一種矽通孔互連結構的製作方法
2023-05-06 05:55:16 1
專利名稱：一種矽通孔互連結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子封裝領域，具體講，涉及一種矽通孔互連(TSV)的製作方法。
背景技術：
基於矽通孔(Through Silicon Via，TSV)互連的三維集成技術可以提供垂直方向的電學信號互連，降低連線的寄生參數，提高系統的工作速度，降低功耗。另外，它還可以提供高密度的封裝形式，減小微電子系統的面積、體積和重量，在可攜式設備或對面積、體積和重量有苛刻要求的領域有廣泛的應用前景。矽通孔互連的製作工藝，包括矽通孔刻蝕、矽通孔側壁絕緣層澱積、矽通孔填充以及凸點製作等步驟。目前公開的技術方案中，矽通孔側壁絕緣層沉積方法有等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，電感耦合等離子體增強化學氣相沉積(ICP-CVD)等。矽通孔填充方法有自底向上電鍍銅填充(Bottom-up)、電鍍銅保型填充(conformal)、化學氣相沉積鎢填充等。電鍍填充矽通孔工藝過程會產生銅凸起(overloading)，公開的技術方案中一般採用類似集成電路製造工藝中的銅大馬士革工藝的方法去除銅凸起。與集成電路製造工藝的銅大馬士革工藝相比，矽通孔電鍍銅填充產生的銅凸起在幾微米至幾十微米量級，這給銅平坦化工藝帶來較大的技術挑戰，一方面要求銅平坦化工藝提供較高的去除速率，另一方面要求銅平坦化工藝儘量降低對其下的鈍化層或襯底矽層的損傷，而這兩方面的需求是彼此矛盾的。另外，如何對種子層沉積工藝、電鍍銅填充工藝等工藝在線監測對提高成品率、降低成本具有重要意義。
發明內容
針對現有矽通孔互連製作工藝中銅平坦化工藝面臨的技術挑戰、矽通孔互連製作工藝監測困難，本發明的目的在於提供一種矽通孔(Through Silicon Via, TSV)互連製作方法，如圖1(a)所示，其步驟包括步驟1、提供一半導體晶圓，半導體晶圓一面已完成微電子電路製作。臨時粘接矽晶圓正面至玻璃晶圓(矽晶圓正面指含有微電子電路晶片的一面)；步驟2、減薄、拋光矽晶圓背面至一定厚度。製作矽通孔刻蝕掩膜，製作矽通孔；步驟3、在矽晶圓背面沉積絕緣層、種子層；可以通過步驟1的玻璃晶圓，對種子層沉積效果進行監測；步驟4、製作電鍍銅掩膜；電鍍銅填充矽通孔，去除光刻膠、種子層。可以通過步驟 1的玻璃晶圓，對電鍍銅填充效果進行監測；步驟5、臨時粘接矽晶圓背面至另一輔助晶圓，剝離玻璃-矽晶圓。在暴露的矽晶圓正面製作重新布線層，電連接矽通孔互連與微電子電路晶片，製作焊盤。步驟6、剝離矽晶圓，分割微電子晶片。優選地，步驟4，電鍍銅後電鍍錫、或電鍍銀錫、或電鍍鎳錫，製作銅錫、或者銅銀錫微凸點。
優選地，步驟6包含將2個或以上的微電子電路晶片垂直堆疊，一微電子電路晶片銅微凸點與另一微電子電路晶片焊盤鍵合。優選地，2個或2個以上的晶片堆疊之間存在高分子有機物填充。優選地，採用一種有機高分子材料臨時粘接矽晶圓。優選地，採用機械減薄和化學機械拋光相結合的方法(CMP)減薄、拋光矽晶圓。本發明公開了一種矽通孔(Through Silicon Via,TSV)互連製作方法，如圖1(b) 所示，其步驟包括步驟1-1、提供一半導體晶圓，一面已經完成微電子電路製作。在半導體晶圓正面製作盲孔。半導體晶圓正面指含有微電子電路晶片的一面。步驟1-2、沉積金屬層至半導體晶圓正面，包括盲孔側壁部分。圖形化金屬層，製作微電子晶片焊盤與盲孔側壁之間的電連接。步驟1、臨時粘接半導體晶圓正面至玻璃晶圓(半導體晶圓正面指含有微電子晶片的一面)。步驟2、減薄矽晶圓背面至一定厚度。製作矽通孔與半導體晶圓正面盲孔實現貫
