三維垂直互聯結構及其製作方法

2023-06-02 02:17:46

專利名稱：三維垂直互聯結構及其製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體及微傳感器製造領域，特別是涉及一種三維垂直互聯結構及其製作方法。
背景技術：
基於矽通孔TSV互聯的三維集成技術可以提供高封裝密度，使單位體積內容納 更多的微電子器件；較短的信號路徑，降低寄生電容，提高了晶片的速度；因此受到了 研究者和工業界的重視。然而，基於矽通孔TSV互聯的三維疊層晶片在TSV製作、TSV 絕緣、TSV電鍍填充、超薄晶圓臨時鍵合等方面仍面臨挑戰，尤其在微焊球、或焊盤制 作及其低溫鍵合、疊層晶片熱管理、疊層內垂直相鄰晶片間信號管理方面尤為突出。疊 層垂直相鄰晶片間電互聯、物理連接需要通過基於微焊球、或焊盤的鍵合實現。一方 面，矽通孔TSV互聯的三維集成技術需要尺寸更小的微焊球、或焊盤以實現其技術優 勢，業界期望典型尺寸為20μιη-100μιη。另一方面，矽通孔TSV互聯的三維集成技術 需要通過微焊球、或焊盤實現可靠的電連接、物理連接，小尺寸的微焊球、或焊盤不利 於實現這一需求。而且，疊層層數的增多，需要至少1次或1次以上的鍵合、回流工藝 以實現疊層垂直相鄰晶片的鍵合。這種情況下，已經完成鍵合的微焊球、或焊盤需要再 次經歷鍵合、回流工藝，實現多層堆疊；這會對已經鍵合的微焊球、或焊盤造成傷害， 影響其可靠性。另外，隨著疊層層數增多，疊層晶片單位體積內功耗上升。疊層內部晶片釋放 的熱量增多，而且散熱渠道有限，容易在疊層內部造成熱點，造成疊層晶片性能下降這 對疊層的可靠性造成嚴重威脅。基於矽通孔TSV互聯的三維集成技術要求疊層內晶片有更小的厚度，縮短疊層 內垂直相鄰晶片間信號路徑，提高疊層晶片性能、封裝密度。然而位於疊層晶片厚度下 降，疊層垂直相鄰的晶片表面的信號傳輸會受到彼此幹擾，不利於晶片疊層性能的正常 發揮。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提高微電子器件製作中三維互聯疊層間電互聯 和粘合強度，提高成品率。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，提供一種三維垂直互聯結構，包括順次堆疊或面對面堆 疊在一起的至少兩層晶片，各層所述晶片之間採用粘結材料粘結，各層所述晶片由下至 上依次為襯底層和表面介質層，所述晶片的上表面具有橫截面為環形的第一凹坑，所述 第一凹坑內填充有金屬形成第一導電環，所述第一導電環通過重新布局布線層與所述芯 片內部的微電子器件連接，與所述第一導電環形狀相同且中心一致的第一通孔貫穿所述堆疊的晶片，所述第一通孔內具有第一微型導電柱。
優選地，各層所述晶片的上表面和/或下表面具有導熱環，所述晶片的所述上 表面和/或下表面具有導熱層，所述導熱層與所述導熱環連接，與所述導熱環形狀相同 且中心一致的第二通孔貫穿所述疊堆的晶片，所述第二通孔內具有微型導熱柱。
優選地，所述晶片的上表面和/或下表面具有橫截面為環形的第二凹坑，所述 第二凹坑內填充有金屬形成第二導電環，所述上表面和/或下表面塗覆有接地導電層， 所述第二導電環與所述接地導電層連接，與所述第二導電環形狀相同且中心一致的第三 通孔貫穿所述疊堆的晶片，所述第三通孔內具有第二微型導電柱。
優選地，各層所述晶片之間的粘結材料內具有微流道，所述微流道含有垂直貫 穿所述疊堆的晶片的第四通孔。
優選地，所述粘結材料為有機物或金屬焊料，所述有機物粘結材料包括聚醯亞 胺、環氧樹脂、紫外線膠帶、環氧樹脂、聚醯亞胺、雙苯並環丁烯、非導電粘合劑、矽 橡膠或聚對二甲苯，所述金屬焊料包括銅、鎢、金、銀、錫、銦、鎳、鈀、銅錫合金、 錫銀銅合金、錫銀合金、金錫合金、銦金合金、鉛錫合金、鎳鈀合金、鎳金合金或鎳鈀巫口巫O
優選地，所述第一凹坑的深度為1-30微米。
優選地，所述導熱層為金屬導熱材料，所述金屬導熱材料包括金、銅或鋁。
優選地，所述接地導電層為金屬材料或導電漿料，所述金屬材料為金、銅或 ρ O
優選地，所述第一通孔、第二通孔和/或第三通孔為圓柱形、稜柱形、圓錐形 或稜錐形。
本發明還提供了一種三維垂直互聯結構的製作方法，包括步驟
