[发明专利]一种提高TSV热机械可靠性的复合结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种TSV复合结构，包括：形成在晶圆上的盲孔；设置在所述盲孔内表面上的绝缘层；以及填充所述盲孔的导电金属，所述导电金属包括处于顶部的细晶区以及处于中部和底部为粗晶区，所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径。

技术领域

本发明涉及到三维封装领域，具体涉及一种提高TSV热机械可靠性的复合结构及其制造方法。

背景技术

TSV(Through-Silicon-Via，硅通孔)是一种三维立体封装技术，能进一步提高芯片集成度。与传统封装技术相比较，TSV具有更短的互连路径、更小的信号延迟、更低的功耗，是近年来半导体技术最热门的研究方向之一。尽管TSV具有诸多优势，但目前仍存在一些不利因素制约TSV技术的发展，包括制备工艺繁琐复杂，设计软件和方法的缺失，功率密度增加导致的热机械问题，关键工艺与设备问题以及系统测试难题等。

其中，热机械可靠性问题对于TSV而言是一个巨大挑战。由于Si和Cu热膨胀系数(CTE)相差较大，封装工艺过程中的热载荷均会引起很大的热应力，甚至会超过Cu的屈服强度，导致Cu产生不可回复的塑性变形，宏观上表现为Cu的凸出和伸入。这种随温度变化的凸出或伸入会造成TSV顶部的重布线层(RDL)的分层，Cu和Si的界面上产生滑移或裂纹，从而降低TSV封装可靠性。

传统的电镀工艺中，TSV的微观组织在深度方向上不均匀，其中部和底部的晶粒较大，顶部较小，但这种微观组织不稳定，在受热时就会发生晶粒长大，即使在室温下也会发生一定程度的自退火，这种显微组织的变化会降低TSV的可靠性。

为了提高TSV封装的可靠性，往往会在TSV的制造工艺中加入热退火处理，在400℃以上的高温下保温半小时以上，以达到使显微组织稳定的效果，减少TSV在之后受热载时的热变形。但退伙过程中晶粒会长的更加粗壮，其屈服强度会进一步降低，导致Cu抵御变形的能力下降，因而受热载时变形更为剧烈，严重时甚至破坏重布线层，进而引起TSV的失效。而且增加热退火处理后，必须再增加一次CMP工艺，以去除热退火产生的Cu凸起。所以整个工艺流程的时间更长，成本也变的更高。

提高Cu的屈服强度可显著减少塑形形变量，而细晶强化是材料科学中最常见的提高屈服强度的方式。Sun等人在Bottom-Up Electrodeposition of Large-ScaleNanotwinned Copper within 3D Through Silicon Via.Materials(Basel)11,doi:10.3390/ma11020319(2018)中通过直接电镀的方式获得了均匀的纳米孪晶微观组织。在电镀液中加入白明胶增加阴极过电势，并在较低的电流密度下，得到了具有<111>取向的圆柱状纳米孪晶，孪晶的厚度在20nm左右。但这种孪晶结构只在TSV径向上具有细晶强化作用，而且在受热载时，具有取向的孪晶结构因剪切应力而更易发生界面滑移变形，高温时甚至发生晶界滑移。由于TSV中Cu受力不均匀，而织构会加剧TSV变形的不均匀性。

发明内容

针对上述工艺中TSV的缺点，根据本发明的一个方面，提出了一种提高TSV热机械可靠性的复合结构设计。通过设计Cu在深度方向上的晶粒尺寸变化，达到中部和底部的较大晶粒，而顶部为细晶的复合结构，这种结构可以显著提高TSV顶部区域Cu的屈服强度，减少Cu受热载时的塑性变形，增强TSV可靠性。本发明通过形成TSV的复合结构，显著改善了TSV的可靠性，同时还可省去TSV制作过程中的热退火和相应的CMP工艺，能节省时间成本和工艺成本，提高效率，且具有一定的工艺灵活性。

根据本发明的一个实施例，提供一种TSV复合结构，包括：形成在晶圆上的盲孔；设置在所述盲孔内表面上的绝缘层；以及填充所述盲孔的导电金属，所述导电金属包括处于顶部的细晶区以及处于中部和底部为粗晶区，所述细晶区的晶粒直径不大于所述粗晶区的晶粒直径。

在本发明的一个实施例中，所述细晶区内分散碳纳米管CNT。