ο步驟3、在矽晶圓背面沉積銅種子層；可以通過步驟1的玻璃晶圓，對種子層沉積效果進行監測。步驟4、製作電鍍銅掩膜；電鍍銅填充矽通孔，去除光刻膠、種子層；可以通過步驟 1的玻璃晶圓，對電鍍銅填充效果進行監測。步驟5、分離半導體晶圓與玻璃晶圓，分割微電子晶片。優選地，步驟1-2包含在半導體晶圓正面沉積鈍化層，圖形化鈍化層工藝。優選地，步驟1-2半導體晶圓正面盲孔可以在半導體晶圓微電子電路晶片的互連鈍化層；或穿通微電子電路晶片的互連鈍化層至矽襯底一定深度；或穿通微電子電路晶片的互連鈍化層和矽襯底。優選地，步驟3包含沉積阻擋層的工藝。優選地，步驟3包括矽通孔側壁製作絕緣層工藝。優選地，步驟4，電鍍銅後電鍍錫，或電鍍銀錫，或電鍍鎳錫，製作銅錫、或者銅銀錫、或者銅鎳錫微凸點。優選地，步驟5包含將2個或以上的微電子電路晶片垂直堆疊，一微電子電路晶片銅微凸點與另一微電子電路晶片焊盤鍵合。優選地，臨時粘接矽晶圓採用一種有機高分子材料。優選地，減薄矽晶圓採用機械減薄和化學機械拋光相結合的方法(CMP)。與現有技術相比，本發明的技術效果為該發明公開的技術方案免除銅平坦化工藝，同時方便進行種子層沉積效果、電鍍填充效果監測，有效降低了工藝的技術難度，有利於提高成品率，降低工藝成本。
圖1 (a)、圖1 (b)為本發明矽通孔互連的製作方法流程圖；圖2(a) (h)為實施例一的製作方法流程圖3(a) (h)為實施例二的製作方法流程圖。
具體實施例方式實施例一本發明公開了一種矽通孔互連結構的製作方法，如圖2所示，具體如下步驟一、提供一矽晶圓100，正面110已完成微電子電路製作，微電子電路晶片存在焊盤111。採用有機高分子材料112臨時粘接矽晶圓正面至玻璃晶圓200(矽晶圓正面指含有微電子晶片的一面)。有機高分子材料旋塗在玻璃晶圓或矽晶圓正面，在50攝氏度至 150攝氏度預固化，在100攝氏度至250攝氏度，一定壓力下鍵合。步驟二、在矽晶圓背面減薄矽晶圓至目標厚度約50微米至250微米。減薄可以採用機械減薄與化學機械拋光相結合的方法，亦可採用化學腐蝕(TMAH或Κ0Η)或刻蝕方法實現。光刻，旋塗光刻膠，採用透過玻璃晶圓觀測的微電子電路的對準標記進行對準、曝光、顯影，製作矽通孔刻蝕掩膜，深度反應離子刻蝕(DRIE)矽晶圓至矽晶圓微電子電路晶片的互連層(介質層)、表面鈍化層，反應離子刻蝕矽晶圓微電子電路晶片的互連層、表面鈍化層， 最後去除光刻膠，形成矽通孔101，如圖2-(a)。步驟三、在矽晶圓背面等離子體增強化學氣相沉積二氧化矽(SiO2),形成晶圓背面、矽通孔側壁以及底部的絕緣層102，如圖2(b)所示。然後濺射鈦鎢金屬層(TiW)JH (Cu) 形成阻擋層、電鍍種子層103，如圖2-(c)所示。絕緣層亦可採用其他半導體工藝常用絕緣材料，沉積方法可以採用物理氣相沉積或其他半導體薄膜沉積技術。阻擋層、種子層亦可採用其他材料，沉積方法可以採用半導體薄膜沉積技術如ALD等。步驟四、在矽晶圓背面旋塗光刻膠，或熱壓幹膜，光刻曝光、顯影，製作電鍍銅掩膜 120，如圖2-(d)所示。電鍍銅保型填充矽通孔，形成帶微凸點的銅金屬柱104。在104上電鍍錫形成微凸點焊接層105。去除光刻膠120、微凸點周圍的種子層、阻擋層103，如圖2-(e) 所示。電鍍銅掩膜亦可以噴塗液體光刻膠，或熱壓粘貼光敏薄膜實現。電鍍銅填充矽通孔之後，亦可以電鍍其他金屬焊接材料，如銀錫合金等，製備焊接層105。步驟五、臨時粘接矽晶圓背面至另一輔助晶圓300，剝離玻璃晶圓200。反應離子刻蝕矽通孔底部絕緣層102，暴露矽通孔互連(TSV)的103層；亦可以採用其他溼法腐蝕方法去除矽銅孔底部絕緣層102，如圖2-(f)。製作重新布線層，矽通孔互連與微電子晶片實現電互連，製作該重新布線層的焊盤。重新布線層金屬層可以採用鋁、銅等金屬，絕緣層可以採用二氧化矽、氮化矽、BCB、PI等絕緣材料。步驟六、剝離矽晶圓300，分割矽晶圓，分離微電子電路晶片，如圖2_(g)所示。矽晶圓的分割可以採用機械分割、或雷射分割，亦可採用半導體行業其他常用分割技術。步驟七、逐層堆疊微電子晶片，微凸點105與微電子晶片正面通過重新布線層的焊盤熱壓鍵合。下填充有機物至堆疊的微電子晶片之間，如圖2-(h)。