Si，在經過減薄或未經減薄的單層矽晶圓或晶片的有源區面進行光刻，製作環 狀圖形，然後依次刻蝕單層晶圓或晶片的表面介質層和襯底層，製作出扳指狀的第一凹 坑；
S2，沉積阻擋層、電鍍種子層覆蓋第一凹坑內側壁，並電鍍銅以填充第一凹 坑，形成第一導電環；
S3，製作連接第一導電環與晶圓或晶片內部微電子器件的重新布局布線層，所 述重新布局布線層包括介質層與金屬互聯層；
S4，依次刻蝕重新布局布線層的介質層以及晶圓或晶片的表面介質層，在第一 導電環內部製作第一通孔，所述第一通孔的橫截面形狀、中心與第一導電環內環相同；
S5，將完成了步驟S1-S4的單層晶圓或晶片依次堆疊並對準，相鄰的晶圓或芯 片間使用有機物或者金屬焊料粘結；
S6，在多層堆疊的晶圓或晶片層的一面，沉積電鍍種子層並電鍍，密閉第一通 孔，把電鍍金屬層作為種子層自底向上填充貫穿多層堆疊的通孔，製作第一微型導電柱 並去除電鍍種子層，完成三維垂直互聯結構的製作。
優選地，在步驟幻中沉積阻擋層、電鍍種子層之前，沉積絕緣層覆蓋第一凹坑 的內側壁，所述絕緣層選擇二氧化矽或聚醯亞胺，利用濺射或等離子增強化學氣相沉積 法沉積絕緣層。
優選地，在步驟S2之後，重複步驟S1-S2在單層晶圓或晶片有源區面和/或其 相對的一面製作相同結構的第二導電環和/或導熱環。優選地，在步驟S3中，在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面製作接 地導電層和/或導熱層，接地導電層與第二導電環連接，導熱層與導熱環連接。

優選地，在步驟S5中，圖形化粘接材料，以形成用於散熱的微流道。本發明還提供了一種三維垂直互聯結構的製作方法，包括步驟Si，在單層矽晶圓或晶片的有源區面進行光刻，製作圓環圖形，然後依次刻蝕 單層晶圓或晶片的表面介質層和襯底層，製作出扳指狀的第一凹坑；S2，沉積阻擋層、電鍍種子層覆蓋第一凹坑內側壁，並電鍍銅以填充第一凹 坑，形成第一導電環；S3，製作連接第一導電環與晶圓或晶片內部微電子器件的重新布局布線層，所 述重新布局布線層包括介質層與金屬互聯層；S4，依次刻蝕重新布局布線層的介質層以及晶圓或晶片的表面介質層，在第一 導電環內部製作盲孔，所述盲孔的橫截面形狀、中心與第一導電環內環相同；S5，將完成了步驟S1-S4的兩層晶圓或晶片面對面堆疊並對準，晶圓或晶片間 使用有機物或者金屬焊料粘結；S6，在堆疊的晶圓或晶片層的兩面減薄直至暴露出盲孔實現通孔；S7,將完成了步驟S1-S4的單層晶圓或晶片與完成了步驟S1-S6的晶圓或晶片 疊層、粘結，並重複步驟S6以實現三層及三層以上的晶圓或晶片的堆疊；S8，在多層堆疊的晶圓或晶片的一面沉積電鍍種子層並電鍍，密閉通孔，把電 鍍金屬層作為種子層自底向上填充貫穿多層堆疊的通孔，製作微型導電柱並去除電鍍種 子層，完成三維垂直互聯結構的製作。優選地，在步驟S3中，在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面製作第 二導電環和/或導熱環。優選地，在步驟S3中，在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面製作接 地導電層和/或導熱層，接地導電層與第二導電環連接，導熱層與導熱環連接。優選地，在步驟S5中，圖形化粘接材料，以形成用於散熱的微流道。優選地，在步驟S4之後，沉積絕緣層覆蓋盲孔側壁和底部，並在盲孔的開口進 行刻蝕，去除導電環內部的絕緣層，暴露第一導電環的內側壁(三)有益效果與傳統基於TSV三維集成技術相比，本發明採用不同結構實現了堆疊晶圓或芯 片的粘接固定以及晶圓或晶片間的電互聯。採用有機材料或焊料實現單層晶圓或晶片間 的粘接固定，不提供單層晶圓或晶片間的電互聯，因而可以採用靈活的晶圓鍵合技術、 焊接技術、粘接技術。環繞在貫穿於晶圓或晶片疊層內微型導電柱外的導電環，實現了 晶圓間、以及晶圓或晶片內微電子器件之間的電互聯，工藝簡單，可靠性高。疊層內垂 直相鄰的晶圓或晶片間的微流道設計、導熱層設計，可以有效緩解疊層內晶片熱積累。 疊層內垂直相鄰的晶圓或晶片間的接地金屬層設計，可以有效緩解疊層內晶片間信號串 擾。在完成多層晶圓、晶片間粘接後，一次製作貫穿於疊層的TSV通孔內的微型導電 柱，實現了三維垂直互聯結構單層晶圓或晶片間的電互聯。降低了填充工藝難度，減少了工藝時間，提高了電鍍成品率。


