CN103378029A

CN103378029A - 硅通孔结构

Info

Publication number: CN103378029A
Application number: CN2012101158687A
Authority: CN
Inventors: 徐依协
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: CN103378029B

Abstract

一种硅通孔结构，包括：衬底；至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底的第一硅通孔和第二硅通孔，所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，且所述第一硅通孔产生的应力与第二硅通孔产生的应力部分抵消。本发明提供的硅通孔结果应力小，封装质量佳。

Description

硅通孔结构

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种硅通孔结构。

背景技术

在过去的四十年中，微电子芯片的研究、开发和生产一直沿着摩尔定律所预测来进行；直至2008年，英特尔等公司在内存芯片的大规模生产中已经开始使用45纳米至50纳米线宽的加工技术。

按照摩尔定律的预测，最晚到2012年，为了进一步提高芯片的集成度，就需要用到32纳米甚至22纳米线宽的加工技术。但是，32纳米或者22纳米的加工技术不仅遇到光刻设备和工艺技术的局限性，而且单元稳定性、信号延迟、CMOS电路可行性等都是悬而未决的难题。

为此，超越摩尔定律的概念于近年提了出来。目前，超越摩尔定律的各种技术可以分为两大类：一是基于基板的集成技术，一是基于芯片/晶圆的三维集成技术。而基于芯片/晶圆的三维集成技术又可以分为基于金线键合的芯片堆叠(Die Stacking)、封装堆叠(Package Stacking)和基于硅通孔(TSV，ie.Through-Silicon-Via)的三维堆叠。而基于硅通孔(TSV，ie.Through-Silicon-Via)的三维堆叠正成为超越摩尔定律的最主要方法。

现有的硅通孔结构的形成方法可以参考公开号为CN101483150A的中国专利，具体参考图1所示，包括如下步骤：

步骤S101，参考图2，在晶圆100的表面刻蚀通孔101；

步骤S102，参考图3，在通孔101表面形成绝缘层102；

步骤S103，参考图4，采用导电物质103填充所述通孔101，形成硅通孔；

步骤S104，参考图5，从晶圆100的背面减薄晶圆100，直至暴露出导电物质103。

但是，现有技术形成的硅通孔质量低，应力造成的漏电现象严重。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种质量高、应力小、漏电小的硅通孔结构。

为解决上述问题，本发明提供一种硅通孔结构，包括：衬底；至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底的第一硅通孔和第二硅通孔，所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，且所述第一硅通孔产生的应力与第二硅通孔产生的应力部分抵消。

可选的，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为椭圆形。

可选的，所述第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

可选的，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的长方形。

可选的，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的平行四边形。

可选的，所述第一硅通孔包括实用的硅通孔和伪硅通孔；所述第二硅通孔包括实用的硅通孔和伪硅通孔。

可选的，位于所述硅通孔阵列中间位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的一实施例采用沿x方向排列的第一硅通孔和沿y方向排列的第二硅通孔，且所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，从而使得第一硅通孔和第二硅通孔应力部分抵消，降低整体的硅通孔结构的应力。从而使得当硅通孔结构具有较大密度的硅通孔时，应力也因为互相部分抵消而较小；采用本实施例的硅通孔结构的封装结构漏电小、质量高。

本发明的又一实施例通过设置位于所述硅通孔阵列中间位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度，从而降低硅通孔阵列边角位置的应力累积，从而使得硅通孔结构应力较小。

附图说明

图1是现有的硅通孔结构的形成方法流程示意图；

图2至图5是现有的硅通孔结构的形成方法过程示意图；

图6是现有技术的采用硅通孔结构进行封装的芯片封装结构示意图；

图7为图6中第一硅通孔结构的俯视示意图；

图8为本发明第一实施例的硅通孔结构的俯视示意图；

图9为本发明又一实施例的硅通孔结构的俯视示意图；

图10为本发明一实施例的硅通孔结构中所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的长方形的俯视示意图；

