。優(yōu)選地，所述焊墊的平鋪部分是指緊貼在通孔銅柱端面和芯片表面絕緣層上的金屬膜片，它們通過圓形或弧形隆起部分連成一體。本發(fā)明提出一種跨越TSV/硅孔交界區(qū)的焊墊設(shè)計(jì)，使作為焊墊的金屬膜在在大部分與TSV銅柱和芯片表面緊密結(jié)合的同時(shí)，只在銅柱與硅孔壁交界的環(huán)狀微區(qū)脫離表面，形成跨越式連結(jié)溝通垂直互連銅柱(TSV)與再分布互連導(dǎo)線。這樣當(dāng)銅柱與硅孔交界處產(chǎn)生集中熱應(yīng)力形變時(shí)，并不能直接傳遞給跨越式焊墊結(jié)構(gòu)，同時(shí)跨越式結(jié)構(gòu)還能通過自身易于形變的特性很好地適應(yīng)因界面變形而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化，從而確保焊墊內(nèi)應(yīng)力處于安全區(qū)間，降低斷裂的可能性，減少電互連失效現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供一種用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括如下步驟:第一步，沿硅孔邊緣走向，形成覆蓋銅柱與硅孔壁交界區(qū)域的光刻膠微結(jié)構(gòu)；第二步，在包括銅柱端面、光刻膠微結(jié)構(gòu)表面及其外緣毗鄰區(qū)域表面形成一層金屬膜，使之覆蓋上述區(qū)域，且覆蓋在光刻膠微結(jié)構(gòu)表面的金屬層有不連續(xù)的犧牲孔，這樣形成應(yīng)力隔離焊墊的電連接結(jié)構(gòu)；第三步，通過選擇性刻蝕去除光刻膠微結(jié)構(gòu)，使焊墊隆起部分的結(jié)構(gòu)懸空，最終形成應(yīng)力隔離焊墊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:與現(xiàn)有的焊墊相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)跨越TSV通孔銅柱與硅孔壁交界區(qū)域，可以有效抑制該區(qū)域因熱應(yīng)力而導(dǎo)致的劇烈形變直接傳遞給焊墊，保證焊墊不會(huì)因此而斷裂或者剝離。從而確保與焊墊毗鄰的再分布互連線可靠接通。同時(shí)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的應(yīng)力隔離焊墊的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，制備工藝可行，重現(xiàn)性好，易于普及應(yīng)用。


通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:圖1為傳統(tǒng)焊墊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為銅凸出所導(dǎo)致的普通焊墊斷裂情形；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例隔離焊墊結(jié)構(gòu)示意圖4至圖22為實(shí)施例制備應(yīng)力隔離焊墊的具體方法示意圖；圖中:應(yīng)力隔離焊墊1，晶圓2，跨越式連接部分3，傳統(tǒng)焊墊4，平鋪部分5，基體11，絕緣層12，TSV13，光刻膠14，開口 15，種子層16，光刻膠17，開口 18，金屬層19，絕緣層20，開口 21，金屬層22，光滑弧面形態(tài)23，種子層24、絕緣層25，金屬層26，金屬層27。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1如圖3所示，為一典型應(yīng)力隔離焊墊實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為應(yīng)力隔離焊墊。該應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)包括位于TSV通孔銅柱與硅孔壁交界區(qū)域的跨越式連接部分3和附著于TSV銅柱頂端面和硅芯片表面的平鋪部分5。所述的跨越式連接部分3沿著TSV通孔邊緣的走向分布，其中設(shè)有隆起部分覆蓋在TSV銅柱與硅孔壁交界線的正上方，當(dāng)然，其他實(shí)施例中也可以覆蓋在在TSV銅柱與硅孔壁交界線的正下方，或者同時(shí)覆蓋在在TSV銅柱與硅孔壁交界線的正上方、正下方。