圖1 (a)和圖1 (b)分別是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在單層晶圓或芯 片有源區面製作扳指狀凹坑的俯視圖和橫截面示意圖。
圖2是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在單層晶圓或晶片有源區面製作 導電環的橫截面示意圖。
圖3是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在單層晶圓或晶片有源區面製作 重新布局布線層的橫截面示意圖。
圖4是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在單層晶圓或晶片有源區面導電 環內部製作TSV通孔，側壁絕緣後的橫截面示意圖。
圖5是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在兩層完成互聯結構製作的晶圓 對準、粘接後的橫截面示意圖。
圖6是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在兩層完成互聯結構製作的晶圓 對準、粘接、電鍍填充後實現垂直互聯的橫截面示意圖。
圖7是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在兩層完成互聯結構製作的晶圓 正面對正面(正面是晶圓有源區所在面)對準、粘接後的橫截面示意圖。
圖8是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在兩層完成互聯結構製作的晶圓 正面對正面(正面是晶圓有源區所在面)對準、粘接、兩面減薄後，實現兩層疊層TSV穿 通的橫截面示意圖。
圖9是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法在另一層晶圓堆疊在兩層完成互 聯結構製作的晶圓面對面粘合對之上且背面減薄後的示意圖。
圖10是依照本發明實施例的三維垂直互聯方法兩層完成互聯結構製作的晶圓對 準、粘接、電鍍填充，實現垂直互聯的橫截面示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實 施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
實施例一
本發明的一個實施例提供了一種三維垂直互聯結構，參見圖1-圖7，包括至少 兩層晶圓或晶片，順次堆疊或面對面堆疊在一起，各層晶圓或晶片之間採用粘結材料040 粘結，各層晶圓或晶片由下至上依次為襯底層010和表面介質層011，晶圓或晶片的上表 面具有橫截面為圓環形的扳指狀凹坑020，凹坑020內填充有金屬形成導電圓環022，導 電圓環022通過重新布局布線層012與晶圓或晶片內部的微電子器件連接，與導電圓環 022內徑相同且圓心一致的TSV通孔030貫穿堆疊的晶圓或晶片，通孔030內具有微型導 電柱。
優選地，各層晶圓或晶片之間的粘結材料040內具有微流道，微流道含有垂直 貫穿所述疊堆的晶圓或晶片的通孔。
實施例二
本發明的另一實施例提供了一種三維垂直互聯結構，包括至少兩層晶圓或晶片，順次堆疊或面對面堆疊在一起，各層晶圓或晶片之間採用粘結材料040粘結，各層 晶圓或晶片由下至上依次為襯底層010和表面介質層011，晶圓或晶片的上表面具有橫截 面為圓環形的扳指狀凹坑020，凹坑020內填充有金屬形成導電圓環022，導電圓環022 通過重新布局布線層012與晶圓或晶片內部的微電子器件連接，與導電圓環022內徑相同 且圓心一致的TSV通孔030貫穿堆疊的晶圓或晶片，通孔030內具有微型導電柱。各層晶圓或晶片上表面和/或下表面具有導熱圓環，晶圓或晶片的上表面和/或 下表面具有導熱層，導熱層與導熱圓環連接，與導熱圓環內徑相同且圓心一致的通孔貫 穿疊堆的晶圓或晶片，通孔內具有微型導熱柱。優選地，各層晶圓或晶片之間的粘結材料040內具有微流道，微流道含有垂直 貫穿所述疊堆的晶圓或晶片的通孔。