图11为本发明又一实施例的硅通孔结构的俯视示意图；

图12为本发明一实施例的硅通孔结构中所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的平行四边形的俯视示意图；

图13为本发明第一实施例的硅通孔结构的俯视示意图。

具体实施方式

本发明的发明人对现有技术形成的硅通孔结构进行研究后发现：现有技术形成的硅通孔结构通常用于连接不同层芯片结构以形成三维堆叠封装结构，图6为现有技术的采用硅通孔结构进行封装的芯片封装结构示意图，包括：第一衬底200，所述第一衬底200表面具有半导体元件，比如MOS管、电阻、电容等；位于所述衬底200表面且通过第一互联结构201与衬底200电连接的第一硅通孔结构210，所述第一硅通孔结构210包括多个第一硅通孔211，为进一步说明所述第一硅通孔结构210，请参考图7，图7为第一硅通孔结构210的俯视结构示意图，包括：衬底和贯穿衬底的多个第一硅通孔211；位于所述第一硅通孔结构210表面且通过第二互联结构202与第一硅通孔结构210电连接的第二硅通孔结构220，所述第二硅通孔结构220包括多个第二硅通孔221；位于所述第二硅通孔结构220表面的第二衬底230，所述第二衬底230表面具有半导体元件，比如MOS管、电阻、电容等。

在其他实施例中，所述第一衬底200或第二衬底230内也形成有贯穿所述第一衬底200或第二衬底230的硅通孔。

发明人发现，硅通孔结构包括多个密集度高的、贯穿衬底的硅通孔阵列；由于硅通孔阵列中的硅通孔需要贯穿衬底，硅通孔的深宽比(aspect ratio)比较大，且在硅通孔阵列中的硅通孔数量多，密集度高；从而导致硅通孔结构应力较大。而应力较大的硅通孔结构容易导致深宽比大的硅通孔变形、甚至错位，从而引起整个封装结构漏电现象严重、质量低。

为此，本发明的发明人提出一种硅通孔结构，包括：衬底；至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底的第一硅通孔和第二硅通孔，所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，且所述第一硅通孔产生的应力与第二硅通孔产生的应力部分抵消。

具体地，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为椭圆形，且第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

具体地，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的长方形，且第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

具体地，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的平行四边形，且第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

本发明的实施例采用沿x方向排列的第一硅通孔和沿y方向排列的第二硅通孔，且所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，从而使得第一硅通孔和第二硅通孔应力部分抵消，降低整体的硅通孔结构的应力。从而使得当硅通孔结构具有较大密度的硅通孔时，应力也因为互相抵消而较小；采用本实施例的硅通孔结构的封装结构漏电小、密度高、质量高。

下面结合一具体实施例对本发明的硅通孔结构做进一步说明。

请参考图8，图8为本发明第一实施例的硅通孔结构的俯视图，包括：衬底300；至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底300的第一硅通孔301和第二硅通孔302，所述第一硅通孔301与第二硅通孔302间隔排列，且所述第一硅通孔301与第二硅通孔302产生的应力部分抵消。

在本实施例中，以所述第一硅通孔301与第二硅通孔302为椭圆形做示范性说明。

所述衬底300较好的是半导体硅，可以为n型或者P型半导体，也可以是绝缘体上硅等，所述衬底300可以为多层基片(例如，具有覆盖电介质和金属膜的硅衬底)、分级基片、绝缘体上硅基片、外延硅基片、部分处理的基片(包括集成电路及其他元件的一部分)、图案化或未被图案化的基片。

所述硅通孔结构包括至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列用于电连接位于所述硅通孔阵列上表面和下表面的待封装芯片。所述硅通孔阵列包括实用的硅通孔(Functional TSVs)和伪硅通孔(Dummy TSVs)。