實施例二本發明公開了一種矽通孔互連結構的製作方法，如圖3所示，具體如下步驟一、提供一矽晶圓100，正面110已完成微電子電路晶片製作，微電子電路晶片存在焊盤111。在晶圓正面製作盲孔。蒸發金屬層銅、或鋁至半導體晶圓正面，包括盲孔側壁部分。利用蒸發技術臺階保型覆蓋差的技術特徵，盲孔側壁將沉積部金屬，而底部、底部側壁無金屬覆蓋。圖形化銅金屬層，製作微電子晶片焊盤111與盲孔側壁之間的電連接 114，如圖3_(a)所示。圖形化方法可以採用溼法腐蝕或者剝離的方法實現。半導體晶圓正面盲孔可以在半導體晶圓微電子電路晶片的互連鈍化層；或穿通微電子電路晶片的互連鈍化層至矽襯底一定深度；或穿通微電子電路晶片的互連鈍化層和矽襯底。盲孔製作方法可以採用反應離子刻蝕矽晶圓表面微電子電路晶片的表面鈍化層、互連層和深度反應離子刻蝕矽晶圓微電子電路晶片的互連層下的矽襯底結合進行；亦可採用雷射打孔等其他方法實現。步驟二、在矽晶圓正面沉積絕緣層二氧化矽120，刻蝕二氧化矽製作窗口，暴露盲孔周圍以及側壁的金屬層，形成焊盤。然後採用有機高分子材料112臨時粘接矽晶圓正面至玻璃晶圓(矽晶圓正面指含有微電子晶片的一面)。有機高分子材料旋塗在玻璃晶圓或矽晶圓正面，在50攝氏度至150攝氏度預固化，在100攝氏度至250攝氏度，一定壓力下鍵合，如圖3-(b)所示。步驟三、在矽晶圓背面減薄矽晶圓至目標厚度約50微米至250微米。減薄可以採用機械減薄與化學機械拋光相結合的方法，亦可採用化學腐蝕(TMAH或Κ0Η)或刻蝕方法實現。在矽晶圓背面旋塗光刻膠，採用透過玻璃晶圓觀測的對準標記進行對準、曝光，顯影，製作矽通孔刻蝕掩膜，深度反應離子刻蝕(DRIE)矽晶圓、反應離子刻蝕矽晶圓正面微電子電路晶片的互連層，直至與矽晶圓正面盲孔貫通，形成矽通孔101，去除光刻膠，如圖3-(c)。步驟四、在矽晶圓背面等離子體增強化學氣相沉積二氧化矽(SiO2)。然後製作光刻膠掩膜，反應離子刻蝕矽通孔底部(即靠近矽晶圓正面的那一端)、底部側壁氧化層(即有114層的側壁部分)，去除光刻膠，形成晶圓背面、矽通孔側壁絕緣層102，如圖3-(d)所示。然後濺射鈦鎢金屬層(TiW)J^ (Cu)形成阻擋層、電鍍種子層103。絕緣層亦可採用其他半導體工藝常用絕緣材料，沉積方法可以採用物理氣相沉積。阻擋層、種子層亦可採用其他材料，沉積方法可以採用半導體薄膜沉積技術如ALD等。步驟五、在矽晶圓背面光刻，製作電鍍銅掩膜120，如圖3_(e)所示。電鍍銅保型填充矽通孔，形成帶微凸點的銅金屬柱104。電鍍錫形成微凸點焊接層105，如圖3-(f)所示。 去除光刻膠120、微凸點周圍的種子層、阻擋層103，如圖3-(g)所示。電鍍銅掩膜可以旋塗或噴塗液體光刻膠，亦可以粘貼光敏薄膜實現。電鍍銅填充矽通孔之後，亦可以電鍍其他金屬焊接材料，如銀錫合金等。步驟六、剝離矽晶圓，分割矽晶圓，分離微電子電路晶片，如圖3_(g)所示。矽晶圓的分割可以採用機械分割、或雷射分割，亦可採用半導體行業其他常用分割技術。步驟七、逐層堆疊微電子晶片，微凸點105與微電子電路晶片正面的焊盤鍵合。下填充有機物400至堆疊的微電子晶片之間，如圖3-(h)所示。
權利要求
1.一種矽通孔互連結構的製作方法，其步驟為1)在矽晶圓正面粘接一玻璃晶圓；所述矽晶圓包括製備有微電子電路的正面以及與該正面相對的背面；2)將所述矽晶圓背面減薄至目標厚度，並製備所述矽晶圓的矽通孔；3)在所述矽晶圓背面依次沉積絕緣層、種子層；4)在所述矽晶圓背面製作電鍍掩膜，電鍍導電材料填充矽通孔，在所述矽晶圓背面矽通孔對應位置形成凸點；然後在凸點上製作焊盤，並暴露出凸點周圍的絕緣層；5)將所述矽晶圓背面粘接到一晶圓上，剝離所述玻璃晶圓；在所述矽晶圓正面，刻蝕掉矽通孔底部所沉積的絕緣層，製作一重新布線層電連接矽通孔中所沉積的種子層與所述微電子電路，並製作所述重新布線層的焊盤。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於製備所述矽晶圓的矽通孔的方法為在所述矽晶圓正面光刻，旋塗光刻膠，通過所述玻璃晶圓觀測微電子電路的對準標記進行對準、曝光、顯影，製作矽通孔刻蝕掩膜，製備所述矽晶圓的矽通孔。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中，通過所述玻璃晶圓對所述種子層的沉積過程進行監測。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於在所述絕緣層與種子層之間沉積一阻擋層。
