多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及三維技術領域，特別涉及一種多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著晶體管特征尺寸的不斷減小以及超大規(guī)模集成電路芯片尺寸的不斷增大，互連線延時已經(jīng)成為影響電路系統(tǒng)延時的主要因素。另外，互連線的功耗也越發(fā)顯著。
[0003]相關技術中，通過三維集成技術解決上述問題，三維集成是指將電路功能模塊分布在不同芯片上(可以是不同功能、不同工藝的芯片)，將這些芯片通過鍵合形成三維堆疊結構，并利用穿透襯底的三維互連(Through-Silicon-Via，TSV)實現(xiàn)不同芯片層的器件之間的電學連接，共同完成一個或多個功能。三維集成能夠大幅降低全局互連長度、提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬、減小芯片面積、降低功耗、提高集成度、實現(xiàn)異質芯片集成。
[0004]然而，為實現(xiàn)三維集成電路，必須實現(xiàn)穿透芯片的三維互連，這是三維集成的核心技術。目前三維互連的主流制造技術是基于盲孔實現(xiàn)的，即從芯片的正面刻蝕深孔，然后依次沉積絕緣介質層、粘附層、擴散阻擋層、銅種子層，再利用銅電鍍填充盲孔實現(xiàn)導體銅柱，最后通過背部減薄實現(xiàn)穿透芯片的三維互連。三維互連所采用的絕緣介質層材料通常為二氧化硅。其優(yōu)點是制造技術成熟、熱力學性能穩(wěn)定、電學特性研究充分，但是二氧化硅的介電常數(shù)較大，導致由三維互連導體銅柱、芯片襯底和夾在二者之間的絕緣介質層構成的三維互連的電容較大，在高頻應用中會影響三維互連的高頻性能并產(chǎn)生較大的功耗。更重要的是，二氧化硅的熱膨脹系數(shù)(0.5ppm)和硅的熱膨脹系數(shù)(2.5ppm)遠小于銅的熱膨脹系數(shù)(ISppm)，導致三維互連工作時銅的熱膨脹產(chǎn)生嚴重的變形和應力，產(chǎn)生嚴重的可靠性問題甚至引起二氧化硅介質層和芯片的碎裂。
[0005]為了解決上述問題，可以采用彈性模量低、介電常數(shù)小的高分子材料取代二氧化硅作為三維互連的絕緣介質層。高分子材料較低的介電常數(shù)有利于減小三維互連的電容，同時其較低的彈性模量使其易于變形，緩解銅柱熱膨脹對襯底施加的熱應力。然而，高分子材料自身的熱膨脹系數(shù)更高(通常50?10ppm)，使得熱應力問題不能很好地解決。近年來有研究提出采用空氣間隙作為三維互連的介質層，空氣間隙具有最低的介電常數(shù)和最大程度允許銅柱自由膨脹的能力，理論上可以解決銅柱熱膨脹和三維互連電容問題，但是具有空氣間隙的三維互連的導體銅柱只能由芯片表面的平面介質層支撐，其承受振動、沖擊的能力很低，嚴重影響三維互連的可靠性。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關技術中的技術問題之一。
[0007]為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置，該裝置可以降低三維互連的電容，簡單便捷。
[0008]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的制備方法。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明一方面實施例提出了一種多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置，包括:芯片，所述芯片具有環(huán)形深孔；導電體，所述導電體通過所述環(huán)形深孔貫穿所述芯片；以及多孔狀絕緣介質層，所述多孔狀絕緣介質層設置于所述環(huán)形深孔內，并且設置于所述芯片與所述導電體之間，其中，所述多孔狀絕緣介質層為由可加熱分解的第一高分子材料與不可加熱分解的第二高分子材料根據(jù)預設比例混合得到的混合高分子材料在經(jīng)過加熱使所述第一高分子材料分解后由第二高分子材料生成的多孔結構，以降低三維互連的電容，并且緩解由所述導電體熱膨脹產(chǎn)生的熱應力。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實施例提出的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置，通過對可加熱分解的第一高分子材料與不可加熱分解的第二高分子材料的混合高分子材料進行加熱，使第一高分子材料分解，由第二高分子材料生成多孔狀絕緣介質層，以降低三維互連的電容，并且通過多孔狀絕緣介質層可以緩解由導電體熱膨脹產(chǎn)生的熱應力，更好地保證三維互連的可靠性，以及通過導電體可以保證三維互連結構的強度和可靠性，具有比實體高分子材料更低的介電常數(shù)和更大的變形能力，簡單便捷，易于實現(xiàn)。
[0011]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置還可以具有如下附加的技術特征:
[0012]優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一高分子材料可以為聚降冰片烯、聚碳酸酯與聚碳酸丙烯酯中的一種。
[0013]優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述第二高分子材料可以為聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、苯并環(huán)丁烯與聚對苯二甲酰對苯二胺中的一種。
[0014]進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述導電體可以為柱狀導電體。
[0015]進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述多孔狀絕緣介質層為海綿狀高分子材料。
[0016]進一步地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述多孔狀絕緣介質層由真空條件下加熱所述芯片生成。
[0017]本發(fā)明另一方面實施例提出了一種多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的制備方法，包括以下步驟:根據(jù)預設比例混合可加熱分解的第一高分子材料與不可加熱分解的第二高分子材料，以形成混合高分子材料；在芯片正面刻蝕環(huán)形深孔，并且在所述環(huán)形深孔內填充所述混合高分子材料，并且刻蝕去除所述環(huán)形深孔包圍的硅柱得到以混合高分子材料為側壁的圓形深孔；在圓形深孔的混合高分子材料側壁上沉積擴散阻擋層材料和銅種子層，并且在所述圓形深孔內電鍍銅填充圓形深孔以形成導電體，以及在芯片表面制造平面絕緣介質層和平面互連；通過臨時鍵合方法在所述芯片的正面鍵合輔助芯片，從芯片背面減薄芯片，直至露出所述導電體，在所述芯片背面制造平面絕緣介質層和平面互連，并且去除所述輔助芯片；以及在真空條件下加熱所述芯片，以分解所述混合高分子材料中第一高分子材料，以生成由第二高分子材料構成的多孔狀絕緣介質層，實現(xiàn)多孔狀絕緣介質層的三維互連。
[0018]根據(jù)本發(fā)明實施例提出的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的制備方法，通過對可加熱分解的第一高分子材料與不可加熱分解的第二高分子材料的混合高分子材料進行加熱，使第一高分子材料分解，由第二高分子材料生成多孔狀絕緣介質層，以降低三維互連的電容，并且通過多孔狀絕緣介質層可以緩解由導電體熱膨脹產(chǎn)生的熱應力，更好地保證三維互連的可靠性，以及通過導電體可以保證三維互連結構的強度和可靠性，具有比實體高分子材料更低的介電常數(shù)和更大的變形能力，簡單便捷，易于實現(xiàn)。
[0019]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的制備方法還可以具有如下附加的技術特征:
[0020]優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一高分子材料可以為聚降冰片烯、聚碳酸酯與聚碳酸丙烯酯中的一種。
[0021 ] 優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個實施例中，所述第二高分子材料可以為聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、苯并環(huán)丁烯與聚對苯二甲酰對苯二胺中的一種。
[0022]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0023]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0024]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的結構示意圖；
[0025]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的制備方法的流程圖；
[0026]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多孔狀絕緣介質層的三維互連裝置的結