所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底300的第一硅通孔301和第二硅通孔302，需要说明的是，所述第一硅通孔301可以是实用的硅通孔或伪硅通孔；所述第二硅通孔302可以是实用的硅通孔或伪硅通孔。

由之前叙述可知，现有技术的硅通孔横截面通常为统一的圆形(沿垂直于衬底300上表面的方向俯视结果)，且硅通孔阵列包括较多数量的硅通孔，硅通孔的深宽比比较大，导致整个硅通孔阵列应力较大。

而在本实施例中，所述第一硅通孔301和第二硅通孔302具有相对应的形貌和排列，具体地，所述第一硅通孔301的横截面为椭圆形，所述第二硅通孔302的横截面为椭圆形，上述第一硅通孔301和第二硅通孔302的横截面为垂直于衬底300上表面的方向俯视结果；且第一硅通孔301为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中第一硅通孔301沿x方向排列为：第一硅通孔301的长轴与x方向平行；第二硅通孔302沿y方向排列为：第二硅通孔302的长轴与y方向平行，其中x方向与y方向垂直；且所述第一硅通孔301与第二硅通孔302间隔排列。

由于第一硅通孔301的长轴与x方向平行且第二硅通孔302的长轴与y方向平行，使得第一硅通孔301和第二硅通孔302产生应力的方向相对，从而能够使得第一硅通孔301和第二硅通孔302产生的应力对冲而部分抵消，降低了整个所述硅通孔阵列的累积的应力；此外，所述第一硅通孔301与第二硅通孔302间隔排列，从而使得应力对冲效果显著，进一步降低整个所述硅通孔阵列的累积的应力，使得整个硅通孔结构应力较小。

还需要说明的是，本发明的实施例的第一硅通孔301和第二硅通孔302都采用横截面为椭圆形的设计，发明人发现，在深宽比大的硅通孔中，横截面为椭圆形的硅通孔设计因为不存在尖锐的边角，应力在边缘位置累积效果小，结合第一硅通孔301和第二硅通孔302的排列设计，能够更佳的减小所述硅通孔阵列的累积的应力。

在本发明的其他实施例中，请参考图9，所述第一硅通孔401和第二硅通孔402的横截面为长方形，第一硅通孔401为沿x方向排列，第二硅通孔402沿y方向排列，且x方向与y方向垂直；其中第一硅通孔401沿x方向排列为：第一硅通孔401的长边与x方向平行；第二硅通孔402沿y方向排列为：第二硅通孔402的长边与y方向平行；且所述第一硅通孔401与第二硅通孔402间隔排列。本实施例的硅通孔结构能使得第一硅通孔401和第二硅通孔402的应力部分抵消，进一步降低整个所述硅通孔阵列的累积的应力，使得整个硅通孔结构应力较小。

较佳地，请参考图10，所述第一硅通孔401和第二硅通孔402的横截面为长方形的边角为圆弧，图10示出所述第一硅通孔401和第二硅通孔402的横截面示意图，发明人发现，在深宽比大的硅通孔中，横截面为边角圆弧的长方形的硅通孔设计因为不存在尖锐的边角，应力在边缘位置累积效果小，结合所述第一硅通孔401和第二硅通孔402的排列设计，能够更佳的减小所述硅通孔阵列的累积的应力。

在本发明的其他实施例中，请参考图11，所述第一硅通孔501和第二硅通孔502的横截面为平行四边形，第一硅通孔501为沿x方向排列，第二硅通孔502沿y方向排列，且x方向与y方向垂直。其中，第一硅通孔501沿x方向排列为：第一硅通孔501的长边与x方向平行；第二硅通孔502沿y方向排列为：第二硅通孔502的长边与y方向平行，且所述第一硅通孔501与第二硅通孔502间隔排列。本实施例的硅通孔结构能使得第一硅通孔501和第二硅通孔502的应力部分抵消，进一步降低整个所述硅通孔阵列的累积的应力，使得整个硅通孔结构应力较小。