實施例三本發明的另一實施例提供了一種三維垂直互聯結構，包括至少兩層晶圓或芯 片，順次堆疊或面對面堆疊在一起，各層晶圓或晶片之間採用粘結材料040粘結，各層 晶圓或晶片由下至上依次為襯底層010和表面介質層011，晶圓或晶片的上表面具有橫截 面為圓環形的扳指狀凹坑020，凹坑020內填充有金屬形成導電圓環022，導電圓環022 通過重新布局布線層012與晶圓或晶片內部的微電子器件連接，與導電圓環022內徑相同 且圓心一致的TSV通孔030貫穿堆疊的晶圓或晶片，通孔030內具有微型導電柱。晶圓或晶片的上表面和/或下表面具有橫截面為圓環形的凹坑020，凹坑020內 填充有金屬形成導電圓環022，下表面塗覆有接地導電層，導電圓環與接地導電層連接， 與導電圓環內徑相同且圓心一致的通孔030貫穿所述疊堆的晶圓或晶片，通孔030內具有 微型導電柱055。優選地，各層晶圓或晶片之間的粘結材料040內具有微流道，微流道含有垂直 貫穿所述疊堆的晶圓或晶片的通孔。實施例四本發明的另一實施例提供了一種三維垂直互聯結構，包括至少兩層晶圓或芯 片，順次堆疊或面對面堆疊在一起，各層晶圓或晶片之間採用粘結材料040粘結，各層 晶圓或晶片由下至上依次為襯底層010和表面介質層011，晶圓或晶片的上表面具有橫截 面為圓環形的扳指狀凹坑020，凹坑020內填充有金屬形成導電圓環022，導電圓環022 通過重新布局布線層012與晶圓或晶片內部的微電子器件連接，與導電圓環022內徑相同 且圓心一致的TSV通孔030貫穿堆疊的晶圓或晶片，通孔030內具有微型導電柱。各層晶圓或晶片上表面和/或下表面具有導熱圓環，晶圓或晶片的上表面和/或 下表面具有導熱層，導熱層與導熱圓環連接，與導熱圓環內徑相同且圓心一致的通孔貫 穿疊堆的晶圓或晶片，通孔內具有微型導熱柱。晶圓或晶片的上表面和/或下表面具有橫截面為圓環形的凹坑020，凹坑020內 填充有金屬形成導電圓環022，下表面塗覆有接地導電層，導電圓環與接地導電層連接， 與導電圓環內徑相同且圓心一致的通孔030貫穿所述疊堆的晶圓或晶片，通孔030內具有 微型導電柱033。各層晶圓或晶片之間的粘結材料040內具有微流道，微流道含有垂直貫穿所述疊堆的晶圓或晶片的通孔。
上述各實施例中的粘結材料均可以選擇有機物或金屬焊料，有機物包括聚醯亞 胺、環氧樹脂、紫外線膠帶、環氧樹脂、聚醯亞胺、雙苯並環丁烯、非導電粘合劑、矽 橡膠或聚對二甲苯，金屬焊料包括銅、鎢、金、銀、錫、銦、鎳、鈀、銅錫合金、錫銀 銅合金、錫銀合金、金錫合金、銦金合金、鉛錫合金、鎳鈀合金、鎳金合金或鎳鈀金合果
上述三維垂直互聯結構的製作方法可以通過兩個實施例來實現
實施例五
三維垂直互聯結構的製作方法包括下列步驟
步驟A.在完成了微電子器件製作的單層矽晶圓或晶片的有源區面進行光刻，制 作圓環圖形。然後依次刻蝕單層晶圓或晶片表面介質層011和襯底層010，製作出扳指 狀凹坑020，圖1(a)和圖1(b)分別是扳指狀凹坑020的俯視圖和沿徑向截面圖。單層 晶圓表面介質層011可以採用活性離子蝕刻(reactive ion etching，RIE),也可以採用其他 溼法或幹法刻蝕技術。晶圓或晶片襯底層010的刻蝕可以採用深度反應離子刻蝕(Deep reactive etching, DRIE),也可以採用其他溼法或幹法刻蝕技術。凹坑020的深度最好為 1 μ m-30 μ m。單層晶圓或晶片可以是背面完成減薄之後的超薄單層晶圓或晶片。
步驟B.沉積阻擋層TiW、電鍍種子層金(Au)或銅(Cu)覆蓋扳指狀凹坑020內側 壁；光刻，晶圓有源區面除了凹坑區域及電極接觸區全部由光刻膠覆蓋；電鍍金屬銅， 填充扳指狀凹坑020。填充於扳指狀凹坑020內部的金屬形成扳指狀的導電圓環022，如 圖2所示。去除光刻膠，和扳指狀凹坑020以外的阻擋層和電鍍種子層，可以根據需要 對電鍍表面進行平坦化。在沉積阻擋層、電鍍種子層前，可以沉積絕緣層021(如二氧化 矽、聚醯亞胺等)覆蓋凹坑020的內側壁。阻擋層、種子層沉積可以採用半導體行業常 規工藝如濺射、蒸發、化學氣相沉積(CVD)等方法。絕緣層材料的沉積可以採用半導體 行業常規工藝如濺射、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)等。
