CN103762182B - 基于水玻璃‑陶瓷复合介质的tsv封装再分布层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于水玻璃‑陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，包括以下步骤：（1）混合水玻璃和陶瓷粉末，使陶瓷粉末均匀分散在水玻璃中；（2）将混合物均匀涂覆在再分布互连线已经完成的晶圆表面；（3）通过程序控温烘干固化上述混合浆料，形成水玻璃‑陶瓷复合介质；（4）再次用少量水玻璃涂覆前述复合介质表面以填充其中存在的空隙，并烘干固化；（5）对成型的复合介质层进行研磨平坦化处理，露出金属连接柱，即可完成单层再分布层制备。本发明采用湿法工艺制备无机绝缘介质，流程简便、工艺成本低廉，可与常规工艺兼容。介质材料与晶圆及金属布线热匹配性好，化学稳定性高，导热性良好，可以有效提高TSV互连的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型TSV封装再分布层（RDL）制备技术，属于微电子封装技术领域，具体是一种以水玻璃-陶瓷复合材料为绝缘介质，通过湿法工艺制备TSV封装再分布层的方法。
背景技术
TSV（ThroughSiliconVia，硅通孔）是继引线键合、载带键合和倒装芯片之后的第四代封装互连技术，它因芯片在三维方向堆叠密度最大、芯片间的互连线最短、外形尺寸最小等特点，极大程度上提高了芯片速度，实现了低功耗工作。目前，TSV应用于高密度三维封装中，主要优势有：互连长度缩短至薄晶圆长度；互连方式上，以垂直堆叠逻辑区块替代水平分布导线，将多晶片系统整合在硅晶圆上；同时，短长度立体式的连接也避免了传统导线互连产生的RC延迟。
TSV的关键技术有高深宽比硅通孔的成型，阻挡层及种子层的形成，硅通孔的填充和再分布互连层的制备等。再分布层是调整键合凸点分布、实现不同芯片互连互通架构匹配的关键，与IC工艺中的铜互连层功能相似，通常不止一层，但是与IC铜互连相比，分辨率较低且单层更厚。
目前的再分布层制备技术按照工艺类型可分为干法工艺和湿法工艺，也可以按照介质材料的种类分为有机绝缘介质（如PI，BCB等）和无机绝缘介质（如干法沉积的二氧化硅）再分布层。
干法技术常采用CVD直接淀积SiO2、Si3N4等无机材料，厚度均匀性好，致密度高且附着强度大，但存在制备成本高、效率低等缺点。作为此类方法的典型实例,MSunohara等在“SiliconInterposerwithTSVs(ThroughSiliconVias)andFineMultilayer Wiring”，（2008ElectronicComponentsandTechnologyConference,pp.847-852）中采用CVD法制备的SiO2绝缘层致密基本无孔隙，但是工艺时间长，成本较高，厚膜内应力较大，加之Cu和二氧化硅的热膨胀系数不匹配，245℃回流焊处理中在Cu-TSV边界的二氧化硅易开裂。
传统的湿法工艺通常采用BCB、PI等有机材料，Sun,Xin等在“ProcessDevelopment and Characterization of BCB–based Layer(RDL)for SiliconInterposer Application”,（2012Electronic System-Integration TechnologyConference(ESTC),pp.1-4）中采用BCB作为绝缘介质制备再分布层，这种方法工艺过程简单、成本低、台阶覆盖性好、效率高，但是BCB热导率很低、热失配显著，在有机溶剂易于溶胀，与后续堆叠集成工艺兼容性差。
针对上述问题，本发明提出采用水玻璃-陶瓷复合介质的湿法工艺再分布层制备方法，这种方法既具有湿法工艺的高效率，又拥有无机绝缘介质再分布层良好的属性，应用前景广阔。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种通过湿法工艺制备无机绝缘介质，形成TSV再分布层的方法。该方法以水玻璃、陶瓷混合物涂布成膜并加热固化制备绝缘介质层。相比目前的再分布层技术，其具备成本低廉、工艺简便、再分布层各材料间热匹配、绝缘性和导热性优良等多方面优势。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将水玻璃和陶瓷粉末混合，使陶瓷粉末均匀分散在水玻璃中，得到混合物；
所述的原料主要参数为水玻璃的种类、模数，陶瓷粉末的种类和粒径，陶瓷粉末与水玻璃的质量比；上述参数直接影响复合介质再分布层的性能和质量。
所述的水玻璃为锂水玻璃、钠水玻璃、钾水玻璃等中的一种或多种混合物。以钠水玻璃为例，模数为3.0～4.0。
所述的陶瓷粉末为BN、SiC、Si3N4、AlN、Al2O3等粉末中的一种或多种混合物。
所述的陶瓷粉末的平均粒径小于所需制备薄膜厚度的四分之一，以避免过大颗粒造成薄膜涂覆的不平整。
所述的陶瓷粉末与水玻璃的质量比为（0～2.0）：1。