焊墊的平鋪部分5是指緊貼在通孔銅柱端面和芯片表面絕緣層上的金屬膜片，它們通過圓形或弧形隆起部分連成一體。圖3中所示的焊墊隆起部分形狀為未閉合的兩個(gè)對(duì)稱圓弧或者閉合的圓周，焊墊隆起部分的橫截面呈長方形，當(dāng)然，在其他實(shí)施例中焊墊隆起部分的橫截面也可以是其他形狀，比如正方形、拱形或者長方形、正方形、拱形的組合。本實(shí)施例，所述的兩個(gè)對(duì)稱圓弧或者閉合圓周的中心可以是空心的，當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，也可以填充光刻膠、聚酰亞胺等柔性物質(zhì)。本實(shí)施例，所述焊墊的材料為銅、鎳、鋁或者它們的多層組合中一種。本實(shí)施例，所述的焊墊長度范圍為10-300 μ m，寬度范圍為3-120 μ m。實(shí)施例2參考圖4提供了一種基體11。襯底11優(yōu)選為硅基體，但是它也可以包括其他半導(dǎo)體材料，例如III族，IV族或者V族元素。TSV13形成在基體11中，并從前表面(圖中朝上的表面)延伸到基體下表面。絕緣層12形成在基體11的上表面和TSV的側(cè)壁。它將TSV13與基體11電絕緣。絕緣層12可以由氧化硅、氮化硅等電介質(zhì)材料形成。在圖5，圖6中顯示了光刻膠微結(jié)構(gòu)的形成。在圖5中，光刻膠14先被旋涂在晶圓2上表面。圖5中光刻膠14通過曝光顯影，從而形成開口 15，如圖6中所示。圖7顯示了圖形化后的光刻膠14和開口 15的頂視圖。光刻膠14位于TSV13/硅孔交界區(qū)，橫截面呈長方形、拱形或者它們的組合。寬度范圍為3-20 μ m,高度范圍為1-5 μ m。參考圖8,種子層16形成在光刻膠微結(jié)構(gòu)14和開口 15上。種子層16可以使用的材料包括銅、銀、金以及他們的組合。在形成種子層前先濺射一層鉻或者鈦粘結(jié)層，利用粘結(jié)層來增加種子層16與晶圓2之間的結(jié)合力。種子層16利用相應(yīng)的常規(guī)濕法和干法工藝形成。在圖9中，種子層16上覆蓋一層光刻膠17，厚度范圍為2_5 μ m。接著光刻膠17被圖形化后形成開口 18。圖10和圖11分別是光刻膠17和開口 18的剖面圖和頂視圖。開口 18呈長方形，也可以呈圓形、六邊形等其他形狀，長度范圍為10-300 μ m,寬度范圍為3-120 μ m。開口 18使TSV13和基體11上表面的部分種子層暴露出來，為后面的電鍍工藝創(chuàng)造必要條件。在圖12中，金屬層19形成在開口 18中。金屬層19的厚度范圍為3_8 μ m。金屬層19可以使用的材料包括銅、鎳、銀、金、鋁以及它們的組合。它們利用相應(yīng)的常規(guī)的濕法和干法工藝形成。在圖13中，光刻膠17經(jīng)過曝光顯影后被去除，暴露出光刻膠17下面的種子層16。暴露出的種子層16利用雙氧水和氨水溶液去除，再利用高錳酸鉀堿性溶液去除鉻或者鈦粘結(jié)層。最后形成的結(jié)構(gòu)如圖14所示。在圖15中，絕緣層20覆蓋在絕緣層12和金屬層19上。厚度范圍為2-5μπι。絕緣層20可以由二氧化硅、氧化硅、氮化硅等電介質(zhì)材料形成。用濕法刻蝕形成開口 21，剩余的絕緣層20覆蓋了應(yīng)力隔離焊墊的周邊和原先的絕緣層17，如圖16所示。圖17是絕緣層20和開口 21的頂視圖。在圖18中，接著在開口 21和絕緣層20上形成再分布互連金屬層22，金屬層22可以是銅、鎳、銀、金、鋁以及他們的組合，它同樣可以用相應(yīng)的濕法和干法方法形成。金屬層22的厚度范圍為3-8 μ m。最后去掉光刻膠14，形成圖19中的應(yīng)力隔離焊墊和外圍電互連金屬層22。光刻膠14可以是聚酰亞胺等柔韌性物質(zhì)，由于它們?nèi)菀鬃冃?，可以釋放銅柱與硅孔交界的部分熱應(yīng)力，從而不用被去除。實(shí)施例3在另一實(shí)施例中，將實(shí)施例2的圖形化的光刻膠微結(jié)構(gòu)14升溫到110°C左右，光刻膠14流變后就形成圖20中的光滑弧面形態(tài)23。其余圖21中的種子層24、絕緣層25、金屬層26和金屬層27采用實(shí)施例1中同樣的方法形成，最后選擇性清除光刻膠，形成圖22中應(yīng)力隔離焊墊和外圍電互連金屬層27。從以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明使作為焊墊的金屬膜在大部分與TSV銅柱和芯片表面緊密結(jié)合的同時(shí)，只在銅柱與硅孔壁交界的環(huán)狀微區(qū)脫離表面，形成跨越式連結(jié)溝通垂直互連銅柱與再分布互連導(dǎo)線。