同樣，可以重複步驟A、步驟B在單層晶圓或晶片背面(有源區相對一面)製作 相同的結構扳指狀凹坑020、絕緣層021和導電圓環022。
步驟C.製作連接導電環與晶圓或晶片內部微電子器件的重新布局布線層012。 重新布局布線層012的互連線013可以採用銅、鋁等金屬，也可以採用其他金屬。重新 布局布線層012的介質層可以為聚醯亞胺、BCB、環氧樹脂等材料，也可以為其他介質 材料。此步驟至少包括一層重新布局布線層012，但不限於一層。
此步驟還可以含有，在單層晶圓或晶片正面(有源區面)或背面製作接地導電 層，或導熱層。接地導電層與導電圓環連接，導熱層與導熱圓環連接。
接地導電層可以使用金、銅、鋁等金屬，也可使用其他導電漿料。
導熱層可以是金、銅、鋁等導熱材料，也可以使用其他散熱材料。
步驟D.光刻，依次刻蝕重新布局布線層012的介質層、表面介質層011，在導電 圓環022內部製作TSV通孔030，TSV通孔030橫截面半徑、圓心與導電環內環相同。 TSV通孔030的實現可以由深度反應離子刻蝕DRIE刻蝕技術實現，也可以採用其他如激 光打孔等技術實現。TSV通孔030如果使用DRIE實現，可以採用單面刻蝕，也可以採 用雙面刻蝕實現。表面介質層011、重新布局布線層012的介質層的刻蝕可以採用RIE也可採用其他溼法或幹法刻蝕技術。如單層晶圓或晶片厚度超過300 μ m，優選採用雙面刻蝕，可以提高效率。可以沉積絕緣層031，如二氧化矽等半導體行業常規絕緣層材料，覆 蓋TSV通孔030側壁和底部。在晶圓或晶片TSV通孔030開口進行刻蝕，去除導電圓環 022內部的絕緣層031，暴露導電圓環022的側壁。步驟E.把多層完成步驟A、B、C、D的單層晶圓或晶片對準、堆疊，如圖5所 示。垂直相鄰的晶圓或晶片間使用有機膜040，如聚醯亞胺、BCB、環氧樹脂等有機物 粘接，也可使用常規焊料如Al-Ge，Au-Sn, Cu-Sn等焊料焊接。此步驟中可以含有圖形化粘接材料040的工序，晶圓鍵合，形成用於散熱的微流道。此步驟中粘接材料040可以選擇有機物或金屬焊料，有機物包括聚醯亞胺、環 氧樹脂、紫外線膠帶、環氧樹脂、聚醯亞胺、雙苯並環丁烯、非導電粘合劑、矽橡膠或 聚對二甲苯，也可以選擇金屬焊料包括銅、鎢、金、銀、錫、銦、鎳、鈀、銅錫合金、 錫銀銅合金、錫銀合金、金錫合金、銦金合金、鉛錫合金、鎳鈀合金、鎳金合金或鎳鈀 金合金。但不限於此，也可使用其他半導體加工行業常用焊料。步驟F.在多層堆疊的晶圓或晶片層的一面，沉積電鍍種子層，電鍍，密閉TSV 通孔030。把電鍍金屬層作為種子層，自底向上填充貫穿多層堆疊的TSV通孔030，制 作微型導電柱033，電鍍焊球或焊盤050。去除電鍍種子層，完成三維垂直互聯結構的制 作，如圖6。此步驟中疊層TSV通孔030也可以採用輔助晶圓片，完成填充。具體來講，在 輔助晶圓片一面製作種子層，臨時夾持輔助晶圓和疊層。利用輔助晶圓片種子層，自底 向上，填充疊層TSV通孔，形成貫穿疊層晶圓或晶片的微型導電柱。實施例六三維垂直互聯結構的製作方法包括下列步驟步驟A.在完成微電子器件製作的單層矽晶圓、或晶片的有源區面進行光刻，制 作圓環圖形。然後依次刻蝕單層晶圓或晶片表面介質層011和襯底層010製作出扳指狀 凹坑020，圖1(a)和圖1(b)分別是扳指狀凹坑020的俯視圖和橫截面圖。介質層011可 以採用RIE也可以採用其他溼法或幹法刻蝕技術。襯底層010的刻蝕可以採用DRIE，也 可以採用其他溼法或幹法刻蝕技術。凹坑深度建議為1μιη-30μιη。單層晶圓或晶片可 以是背面完成減薄之後的超薄單層晶圓或晶片。步驟B.沉積阻擋層TiW、電鍍種子層金Au或銅Cu覆蓋扳指狀凹坑020側壁和 底部。光刻，晶圓有源區面除了凹坑區域及電極接觸區全部由光刻膠覆蓋。電鍍金屬， 如銅，填充扳指狀凹坑020。填充於扳指狀凹坑020內部的金屬，形成扳指狀的導電圓環 022，如圖2所示。去除光刻膠、凹坑以外的阻擋層、電鍍種子層，可以根據需要對電鍍 表面進行平坦化。在沉積阻擋層、電鍍種子層前，可以沉積絕緣層021，如二氧化矽、聚 醯亞胺等覆蓋凹坑020內側壁。阻擋層、種子層沉積可以採用半導體行業常規工藝如濺 射、蒸發、化學氣相沉積(CVD)等方法。絕緣層材料的沉積可以採用半導體行業常規工 藝如濺射、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)等。步驟C.製作連接導電圓環022與晶圓或晶片內部微電子器件的重新布局布線層 012。重新布局布線層012的互連線013可以採用由銅、鋁等金屬，也可以採用其他導電材料。重新布局布線層012的介質層可以由聚醯亞胺、BCB、環氧樹脂等材料，也可 以由其他介質材料。此步驟至少包括一層重新布局布線層012，不限於1層。如圖3所示。
