CN101834159B - 采用bcb辅助键合以实现穿硅通孔封装的制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用BCB辅助键合以实现穿硅通孔封装的制作工艺，其特征在于本发明利用有机物BCB低温键合的支撑晶圆辅助下将晶圆减薄后制作TSV封装(Through Silicon Via，穿硅通孔)的方法，所述的TSV封装的制作工艺步骤是：在裸支撑晶圆上溅射金属层，再涂覆一层BCB后进行光刻；TSV晶圆正面DRIE刻蚀出TSV阵列；支撑晶圆带有BCB的一面与TSV晶圆正面经对准后在键合机中进行BCB低温键合；将TSV晶圆减薄后制作TSV后续工艺。本发明提供的TSV封装制作工艺具有较高的可靠性，采用的设备和工艺均为半导体加工的常规工艺和设备。

Description

采用BCB辅助键合以实现穿硅通孔封装的制作工艺

技术领域

本发明涉及一种采用BCB辅助键合以实现穿硅通孔(Through silicon viaTSV)封装的制作工艺，更确切地说本发明涉及一种利用有机物BCB低温键合的支撑晶圆辅助下将晶圆减薄后制作TSV的方法，属于圆片级TSV三维互连封装技术领域。

背景技术

为了满足超大规模集成电路(VLSI)发展的需要，新颖的3D堆叠式封装技术应运而生。它用最小的尺寸和最轻的重量，将不同性能的芯片和多种技术集成到单个封装体中，是一种通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制造垂直电学导通，实现芯片之间互连的封装互连技术，与以往的IC封装键合和使用凸点的工艺技术不同的是所述的工艺采用TSV(Through Silicon Via，穿硅通孔)代替了2D-Cu互连，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。因此，业内人士将TSV称为继引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊(TAB)和倒装芯片(FC)之后的第四代封装技术。

通常，晶圆TSV结构的制作方式主要为：(1)通孔制备。采用DRIE在晶圆上制备高深宽比的垂直Si通孔；(2)通孔电镀。在通孔侧壁上淀积SiO₂绝缘层后，通过预先制作的金属种子层电镀金属Cu使金属充满整个Si通孔；(3)化学机械抛光(CMP)。通孔电镀后部分金属Cu露出TSV，导致晶圆表面凹凸不平，采用CMP将过量的Cu研磨掉后继续研磨晶圆可以获得不同厚度TSV圆片；(4)圆片与圆片或芯片与圆片之间的精确对准后的键合工艺。

以上所述的晶圆TSV结构的实现需要经过一系列的半导体制作工艺，在只有几百微米厚度的晶圆中制作TSV穿硅通孔，需要经过光刻、DRIE、溅射、电镀、PVD、CMP和键合等一系列工艺，往往会导致晶圆应力较大而容易破碎，因此制作工艺成本高、产率低。为了克服晶圆易碎导致产率低的难题，近两年出现了一种键合支撑圆片的新工艺，即将制作TSV的晶圆与另一张裸晶圆键合在一起，对TSV晶圆起到支撑保护的作用，这样TSV晶圆再经过一系列复杂工艺时强度提高，避免了易碎现象的产生，待TSV制作完成后采用CMP工艺将支撑晶圆去除。在支撑晶圆键合方面，目前国内外普遍采用金属键合或者光刻胶将两个晶圆键合在一起。金属键合是将两张均溅射有金属面的晶圆相互键合，该方法金属键合强度高，此外还可作为电镀TSV的种子层，但是溅射金属成本较高，并且键合温度极高。而光刻胶键合工艺简单，但键合强度低，后续工艺中晶圆之间容易脱落，并且由于键合时光刻胶的流动性，易导致键合界面厚度高低不均，对后续工艺产生不利影响。

发明内容

为了保证键合支撑晶圆的键合质量，本发明的目的在于提出了一种采用BCB辅助晶圆键合以实现TSV封装互连的工艺。在所述的工艺中使用的BCB(干刻蚀型苯丙环丁烯)作为键合材料，该材料是美国Dow Chemical公司的干刻蚀型BCB预聚体溶液专利产品，其中BCB聚合度为40～50％，溶剂(1，3，5-三甲基苯)的存在使其呈液体状态。干刻蚀型BCB的固体含量(即BCB树脂)为46％，一定温度固化之后BCB完全聚合、交联。该方法因采用BCB晶圆键合，其工艺简单，键合强度较高，可以研磨得到更薄的TSV晶圆，并且仅在支撑晶圆上溅射金属，而不需要在TSV晶圆上溅射金属层，降低了工艺成本。