這樣當(dāng)銅柱與硅孔交界處產(chǎn)生集中熱應(yīng)力形變時(shí)，并不能直接傳遞給跨越式焊墊結(jié)構(gòu)，同時(shí)跨越式結(jié)構(gòu)還能通過自身易于形變的特性很好地適應(yīng)因界面變形而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化，從而確保焊墊內(nèi)應(yīng)力處于安全區(qū)間，降低斷裂的可能性，減少電互連失效現(xiàn)象發(fā)生。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括位于TSV通孔銅柱與硅孔壁交界區(qū)域的跨越式連接部分和附著于TSV銅柱頂端面和硅芯片表面的平鋪部分； 所述的跨越式連接部分沿著TSV通孔邊緣的走向分布，其中設(shè)有隆起部分，該隆起部分覆蓋在TSV銅柱與硅孔壁交界線的正上和/或正下方，平鋪部分附著于TSV銅柱頂端面和娃芯片表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述焊墊的隆起部分形狀為未閉合的兩個(gè)對(duì)稱圓弧或者閉合的圓周。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的兩個(gè)對(duì)稱圓弧或者閉合圓周的中心是空心的，或者填充柔性物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述焊墊的隆起部分的橫截面呈長方形、正方形、拱形或者它們的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述焊墊的平鋪部分是緊貼在通孔銅柱端面和芯片表面絕緣層上的金屬膜片，它們通過圓形或弧形隆起部分連成一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的焊墊長度范圍為10-300 μ m,寬度范圍為3-120 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述焊墊的材料為銅、鎳、鋁或者它們的多層組合。
8.一種制備權(quán)利要求1所述的用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊的方法，其特征在于:采用以下工藝實(shí)現(xiàn): a)第一步，沿硅孔邊緣走向，形成覆蓋銅柱與硅孔壁交界區(qū)域的光刻膠微結(jié)構(gòu)； b)第二步，在包括銅柱端面、光刻膠微結(jié)構(gòu)表面及其外緣毗鄰區(qū)域表面形成一層金屬膜，使之覆蓋上述區(qū)域，且覆蓋在光刻膠微結(jié)構(gòu)表面的金屬層有不連續(xù)的犧牲孔，這樣形成應(yīng)力隔離焊墊的電連接結(jié)構(gòu)； c)第三步，通過選擇性刻蝕去除光刻膠微結(jié)構(gòu)，使焊墊隆起部分的結(jié)構(gòu)懸空，最終形成應(yīng)力隔離焊墊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于TSV銅互連的應(yīng)力隔離焊墊結(jié)構(gòu)及其制備方法，包括位于TSV通孔銅柱與硅孔壁交界區(qū)域的跨越式連接部分和附著于TSV銅柱頂端面和硅芯片表面的平鋪部分；使作為焊墊的金屬膜在大部分與TSV銅柱和芯片表面緊密結(jié)合的同時(shí)，只在銅柱與硅孔壁交界的環(huán)狀微區(qū)脫離表面，形成跨越式連結(jié)溝通垂直互連銅柱與再分布互連導(dǎo)線。這樣當(dāng)銅柱與硅孔交界處產(chǎn)生集中熱應(yīng)力形變時(shí)，并不能直接傳遞給跨越式焊墊結(jié)構(gòu)，同時(shí)跨越式結(jié)構(gòu)還能通過自身易于形變的特性很好地適應(yīng)因界面變形而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化，從而確保焊墊內(nèi)應(yīng)力處于安全區(qū)間，降低斷裂的可能性，減少電互連失效現(xiàn)象發(fā)生。
文檔編號(hào)H01L23/488GK103107154SQ20131002529
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者王桂蓮, 王艷, 汪紅 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)