较佳地，请参考图12，所述第一硅通孔501和第二硅通孔502的横截面为平行四边形的边角为圆弧，图12示出所述第一硅通孔501和第二硅通孔502的横截面示意图，发明人发现，在深宽比大的硅通孔中，横截面为边角圆弧的平行四边形的硅通孔设计因为不存在尖锐的边角，应力在边缘位置累积效果小，结合述第一硅通孔501和第二硅通孔502的排列设计，能够更佳的减小所述硅通孔阵列的累积的应力。

图13为本发明第二实施例的硅通孔结构的俯视图，包括：衬底；至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底的第一硅通孔601和第二硅通孔602，所述第一硅通孔601与第二硅通孔602间隔排列，所述第一硅通孔601与第二硅通孔602产生的应力部分抵消；位于所述硅通孔阵列中间位置I的第一硅通孔601和第二硅通孔602密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置II的第一硅通孔601和第二硅通孔602密度。

本发明的发明人发现：所述硅通孔阵列的边角位置应力效应尤为突出，这是由于硅通孔会受到相邻的硅通孔应力作用，但位于所述硅通孔阵列的边角位置的硅通孔在某一方向的区域内无相邻的硅通孔，因此受到的应力作用为单一方向，较容易应力累积过大。

本实施例通过设置位于所述硅通孔阵列I中间位置的第一硅通孔601和第二硅通孔602密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置II的第一硅通孔601和第二硅通孔602密度，从而降低边角位置的应力累积，从而使得硅通孔结构应力较小。

在本实施例中，所述第一硅通孔601和第二硅通孔602的描述请参考第一实施例的第一硅通孔和第二硅通孔的相关描述，在这里不再赘述；以所述硅通孔阵列为矩形做示范性说明，本实施例在所述硅通孔阵列的边角位置都不设置第一硅通孔601和第二硅通孔602，从而使得位于所述硅通孔阵列中间位置的第一硅通孔601和第二硅通孔602密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置的第一硅通孔601和第二硅通孔602密度。

在其他实施例中，也可以在所述硅通孔阵列中间位置设置较多数量的第一硅通孔和第二硅通孔，在所述硅通孔阵列边缘位置的设置较少数量的第一硅通孔和第二硅通孔，从而降低边角位置的应力累积。

本发明的第一实施例采用沿x方向排列的第一硅通孔和沿y方向排列的第二硅通孔，且所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，从而使得第一硅通孔和第二硅通孔应力部分抵消，降低整体的硅通孔结构的应力。从而使得当硅通孔结构具有较大密度的硅通孔时，应力也因为互相部分抵消而较小；采用本实施例的硅通孔结构的封装结构漏电小、质量高。

本发明的第二实施例通过设置位于所述硅通孔阵列中间位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度，从而降低边角位置的应力累积，从而使得硅通孔结构应力较小。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种硅通孔结构，其特征在于，包括：

衬底；

至少一个的硅通孔阵列，所述硅通孔阵列包括多个贯穿衬底的第一硅通孔和第二硅通孔，所述第一硅通孔与第二硅通孔间隔排列，且所述第一硅通孔产生的应力与第二硅通孔产生的应力部分抵消。

2.如权利要求1所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为椭圆形。

3.如权利要求2所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

4.如权利要求1所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的长方形。

5.如权利要求4所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

6.如权利要求1所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔和第二硅通孔的横截面为边角为圆弧的平行四边形。

7.如权利要求1所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔为沿x方向排列，第二硅通孔沿y方向排列，其中x方向与y方向垂直。

8.如权利要求1所述的硅通孔结构，其特征在于，所述第一硅通孔包括实用的硅通孔和伪硅通孔；所述第二硅通孔包括实用的硅通孔和伪硅通孔。

9.如权利要求1所述的硅通孔结构，其特征在于，位于所述硅通孔阵列中间位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度大于位于所述硅通孔阵列边缘位置的第一硅通孔和第二硅通孔密度。