多孔状绝缘介质层的三维互连装置及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维技术领域，特别涉及一种多孔状绝缘介质层的三维互连装置及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着晶体管特征尺寸的不断减小以及超大规模集成电路芯片尺寸的不断增大，互连线延时已经成为影响电路系统延时的主要因素。另外，互连线的功耗也越发显著。
[0003]相关技术中，通过三维集成技术解决上述问题，三维集成是指将电路功能模块分布在不同芯片上(可以是不同功能、不同工艺的芯片)，将这些芯片通过键合形成三维堆叠结构，并利用穿透衬底的三维互连(Through-Silicon-Via，TSV)实现不同芯片层的器件之间的电学连接，共同完成一个或多个功能。三维集成能够大幅降低全局互连长度、提高数据传输带宽、减小芯片面积、降低功耗、提高集成度、实现异质芯片集成。
[0004]然而，为实现三维集成电路，必须实现穿透芯片的三维互连，这是三维集成的核心技术。目前三维互连的主流制造技术是基于盲孔实现的，即从芯片的正面刻蚀深孔，然后依次沉积绝缘介质层、粘附层、扩散阻挡层、铜种子层，再利用铜电镀填充盲孔实现导体铜柱，最后通过背部减薄实现穿透芯片的三维互连。三维互连所采用的绝缘介质层材料通常为二氧化硅。其优点是制造技术成熟、热力学性能稳定、电学特性研究充分，但是二氧化硅的介电常数较大，导致由三维互连导体铜柱、芯片衬底和夹在二者之间的绝缘介质层构成的三维互连的电容较大，在高频应用中会影响三维互连的高频性能并产生较大的功耗。更重要的是，二氧化硅的热膨胀系数(0.5ppm)和硅的热膨胀系数(2.5ppm)远小于铜的热膨胀系数(ISppm)，导致三维互连工作时铜的热膨胀产生严重的变形和应力，产生严重的可靠性问题甚至引起二氧化硅介质层和芯片的碎裂。
[0005]为了解决上述问题，可以采用弹性模量低、介电常数小的高分子材料取代二氧化硅作为三维互连的绝缘介质层。高分子材料较低的介电常数有利于减小三维互连的电容，同时其较低的弹性模量使其易于变形，缓解铜柱热膨胀对衬底施加的热应力。然而，高分子材料自身的热膨胀系数更高(通常50?10ppm)，使得热应力问题不能很好地解决。近年来有研究提出采用空气间隙作为三维互连的介质层，空气间隙具有最低的介电常数和最大程度允许铜柱自由膨胀的能力，理论上可以解决铜柱热膨胀和三维互连电容问题，但是具有空气间隙的三维互连的导体铜柱只能由芯片表面的平面介质层支撑，其承受振动、冲击的能力很低，严重影响三维互连的可靠性。
【发明内容】
[0006]本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0007]为此，本发明的一个目的在于提出一种多孔状绝缘介质层的三维互连装置，该装置可以降低三维互连的电容，简单便捷。
[0008]本发明的另一个目的在于提出一种多孔状绝缘介质层的三维互连装置的制备方法。
[0009]为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种多孔状绝缘介质层的三维互连装置，包括:芯片，所述芯片具有环形深孔；导电体，所述导电体通过所述环形深孔贯穿所述芯片；以及多孔状绝缘介质层，所述多孔状绝缘介质层设置于所述环形深孔内，并且设置于所述芯片与所述导电体之间，其中，所述多孔状绝缘介质层为由可加热分解的第一高分子材料与不可加热分解的第二高分子材料根据预设比例混合得到的混合高分子材料在经过加热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结构，以降低三维互连的电容，并且缓解由所述导电体热膨胀产生的热应力。
[0010]根据本发明实施例提出的多孔状绝缘介质层的三维互连装置，通过对可加热分解的第一高分子材料与不可加热分解的第二高分子材料的混合高分子材料进行加热，使第一高分子材料分解，由第二高分子材料生成多孔状绝缘介质层，以降低三维互连的电容，并且通过多孔状绝缘介质层可以缓解由导电体热膨胀产生的热应力，更好地保证三维互连的可靠性，以及通过导电体可以保证三维互连结构的强度和可靠性，具有比实体高分子材料更低的介电常数和更大的变形能力，简单便捷，易于实现。
[0011]另外，根据本发明上述实施例的多孔状绝缘介质层的三维互连装置还可以具有如下附加的技术特征:
[0012]优选地，在本发明的一个实施例中，所述第一高分子材料可以为聚降冰片烯、聚碳酸酯与聚碳酸丙烯酯中的一种。
[0013]优选地，在本发明的一个实施例中，所述第二高分子材料可以为聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、苯并环丁烯与聚对苯二甲酰对苯二胺中的一种。
[0014]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述导电体可以为柱状导电体。
[0015]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多孔状绝缘介质层为海绵状高分子材料。
[0016]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多孔状绝缘介质层由真空条件下加热所述芯片生成。
[0017]本发明另一方面实施例提出了一种多孔状绝缘介质层的三维互连装置的制备方法，包括以下步骤:根据预设比例混合可加热分解的第一高分子材料与不可加热分解的第二高分子材料，以形成混合高分子材料；在芯片正面刻蚀环形深孔，并且在所述环形深孔内填充所述混合高分子材料，并且刻蚀去除所述环形深孔包围的硅柱得到以混合高分子材料为侧壁的圆形深孔；在圆形深孔的混合高分子材料侧壁上沉积扩散阻挡层材料和铜种子层，并且在所述圆形深孔内电镀铜填充圆形深孔以形成导电体，以及在芯片表面制造平面绝缘介质层和平面互连；通过临时键合方法在所述芯片的正面键合辅助芯片，从芯片背面减薄芯片，直至露出所述导电体，在所述芯片背面制造平面绝缘介质层和平面互连，并且去除所述辅助芯片；以及在真空条件下加热所述芯片，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构成的多孔状绝缘介质层，实现多孔状绝缘介质层的三维互连。
[0018]根据本发明实施例提出的多孔状绝缘介质层的三维互连装置的制备方法，通过对可加热分解的第一高分子材料与不可加热分解的第二高分子材料的混合高分子材料进行加热，使第一高分子材料分解，由第二高分子材料生成多孔状绝缘介质层，以降低三维互连的电容，并且通过多孔状绝缘介质层可以缓解由导电体热膨胀产生的热应力，更好地保证三维互连的可靠性，以及通过导电体可以保证三维互连结构的强度和可靠性，具有比实体高分子材料更低的介电常数和更大的变形能力，简单便捷，易于实现。
[0019]另外，根据本发明上述实施例的多孔状绝缘介质层的三维互连装置的制备方法还可以具有如下附加的技术特征:
[0020]优选地，在本发明的一个实施例中，所述第一高分子材料可以为聚降冰片烯、聚碳酸酯与聚碳酸丙烯酯中的一种。
[0021 ] 优选地，在本发明的一个实施例中，所述第二高分子材料可以为聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、苯并环丁烯与聚对苯二甲酰对苯二胺中的一种。
[0022]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0023]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0024]图1为根据本发明实施例的多孔状绝缘介质层的三维互连装置的结构示意图；
[0025]图2为根据本发明实施例的多孔状绝缘介质层的三维互连装置的制备方法的流程图；
[0026]图3为根据本发明一个实施例的多孔状绝缘介质层的三维互连装置的结