CN103390566B - 一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法，其属于低温的圆片键合方法，可以避免在高温下因焊料的软化出现凸点间的横向偏移或者金属键合过程中金属表面易氧化等问题。该方法包括：完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺；在第一圆片的背面上涂覆第一干刻蚀型苯丙环丁烯并对第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；通过对第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行处理使得所述第一圆片的背面上的用于与已形成有硅通孔的第二圆片进行电学连接的部位暴露出来；将第二圆片与所述第一圆片进行对准键合，其中第二圆片的硅通孔与第一圆片的背面上的所述部位对准；以及完成第二圆片的硅通孔和背面工艺的制备。

Description

一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法

技术领域

本发明涉及半导体封装领域，具体地，涉及一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法。

背景技术

随着半导体三维封装技术的发展，圆片-圆片键合技术成为当前研究的热点。目前为了实现带有硅通孔（TSV）的圆片级导电互连堆叠，普遍采用的方法是通过金属-金属键合来实现圆片间的机械与电学连接。金属间的键合方式主要有共晶键合、黏着键合和直接键合。共晶键合通过金属合金在键合过程中熔解，形成金属间化合物完成键合，但是这种固液键合过程中的液态金属很难满足后续的工艺条件要求，同时金属间化合物（IMC）的生长会带来可靠性问题；黏着键合的局限性在于机械及电学连接性能不如其他金属间键合技术；而直接键合工艺对工艺的温度和压力以及金属表面的平整度都要求很高，并且铜是一种极易被氧化的金属，暴露在空气中极短时间内就会出现氧化层，而且氧化层不够致密，这样就使得氧渗入到下边的铜，继续氧化。氧化后的表面会变得不平整，最后会导致在键合界面出现氧化层，严重影响键合强度以及电互连的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法，属于常温的圆片级键合方法，该方法直接通过电镀的方式来实现圆片间的堆叠互连，因此可以避免在高温下因焊料的软化出现凸点间的横向偏移，或者金属键合过程中金属表面易氧化等问题。

本发明提供一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法，包括：

完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺；

在所述第一圆片的背面上涂覆第一干刻蚀型苯丙环丁烯并对所述第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；

对所述第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行处理以使得所述第一圆片的背面上的用于与已形成有硅通孔的第二圆片进行电学连接的部位暴露出来；

将所述第二圆片与所述第一圆片进行对准键合，其中所述第二圆片的硅通孔与所述第一圆片的背面上的所述部位对准；以及

完成所述第二圆片的硅通孔和背面工艺的制备。

通过上述技术方案，由于在将第一圆片与第二圆片进行键合时，不是如同现有技术那样首先完成第一圆片和第二圆片的制备并之后通过金属键合来形成第一圆片与第二圆片的键合，而是首先通过第一干刻蚀型苯丙环丁烯将第一圆片与仅形成硅通孔的第二圆片进行键合并之后完成第二圆片的硅通孔和背面工艺的最终制备，因此不需要采用需要一定温度和压强的金属键合方式来实现圆片与圆片之间的键合，而是直接通过电镀的方式来实现圆片间的堆叠互连，其属于常温的圆片级键合方法，因此可以避免在高温下因焊料的软化出现凸点间的横向偏移，或者金属键合过程中金属表面易氧化等问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的用于三维集成封装技术的圆片级键合方法的流程图。

图2至图11是用于三维集成封装技术的圆片级键合方法的剖面流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

首先，如图1所示，根据本发明一种实施方式的用于三维集成封装技术的圆片级键合方法包括如下步骤：

S1、完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺；

S2、在所述第一圆片的背面上涂覆第一干刻蚀型苯丙环丁烯（BCB）并对所述第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；

S3、对所述第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行处理以使得所述第一圆片的背面上的用于与已形成有硅通孔的第二圆片进行电学连接的部位暴露出来。其中，对第一BCB进行处理可以包括例如刻蚀工艺、减薄工艺和表面平坦化工艺等；第一圆片的与第二圆片进行电学连接的部位可以是第一圆片的背面上的金属凸点或者金属布线。