本发明的技术方案是：①在裸支撑晶圆的一面溅射一层抗氧化性较好的Au层。然后在Au层这一面涂一层均匀的BCB，通过光刻BCB使即将键合TSV通孔位置处的BCB去除。②TSV晶圆正面以SiO₂作掩膜，DRIE刻蚀出未穿透的TSV阵列，TSV通孔为圆形，孔径大约为15～80μm，阵列的排列方式如孔间距、孔直径以及孔数目等，由实际具体的设计方案所决定。TSV阵列未刻穿主要目的是为了节省DRIE的工艺成本，待BCB键合后通过成本较低的CMP工艺研磨掉未刻穿的部分。TSV阵列未刻穿需控制DRIE的刻蚀时间得以实现，即由于DRIE的刻蚀速率保持稳定，可通过计算刻蚀时间以获得相应的刻蚀深度。③将裸支撑晶圆涂覆有BCB的一面与TSV晶圆的正面进行对准，使TSV通孔开口处与裸支撑晶圆上去掉BCB的位置对准后在键合机中升温加压进行键合。④升温加压键合后，用CMPC(化学机械抛光)的方法，将TSV晶圆背面进行研磨，使TSV上的阵列图形露出，BCB作为键合介质将TSV晶圆与裸支撑晶圆键合在一起。

本发明的有益效果：能够在较低温度下实现高质量的晶圆键合效果，工艺简单，可以得到质量高、厚度薄的TSV晶圆，不仅降低制作晶圆TSV的工艺成本，而且提高了晶圆TSV封装互连的成品率。

附图说明

图1是溅射金属层后的支撑晶圆的截面构造图。

图2是BCB涂于金属层上经光刻后的截面构造图。

图3是DRIE刻蚀圆形孔状的TSV阵列后的晶圆正面的俯视图。

图4是支撑晶圆与TSV晶圆对准键合前的截面构造图。

图5是支撑晶圆与TSV晶圆BCB键合后的截面构造图。

图6是键合后TSV晶圆背面经CMP露出TSV后的截面构造图。

具体实施方式

为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明。

在图1中，在裸支撑晶圆101的一面溅射一层抗氧化性能较强的Au层102，厚度大约为100～200nm。此金属层的作用是提供TSV电镀Cu时的种子层。

在图2中，裸支撑晶圆101的金属层102上涂覆一层BCB103，BCB厚度大约为2～4μm。BCB经光刻成型，使即将键合TSV通孔位置处104的BCB去除。

在图3中，以SiO₂作掩膜，采用DRIE刻蚀TSV晶圆201的正面形成TSV阵列图形202，但没有完全将TSV晶圆刻穿，留有一定的厚度。

在图4中，将裸支撑晶圆101与TSV晶圆201进行对准，使TSV202孔径处与去掉BCB位置104对准。

在图5中，支撑晶圆101与TSV晶圆201对准后在键合机中进行升温加压键合，键合过程为从室温经20～30min升温至230℃，键合压力50～100mbar，保温65min，然后缓慢冷却至室温。

在图6中，键合后将TSV晶圆201背面进行CMP研磨，以使TSV202露出，BCB103作为键合介质将TSV晶圆与支撑晶圆键合在一起，裸支撑晶圆101上的金属层102露出以作为下一步电镀TSV的种子层，为后续的TSV的电镀、CMP、制作互连线等后续工艺提供了稳固可靠的保障，待TSV制作完成后采用CMP工艺将支撑晶圆去除掉。

Claims (8)

1.一种采用BCB辅助键合以实现穿硅通孔封装的制作工艺，其特征在于所述的制作工艺是在BCB230℃温度下键合的裸支撑晶圆辅助下将晶圆减薄后制作的，具体工艺步骤是：

(1)在裸支撑晶圆上首先溅射一层Au层，然后涂覆层BCB，BCB经光刻后成型，使即将键合TSV通孔位置处的BCB去除；

(2)以SiO₂为掩膜，采用DRIE方法刻蚀TSV晶圆，正面形成TSV阵列图形；

(3)将裸支撑晶圆涂覆有BCB的一面与步骤2所述的TSV晶圆的正面进行对准，使TSV通孔开口处与裸支撑晶圆上去掉BCB的位置对准后，在键合机中进行升温加压键合；

(4)升温加压键合后，用CMP方法将TSV晶圆背面进行研磨，使TSV上的阵列图形露出，BCB作为键合介质将TSV晶圆与裸支撑晶圆键合在一起；裸支撑晶圆上的Au层作为下一步电镀TSV的种子层。

2.按权利要求1所述的制作工艺，其特征在于所述的在裸支撑晶圆溅射Au层的厚度为100～200nm。

3.按权利要求1所述的制作工艺，其特征在于所述的裸支撑晶圆Au层上涂覆的BCB聚合度为40～50％，溶剂为1，3，5-三甲基苯，固体含量为46％。

4.按权利要求1或3所述的制作工艺，其特征在于涂覆的BCB厚度为2-4μm。

5.按权利要求1所述的制作工艺，其特征在于步骤3所述的在键合机中进行升温加压键合条件为从室温经20～30min升温至230℃，键合压力为50～100mbar，然后冷却至室温。

6.按权利要求5所述的制作工艺，其特征在于230℃键合时保温65min。

7.按权利要求1所述的制作工艺，其特征在于TSV阵列图形用DRIE方法刻蚀时没有完全刻穿晶圆的厚度。

8.按权利要求1所述的制作工艺，其特征在于TSV的通孔为圆形，孔径为15-80μm。

Images