5.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述步驟4)中，通過所述玻璃晶圓對所述電鍍導電材料填充矽通孔過程進行監測。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於將所述矽晶圓分割為若干微電子晶片，通過微電子晶片中凸點上的焊盤與重新布線層的焊盤熱壓鍵合，逐層堆疊分割後的微電子晶片。
7.一種矽通孔互連結構的製作方法，其步驟為1)在矽晶圓正面製作盲孔，所述矽晶圓包括製備有微電子電路的正面以及與該正面相對的背面；然後在所述矽晶圓正面和所述盲孔側壁製備一金屬層，電連接所述盲孔側壁與微電子電路；2)在所述矽晶圓正面沉積絕緣層，刻蝕所述絕緣層，暴露盲孔開口周圍以及側壁的金屬層，形成焊盤；然後在所述矽晶圓正面粘接一玻璃晶圓；3)將所述矽晶圓背面減薄至目標厚度，在所述矽晶圓背面盲孔對應位置進行刻蝕直至與盲孔貫通，製備所述矽晶圓的矽通孔；4)在所述矽晶圓背面沉積絕緣層，去除沉積在矽通孔底部及底部側壁金屬層上的絕緣層；然後在所述矽晶圓背面電鍍種子層；5)在所述矽晶圓背面製作電鍍掩膜，電鍍導電材料填充矽通孔，在所述矽晶圓背面矽通孔對應位置形成凸點；然後在凸點上製作焊盤，並暴露出凸點周圍的絕緣層；6)剝離所述玻璃晶圓。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於所述盲孔的底部位於所述矽晶圓微電子電路晶片的互連鈍化層；或穿通微電子電路晶片的互連鈍化層至矽襯底設定深度。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於採用臺階保型覆蓋的蒸發方法製備所述金屬層。
10.如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於所述步驟4)中，通過所述玻璃晶圓對所述種子層的沉積過程進行監測；所述步驟幻中，通過所述玻璃晶圓對所述電鍍導電材料填充矽通孔的過程進行監測。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於在所述絕緣層與種子層之間沉積一阻擋層。
12.如權利要求7所述的方法，其特徵在於將所述矽晶圓分割為若干微電子晶片，通過微電子晶片中凸點上的焊盤與步驟幻所形成的焊盤熱壓鍵合，逐層堆疊分割後的微電子-H-* I I心片ο
全文摘要
本發明公開了一種矽通孔互連結構的製作方法，屬於微電子封裝領域。本方法為1)在矽晶圓正面粘接一玻璃晶圓；2)將所述矽晶圓背面減薄至目標厚度，並製備所述矽晶圓的矽通孔；3)在所述矽晶圓背面依次沉積絕緣層、種子層；4)在所述矽晶圓背面製作電鍍掩膜，電鍍導電材料填充矽通孔，形成凸點；然後在凸點上製作焊盤，並暴露出凸點周圍的絕緣層；5)將所述矽晶圓背面粘接到一晶圓上，剝離所述玻璃晶圓；在所述矽晶圓正面，刻蝕掉矽通孔底部所沉積的絕緣層，製作一重新布線層電連接矽通孔中所沉積的種子層與所述微電子電路，並製作所述重新布線層的焊盤。本發明便於種子層沉積效果、電鍍填充效果監測，降低了工藝的技術難度，提高成品率。
文檔編號H01L21/768GK102270603SQ20111023026
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月11日 優先權日2011年8月11日
發明者孫新, 朱蘊暉, 王貫江, 繆旻, 金玉豐, 陳兢, 馬盛林 申請人:北京大學