[发明专利]用于TSV铜互连的应力隔离焊垫结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体封装中的功能结构及其制备方法，具体说是一种用于TSV（Through SiliconVias，硅通孔）铜互连的应力隔离焊垫结构及其制备方法。

背景技术

随着电子产品的发展，对各种芯片功能多样性和运行速度的要求不断提高，为了满足上述要求，集成电路的尺寸必须不断地缩小。但是，微加工工艺特征线宽的降低并非永无止境，一味追求细线宽已经带来很多技术难题，改变单纯追求平面内集成度提升的传统思路，采用堆叠（3D）集成的方法延续芯片集成度持续上升之路，被认为是继续提高芯片及其组件集成度极具潜力的技术途径。

三维堆叠封装早已有之，通常以引线键合方式实现片间互连，硅通孔（TSV--Through SiliconVias）互连技术提供了更为紧凑的堆叠封装互连方式，成为高密度三维封装最具吸引力的发展方向之一。

TSV是一种制作在半导体芯片内部的垂直导电通道。该通道可以构成贯穿半导体芯片的电连接，将信号从半导体芯片的一面传导到另一面，实现多层半导体芯片的三维集成，它能够有效缩短芯片间互连线的长度，降低连线的寄生参数，提高系统的工作速度，降低功耗，因此赢得广泛关注。

在基于TSV互连的电子封装架构中，垂直的通孔互连铜柱与芯片表面的再分布层互连导线通过焊垫连接，焊垫一般位于铜柱的顶端，同时也是与其它芯片通过键合实现互连的位置。

目前最常见的TSV焊垫大多采用厂商推荐的简单平板结构设计，直接覆盖在铜柱及其毗连区表面（图1，4为传统焊垫）。尽管上述设计经过了大量的实验验证，但是在多次热循环后，位于毗连区的焊垫常常发生断裂（图2）（P.Garrou，Researchers Strive for Copper TSV Reliability,Semiconductor International2009/11）.（《半导体国际》，2009年11月）（“研究人员对硅通孔铜可靠性的努力”））。Rainer Dudek等人在《200910th International Conference on Thermal,Mechanical and Multi-physics simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems》（《2009年第10届关于微电子与微系统的热，机械和多物理场仿真与实验国际会议》，2009年5月）发表了题为“Thermo-mechanical reliability assessment for3D Through-Si Stacking”（“对于三维硅堆叠的热机械可靠性评估”）的论文，研究了带有传统焊垫的单孔TSV铜互连的热机械可靠性，对上述现象做出了合理的解释。当芯片温度发生变化时，由于TSV中金属铜柱的热膨胀系数与相邻硅材料相比要大许多倍，因此在TSV通孔铜柱与硅孔交界区域会产生很大的局部热应力，经过这一应力的反复作用，会导致通孔上方的焊垫逐渐脱离芯片表面甚至断裂。焊垫的断裂直接导致芯片（组）内电互连失效，成为制约产品使用寿命的关键因素之一。

发明内容

针对上述影响TSV封装寿命的焊垫断裂问题，本发明提出了一种可以减轻TSV/硅孔交界区热应力对焊垫结构影响的应力隔离焊垫设计，以及该隔离焊垫的制备方法。

根据本发明的一方面，本发明提供一种用于TSV铜互连的应力隔离焊垫结构包括位于TSV通孔铜柱与硅孔壁交界区域的跨越式连接部分和附着于TSV铜柱顶端面和硅芯片表面的平铺部分。

所述的跨越式连接部分沿着TSV通孔边缘的走向分布，其中设有隆起部分，该隆起部分覆盖在TSV铜柱与硅孔壁交界线的正上或和/或正下方。

优选地，所述焊垫隆起部分形状为未闭合的两个对称圆弧或者闭合的圆周。焊垫隆起部分的横截面呈长方形，正方形、拱形或者它们的组合。

优选地，所述的两个对称圆弧或者闭合圆周的中心是空心的，或者填充柔性物质。

优选地，所述焊垫的平铺部分是指紧贴在通孔铜柱端面和芯片表面绝缘层上的金属膜片，它们通过圆形或弧形隆起部分连成一体。