步驟D.光刻，依次刻蝕重新布局布線層的介質層012、晶圓或晶片表面介質層 011，在導電圓環022內部製作TSV盲孔035，TSV盲孔035橫截面半徑、圓心與導電圓 環內環相同。TSV盲孔035可以由刻蝕、雷射打孔等打孔技術實現。如果採用刻蝕技術 實現，表面介質層011、重新布局布線層012的介質層可以採用RIE亦可採用其他溼法或 幹法刻蝕技術。晶圓或晶片襯底010可以採用DRIE刻蝕技術。可以沉積絕緣層材料如 二氧化矽，覆蓋TSV盲孔035的側壁和底部絕緣TSV盲孔035側壁和底部。對TSV盲 孔035開口進行刻蝕，去除導電圓環內部的絕緣層，暴露金屬圓環022的內側壁。
步驟E.如圖7，把兩層完成步驟A-D的單層晶圓或晶片的有源區面對面對準， 晶圓或晶片之間由粘接材料粘接。此步驟中粘接材料040可以選擇有機物或金屬焊料， 有機物包括聚醯亞胺、環氧樹脂、紫外線膠帶、環氧樹脂、聚醯亞胺、雙苯並環丁烯、 非導電粘合劑、矽橡膠或聚對二甲苯；也可以選擇金屬焊料包括銅、鎢、金、銀、錫、 銦、鎳、鈀、銅錫合金、錫銀銅合金、錫銀合金、金錫合金、銦金合金、鉛錫合金、鎳 鈀合金、鎳金合金或鎳鈀金合金。但不限於此，也可使用其他半導體加工行業常用焊 料。
此步驟中可以含有圖形化的粘接材料040的工序，製作用於散熱的微流道。
步驟F.把完成堆疊的2層晶圓或晶片的兩面減薄，直至暴露出TSV盲孔030， 實現疊層TSV通孔，如圖8。減薄可以採用化學機械拋光(CMP)或者其他溼法幹法減薄 技術。
步驟G.把完成步驟A-D的單層晶圓與完成步驟A-F的疊層，重複步驟E和F， 可以實現三層及三層以上晶圓或晶片的堆疊。如圖9所示。
步驟H.在多層堆疊的晶圓或晶片層的一面，沉積電鍍種子層，電鍍，密閉TSV 通孔。把電鍍金屬層作為種子層，自底向上填充貫穿多層堆疊的TSV通孔，製作微金屬 柱033，電鍍焊球或焊盤050。去除電鍍種子層，完成三維垂直互聯結構的製作，如圖 10。
此步驟中疊層TSV通孔亦可以採用輔助晶圓片，完成填充。具體來講，在輔 助晶圓片一面製作種子層，臨時夾持輔助晶圓和疊層。利用輔助晶圓片種子層，自底向 上，填充疊層TSV通孔，形成貫穿疊層晶圓或晶片的微導電圓柱。
由以上實施例可以看出，與傳統基於TSV三維集成技術相比，本發明採用不同 結構實現了堆疊晶圓或晶片的粘接固定以及晶圓或晶片間的電互聯。採用有機材料或焊 料實現單層晶圓或晶片間的粘接固定，不提供單層晶圓或晶片間的電互聯，因而可以採 用靈活的晶圓鍵合技術、焊接技術、粘接技術。環繞在貫穿於晶圓或晶片疊層內微型導 電柱外的導電環，實現了晶圓間、以及晶圓或晶片內微電子器件之間的電互聯，工藝簡 單，可靠性高。疊層內垂直相鄰的晶圓或晶片間的微流道設計、導熱層設計，可以有效 緩解疊層內晶片熱積累。疊層內垂直相鄰的晶圓或晶片間的接地金屬層設計，可以有效 緩解疊層內晶片間信號串擾。在完成多層晶圓、晶片間粘接後，一次製作貫穿於疊層的 TSV通孔內的微型導電柱，實現了三維垂直互聯結構單層晶圓或晶片間的電互聯。降低了填充工藝難度，減少了工藝時間，提高了電鍍成品率。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進 和變型也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種三維垂直互聯結構，其特徵在於，包括順次堆疊或面對面堆疊在一起的至少 兩層晶片，各層所述晶片之間採用粘結材料粘結，各層所述晶片由下至上依次為襯底層 和表面介質層，所述晶片的上表面具有橫截面為環形的第一凹坑，所述第一凹坑內填充 有金屬形成第一導電環，所述第一導電環通過重新布局布線層與所述晶片內部的微電子 器件連接，與所述第一導電環形狀相同且中心一致的第一通孔貫穿所述堆疊的晶片，所 述第一通孔內具有第一微型導電柱。
