[发明专利]一种减小热应力的TSV结构及其形成方法

说明书

本发明提供了一种减小热应力的TSV结构及其形成方法，包括：在晶圆的硅基衬底层一侧制作金属垫片层、绝缘介质层；在硅基衬底层内制作贯穿硅基衬底层的导通孔并在导通孔内填充阻挡层和电镀铜柱，形成具有空洞的通孔柱。所述通孔柱包括侧壁阻挡层和铜柱，所述铜柱内设置有封闭的空洞且其中填充有惰性气体以形成通孔柱自由变形的扩展区；所述通孔柱设于所述导通孔内并与其内侧壁接触，所述铜柱一端与所述金属垫片层电性接触。本发明的一种空洞TSV结构可以更有效地减小硅基底与铜柱之间的热应力，其形成方法具有工艺兼容性强、机械可靠性高的优点，广泛用于3D晶圆级封装领域。

技术领域

本发明涉及一种硅通孔结构，具体涉及一种减小热应力的TSV结构及其形成方法。

背景技术

硅通孔(Through Silicon Via，简称TSV)是芯片之间或者晶圆之间通过在垂直方向上制作导通孔连接，从而实现芯片之间的互联。硅通孔技术相比于传统的封装技术，因具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小、功耗低等优点成为目前最具潜力的电子封装技术，被广泛应用于各种高速电路以及小型化系统中。

传统的硅通孔是通过金属铜填充形成铜柱，并且利用二氧化硅作为铜与硅基底之间的绝缘层。由于铜和硅基底之间的热膨胀系数差异很大，当温度升高时，铜柱的热变形同步变大，从而挤压二氧化硅绝缘层和硅基底，产生较大的热应力，使硅通孔结构的稳定性变差，严重时甚至造成硅通孔不能实现芯片互联的功能。

现有技术的硅通孔结构分别利用空气和有机薄膜代替氧化硅作为绝缘介质，或利用金属铜层来代替传统的实心填充铜，这些方案也都可以一定程度地减小铜和硅基底之间的热应力，但是分别存在工艺制作不简洁、铜柱的热变形控制范围较小、硅通孔铜层表面隔离层金属材料成本高且连接易受隔离层材料的影响等缺点。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种减小热应力的TSV结构及其形成方法，用于解决传统技术中所存在的硅通孔随着温度升高，热应力较大，导致硅通孔稳定性差的缺点；还用于解决现有技术中所存在的工艺制作不简洁、铜柱的热变形自由区范围窄以及硅通孔连接不紧密的缺点。

为实现上述目的，本发明一方面采用了如下的技术方案：

一种减小热应力的TSV结构，包括硅基衬底层、绝缘介质层、金属垫片层和通孔柱，所述硅基衬底层内设有贯穿其两个侧面的导通孔，所述绝缘介质层和金属垫片层均设置于所述硅基衬底层的一侧，其中，所述通孔柱包括侧壁阻挡层和金属连接柱，所述金属连接柱内设置有封闭的空洞且其中填充有惰性气体以形成通孔柱自由变形的扩展区；所述通孔柱设于所述导通孔内并与其内侧壁接触，所述金属连接柱一端与所述金属垫片层电性接触。

另一方面，本发明还提出了一种减小热应力的TSV结构的形成方法，包括：

1)提供一片在硅基衬底层一侧依次制作有金属垫片层和绝缘介质层的硅晶圆；

2)在硅晶圆的硅基衬底层内构造贯穿且连通其相对两个侧面的导通孔；

3)在硅基衬底层的导通孔内制作通孔柱，所述通孔柱包括侧壁阻挡层和金属连接柱，所述金属连接柱内设置有封闭的空洞且其中填充有惰性气体以形成通孔柱自由变形的扩展区；所述通孔柱设于所述导通孔内并与其内侧壁接触，所述金属连接柱一端与所述金属垫片层电性接触。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种具有空洞的TSV结构，当温度升高时，空洞的存在给铜柱的热变形提供了较大的自由变形区域，铜柱的热变形力大部分首先挤压空洞里面的惰性气体，只有很小的一部分热变形力作用在二氧化硅绝缘层和硅基底的侧壁，从而有效地减小了硅基底与铜柱之间的热应力。

附图说明

图1为本发明实施例中TSV结构示意图；