S3、将所述第二圆片与所述第一圆片进行对准键合，其中所述第二圆片的硅通孔与所述第一圆片的背面上的所述部位对准；以及

S4、完成所述第二圆片的硅通孔和背面工艺的制备。

接下来，参照图2至图11对根据本发明的用于三维集成封装技术的圆片级键合方法进行更详细的描述。

首先，如图2所示，在第一圆片1上完成硅通孔（TSV）填充和正面制备工艺之后，将支撑片2与第一圆片1进行临时键合。

其中，图2所示的步骤中将支撑片2与第一圆片1进行临时键合可以具体包括以下步骤：在支撑片2上涂覆第二干刻蚀型苯丙环丁烯并使所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；在已完成硅通孔和正面制备工艺的所述第一圆片1的正面上涂覆临时键合胶；将所述支撑片2和所述第一圆片1进行临时键合。优选地，在所述在支撑片2上涂覆第二干刻蚀型苯丙环丁烯并使所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化之后，图2所示的步骤中还可以可选地包括：对第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行表面粗糙度处理，以增加所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯与所述第一圆片1的键合强度并防止将所述支撑片2和所述第一圆片1进行临时键合期间所述临时键合胶的横向滑动偏移。其中，可以在所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯的表面上形成任意形状的沟槽来防止将所述支撑片2和所述第一圆片1进行临时键合期间所述临时键合胶的横向滑动偏移。而且，可以通过干法刻蚀、湿法刻蚀、等离子处理工艺中的任意一种方式或其组合来实现所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯的表面粗糙度处理，但是其他能够形成表面粗糙的处理方式也包括在本发明的保护范围内，例如通过刀刻或其他方式形成表面粗糙。另外，第一圆片1的正面上所涂覆的临时键合胶的厚度可以根据第一圆片1的正面制备工艺的高度（例如，正面布线的高度、正面器件的高度）以及所述第二BCB的表面粗糙程度来确定，也即临时键合胶的厚度优选大于第一圆片1的正面上的制备工艺的高度与第二BCB的表面粗糙程度之和。而且，对所述支撑片和所述第一圆片1进行临时键合的温度首选低于所述临时键合胶的软化温度。

当然，图2所示的步骤中，将支撑片2与第一圆片1进行临时键合也可以采用以下步骤：在支撑片上涂覆第二干刻蚀型苯丙环丁烯并使所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；将所述支撑片和所述第一圆片1进行临时键合；对所述第一圆片1进行背面减薄和抛光，直至露出所述第一圆片1的硅通孔；完成所述第一圆片1的背面制备工艺。

另外，图2所示的步骤中，将支撑片2与第一圆片1进行临时键合也可以采用以下步骤：在已形成有硅通孔和正面制备工艺的所述第一圆片1的正面上涂覆临时键合胶；将所述支撑片和所述第一圆片1进行临时键合；对所述第一圆片1进行背面减薄和抛光，直至露出所述第一圆片1的硅通孔；完成所述第一圆片1的背面制备工艺。

也即，在对支撑片2与第一圆片1进行临时键合时，既可以选用上述第二BCB和临时键合胶相结合的方法，也可以选用上述单独采用临时键合胶的方法，或者还可以选用上述单独采用第二BCB进行临时键合的方法。具体根据工艺制备的气压、温度等条件来选择支撑片2与第一晶圆1的临时键合方法。

接下来，如图3所示，对第一圆片1的背面进行减薄和抛光，直至露出第一圆片1的硅通孔为止，之后在第一圆片1的背面沉积绝缘层，并通过例如光刻或其他工艺进行反应离子刻蚀（RIE）开窗，最后沉积扩散阻挡层和种子层。

接下来，如图4所示，对第一圆片1的背面进行电镀，以完成第一圆片1的背面凸点、背面布线以及可能的背面器件（例如，采用CMOS工艺、MEMS工艺、双极工艺等在第一圆片1的背面上制备的器件）制备。

接下来，如图5所示，在第一圆片1的背面上涂覆第一BCB，并对第一BCB进行固化。

接下来，如图6所示，对第一BCB进行刻蚀、减薄和表面平坦化等处理，以使第一圆片1的背面上的用于与已形成硅通孔的第二圆片3（请见图7）进行机械和电学连接的部位（例如，相应的金属凸点或者金属布线）表面平整且不被第一BCB所覆盖。

接下来，如图7所示，将已经刻蚀好硅通孔并完成绝缘层沉积的第二圆片3与第一圆片1进行对准键合，使第二圆片3的硅通孔对准第一圆片1的与第二圆片3进行电学连接的部位（例如，凸点）的中间位置。但是本领域技术人员可以理解的是，第二圆片3的硅通孔中可以先不沉积绝缘层，而是在后续步骤（如图9所示）中对第二圆片3的背面进行减薄之后才在第二圆片3的硅通孔中沉积绝缘层以及相应的扩散阻挡层和种子层。所述第二圆片的硅通孔与所述第一圆片的所述背面布线中用于与第二圆片电学连接的部位进行对准，此背面布线不仅限于凸点，也可以是其他形状的金属面，对准键合的位置可以在金属面的各个位置，具体对准位置根据系统的布局要求。