2.如權利要求1所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，各層所述晶片的上表面和 /或下表面具有導熱環，所述晶片的所述上表面和/或下表面具有導熱層，所述導熱層與 所述導熱環連接，與所述導熱環形狀相同且中心一致的第二通孔貫穿所述疊堆的晶片， 所述第二通孔內具有微型導熱柱。
3.如權利要求2所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，所述晶片的上表面和/或下 表面具有橫截面為環形的第二凹坑，所述第二凹坑內填充有金屬形成第二導電環，所述 上表面和/或下表面塗覆有接地導電層，所述第二導電環與所述接地導電層連接，與所 述第二導電環形狀相同且中心一致的第三通孔貫穿所述疊堆的晶片，所述第三通孔內具 有第二微型導電柱。
4.如權利要求1-3任一項所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，各層所述晶片之間 的粘結材料內具有微流道，所述微流道含有垂直貫穿所述疊堆的晶片的第四通孔。
5.如權利要求1所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，所述粘結材料為有機物或 金屬焊料，所述有機物粘結材料包括聚醯亞胺、環氧樹脂、紫外線膠帶、環氧樹脂、聚 醯亞胺、雙苯並環丁烯、非導電粘合劑、矽橡膠或聚對二甲苯，所述金屬焊料包括銅、 鎢、金、銀、錫、銦、鎳、鈀、銅錫合金、錫銀銅合金、錫銀合金、金錫合金、銦金合 金、鉛錫合金、鎳鈀合金、鎳金合金或鎳鈀金合金。
6.如權利要求1所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，所述第一凹坑的深度為 1-30微米。
7.如權利要求2所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，所述導熱層為金屬導熱材 料，所述金屬導熱材料包括金、銅或鋁。
8.如權利要求3所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，所述接地導電層為金屬材料 或導電漿料，所述金屬材料為金、銅或鋁。
9.如權利要求3所述的三維垂直互聯結構，其特徵在於，所述第一通孔、第二通孔和 /或第三通孔為圓柱形、稜柱形、圓錐形或稜錐形。
10.—種三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，包括步驟Si，在經過減薄或未經減薄的單層矽晶圓或晶片的有源區面進行光刻，製作環狀圖 形，然後依次刻蝕單層晶圓或晶片的表面介質層和襯底層，製作出扳指狀的第一凹坑；S2，沉積阻擋層、電鍍種子層覆蓋第一凹坑內側壁，並電鍍銅以填充第一凹坑，形 成第一導電環；S3，製作連接第一導電環與晶圓或晶片內部微電子器件的重新布局布線層，所述重 新布局布線層包括介質層與金屬互聯層；S4，依次刻蝕重新布局布線層的介質層以及晶圓或晶片的表面介質層，在第一導電 環內部製作第一通孔，所述第一通孔的橫截面形狀、中心與第一導電環內環相同；S5，將完成了步驟S1-S4的單層晶圓或晶片依次堆疊並對準，相鄰的晶圓或晶片間 使用有機物或者金屬焊料粘結；S6，在多層堆疊的晶圓或晶片層的一面，沉積電鍍種子層並電鍍，密閉第一通孔， 把電鍍金屬層作為種子層自底向上填充貫穿多層堆疊的通孔，製作第一微型導電柱並去 除電鍍種子層，完成三維垂直互聯結構的製作。
11.如權利要求10所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在步驟S2中沉積阻擋層、電鍍種子層之前，沉積絕緣層覆蓋第一凹坑的內側壁， 所述絕緣層選擇二氧化矽或聚醯亞胺，利用濺射或等離子增強化學氣相沉積法沉積絕緣 層。
12.如權利要求11所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在步驟S2之後，重複步驟S1-S2在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面制 作相同結構的第二導電環和/或導熱環。
13.如權利要求12所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在步驟S3中，在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面製作接地導電層和/ 或導熱層，接地導電層與第二導電環連接，導熱層與導熱環連接。
14.如權利要求10所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於， 在步驟S5中，圖形化粘接材料，以形成用於散熱的微流道。
15.—種三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，包括步驟S1，在單層矽晶圓或晶片的有源區面進行光刻，製作圓環圖形，然後依次刻蝕單層 晶圓或晶片的表面介質層和襯底層，製作出扳指狀的第一凹坑；S2，沉積阻擋層、電鍍種子層覆蓋第一凹坑內側壁，並電鍍銅以填充第一凹坑，形 成第一導電環；S3，製作連接第一導電環與晶圓或晶片內部微電子器件的重新布局布線層，所述重 新布局布線層包括介質層與金屬互聯層；S4，依次刻蝕重新布局布線層的介質層以及晶圓或晶片的表面介質層，在第一導電 環內部製作盲孔，所述盲孔的橫截面形狀、中心與第一導電環內環相同；S5，將完成了步驟S1-S4的兩層晶圓或晶片面對面堆疊並對準，晶圓或晶片間使用 有機物或者金屬焊料粘結；S6，在堆疊的晶圓或晶片層的兩面減薄直至暴露出盲孔實現通孔； S7,將完成了步驟S1-S4的單層晶圓或晶片與完成了步驟S1-S6的晶圓或晶片疊 層、粘結，並重複步驟S6以實現三層及三層以上的晶圓或晶片的堆疊；S8，在多層堆疊的晶圓或晶片的一面沉積電鍍種子層並電鍍，密閉通孔，把電鍍 金屬層作為種子層自底向上填充貫穿多層堆疊的通孔，製作微型導電柱並去除電鍍種子 層，完成三維垂直互聯結構的製作。
16.如權利要求15所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在步驟S3 中，在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面製作第二導電環和/或導熱環。
17.如權利要求16所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在步驟S3 中，在單層晶圓或晶片有源區面和/或其相對的一面製作接地導電層和/或導熱層，接地 導電層與第二導電環連接，導熱層與導熱環連接。
18.如權利要求15所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在步驟S5 中，圖形化粘接材料，以形成用於散熱的微流道。
19.如權利要求15-18任一項所述的三維垂直互聯結構的製作方法，其特徵在於，在 步驟S4之後，沉積絕緣層覆蓋盲孔側壁和底部，並在盲孔的開口進行刻蝕，去除導電環 內部的絕緣層，暴露第一導電環的內側壁。
全文摘要
本發明公開了一種三維垂直互聯結構及其製作方法。結構包括順次堆疊或面對面堆疊在一起的至少兩層晶片，各層所述晶片之間採用粘結材料粘結，各層所述晶片由下至上依次為襯底層和表面介質層，所述晶片的上表面具有橫截面為環形的第一凹坑，所述第一凹坑內填充有金屬形成第一導電環，所述第一導電環通過重新布局布線層與所述晶片內部的微電子器件連接，與所述第一導電環內徑相同且圓心一致的第一通孔貫穿所述堆疊的晶片，所述第一通孔內具有第一微型導電柱。本發明的三維垂直互聯結構提高了微電子器件製作中三維互聯疊層間電互聯和粘合強度，提高了成品率。
文檔編號H01L21/768GK102024782SQ20101051304
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月12日 優先權日2010年10月12日
發明者孫新, 朱韞暉, 繆旻, 金玉豐, 馬盛林 申請人:北京大學