接下来，如图8所示，将第二圆片3进行背面减薄和抛光，直至露出第二圆片3的硅通孔。

接下来，如图9所示，在第二圆片3的硅通孔中沉积扩散阻挡层和种子层；

接下来，如图10所示，对第二圆片3进行电镀以在第二圆片3的硅通孔中填充导电材料。

接下来，如图11所示，完成第二圆片3的凸点下金属层和背面布线工艺，从而完成第一圆片1与第二圆片3的键合。

同样的，采用同样的方法，可以实现与第三圆片、第四圆片等的堆叠键合。也即，根据本发明的方法不是仅仅局限于对两个圆片进行键合，其还适用于对多于两个的圆片进行键合。

如上面的图2-11所示，由于根据本发明的用于三维集成封装技术的圆片级键合方法并没有采用现有技术中的利用金属键合的圆片级键合方式，而是通过利用电镀、沉积等方法实现第一圆片1与第二圆片3的键合，所以解决了现有技术中存在的因利用金属-金属键合方式所导致的键合界面容易出现氧化物等问题，而且第一圆片1与第二圆片3之间的BCB可以替代圆片与圆片间的填料，具有很高的热稳定性和绝缘性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。而且，图2至图11所示的制备流程仅是示例性说明，本发明不对第一圆片1和第二圆片3中的各个元件的制备工艺进行限制，也即可以采用半导体制备工艺中的任何适当工艺来制备第一圆片1和第二圆片3中的各个元件，并不受图2至图11所示制备工艺的限制。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于三维集成封装技术的圆片级键合方法，该方法包括：

完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺；

在所述第一圆片的背面上涂覆第一干刻蚀型苯丙环丁烯并对所述第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；

对所述第一干刻蚀型苯丙环丁烯进行处理以使得所述第一圆片的背面上的用于与已形成有硅通孔的第二圆片进行电学连接的部位暴露出来；

将所述第二圆片与所述第一圆片进行对准键合，其中所述第二圆片的硅通孔与所述第一圆片的背面上的所述部位对准；以及

完成所述第二圆片的硅通孔和背面工艺的制备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺包括：

在支撑片上涂覆第二干刻蚀型苯丙环丁烯并使所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；

在已完成硅通孔和正面制备工艺的所述第一圆片的正面上涂覆临时键合胶；

将所述支撑片和所述第一圆片进行临时键合；

对所述第一圆片进行背面减薄和抛光，直至露出所述第一圆片的硅通孔；

完成所述第一圆片的背面制备工艺。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述在支撑片上涂覆第二干刻蚀型苯丙环丁烯并使所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化之后，该方法还包括：对所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行表面粗糙度处理，以增加所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯与所述第一圆片的键合强度并防止将所述支撑片和所述第一圆片进行临时键合期间所述临时键合胶的横向滑动偏移。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯的表面上形成任意形状的沟槽来增加所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯与所述第一圆片的键合强度并防止将所述支撑片和所述第一圆片进行临时键合期间所述临时键合胶的横向滑动偏移。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，通过干法刻蚀、湿法刻蚀、等离子处理中的任意一种方式或其组合来实现所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯的表面粗糙度处理。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述临时键合胶的厚度根据所述第一圆片的正面制备工艺的高度以及所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯的表面粗糙程度来确定。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述支撑片和所述第一圆片进行临时键合的温度低于所述临时键合胶的软化温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺包括：

在支撑片上涂覆第二干刻蚀型苯丙环丁烯并使所述第二干刻蚀型苯丙环丁烯进行固化；

将所述支撑片和所述第一圆片进行临时键合；

对所述第一圆片进行背面减薄和抛光，直至露出所述第一圆片的硅通孔；

完成所述第一圆片的背面制备工艺。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述完成第一圆片的硅通孔、正面制备工艺、背面减薄以及背面制备工艺包括：

在已形成有硅通孔和正面制备工艺的所述第一圆片的正面上涂覆临时键合胶；

将支撑片和所述第一圆片进行临时键合；

对所述第一圆片进行背面减薄和抛光，直至露出所述第一圆片的硅通孔；

完成所述第一圆片的背面制备工艺。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二圆片的硅通孔与所述第一圆片的背面上的所述部位对准包括：

所述第二圆片的硅通孔与所述第一圆片的背面上的所述部位的相应位置对准。