所述的陶瓷粉末在水玻璃中的分散方法，可以采用球磨、研磨、机械搅拌等方法，实现浆料的均匀混合。
（2）将步骤（1）所得的混合物均匀涂覆在再分布互连线已经完成的晶圆表面；
所述的涂覆厚度若小于所需厚度，可重复涂覆多次。
（3）通过程序控温烘干固化上述混合浆料，形成水玻璃-陶瓷复合介质；
所述的固化方式为加热固化，起始温度为室温，升温速度为0.1～10℃/min，最高温度为500℃。
（4）再次用少量水玻璃涂覆步骤（3）得到复合介质表面以填充其中存在的空隙，并烘干固化，固化工艺与（3）相同，得到成型的复合介质层；
由于步骤（3）中混合浆料固化收缩会引入少量孔隙，此步可以填补孔隙，保证复合介质良好的致密性。
（5）对成型的复合介质层进行研磨平坦化处理，露出金属连接柱，即可完成单层再分布层制备。
为满足再分布层的平整度要求，可进一步对表面进一步磨平和抛光。对于多层再分布层，在打磨时应露出铜柱，以便与下一层实现连接。
相比现有技术，本发明实现了如下有益效果：
本发明提出的湿法工艺制备基于水玻璃-陶瓷复合介质TSV再分布层方法，不但具备湿法工艺高效、低成本、工艺简单等特点，同时水玻璃-陶瓷复合介质具备良好的热机械匹配性、导热性和化学稳定性的优势。因此，这是一种低成本高可靠性的再分布层工艺。本发明不仅适用于TSV互连封装，同时也可应用在一般芯片的再分布层制备。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为填充好铜的晶圆示意图；
图2为电镀第一层铜示意图；
图3为电镀第二层铜连接柱示意图；
图4为涂覆水玻璃-陶瓷复合介质层示意图；
图5为电镀第三层铜凸点示意图；
图中：1—铜填充后的晶圆、2—第一层铜、3—第二层铜连接柱、4—水玻璃-
陶瓷复合介质层、5—第三层铜凸点。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细描述本发明。实施例中提供的是应用于本发明构思下特定实现方案的描述，不限制本发明的适用范围，这一构思下的类似情况和改进方式，均可以达到本发明的目的，在本发明的保护范围内。
实施例一
湿法制备钠水玻璃-AlN-SiC复合介质再分布层
（1）电镀第一层铜
在铜填充好的晶圆（如图1）上溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影、掩膜电镀等步骤，制备再分布互连线，镀铜层厚度4μm。去胶后如图2所示。
（2）电镀第二层铜连接柱
继续旋涂15μm厚正胶，经曝光、显影、掩膜电镀制备层间连接柱，柱高10μm，去胶后如图3所示。
（3）去第一层种子层
采用双氧水-氨水刻蚀液刻蚀暴露的Cu种子层，用铁氰化钾刻蚀液去除暴露的Cr粘结层，用去离子水清洗干净，70℃烘1h。
（4）按比例混合水玻璃和AlN、SiC粉末，使陶瓷粉末均匀分散在水玻璃中
称量钠水玻璃（模数为3.4）10g，AlN(平均粒径为1μm)7g,SiC（平均粒径500nm）8g。将其混合放入球磨罐中通过QM-QX04球磨机充分混合均匀。球磨机转速为50Hz,时间为40min。
（5）将混合物均匀涂覆在上述再分布互连线已经完成的晶圆表面
采用刮涂法将水玻璃-陶瓷混合物涂覆到上述晶圆表面，控制厚度约为15-20μm。
（6）通过程序控温烘干固化上述混合浆料，形成水玻璃-陶瓷复合介质
将涂覆好混合浆料的晶圆由室温以1℃/min升温至500℃，保温2h，然后随炉冷却。
（7）再次用少量水玻璃涂覆前述复合介质表面以填充其中存在的空隙，并烘干固化
在晶圆表面涂覆水玻璃，在真空烘箱中抽真空至0.01大气压，使水玻璃完全渗入复合介质内部，再采用旋涂法去除晶圆表面多余的水玻璃，转速为1500rpm，时间为30s。按步骤（6）方式固化。
（8）对成型的复合介质层进行表面平坦化研磨，直到层间连接金属柱完全暴露，单层再分布层制备完成
用砂纸将绝缘介质薄膜磨平整，并进行机械抛光，露出铜连接柱，清洗干净，烘干，单层再分布层制备完成，如图4所示。
（9）铜凸点制备
如果只有一层再分布层，可以围绕已经暴露的层间连接金属柱上端面制备铜凸点。溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影进行凸点图形化，然后掩膜电镀铜，形成铜凸点，厚度4μm，去胶、去种子层后如图5。
实施例二
湿法制备钠水玻璃-AlN复合介质再分布层
（1）电镀第一层铜
在铜填充好的晶圆（如图1）上溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影、掩膜电镀等步骤，制备再分布互连线，镀铜层厚度4μm。去胶后如图2所示。
（2）电镀第二层铜连接柱
继续旋涂15μm厚正胶，经曝光、显影、掩膜电镀制备层间连接柱，柱高10μm，去胶后如图3所示。
（3）去第一层种子层
采用双氧水-氨水刻蚀液刻蚀暴露的Cu种子层，用铁氰化钾刻蚀液去除暴露的Cr粘结层，用去离子水清洗干净，70℃烘1h。
（4）按比例混合水玻璃和AlN粉末，使AlN粉末均匀分散在水玻璃中
称量钠水玻璃（模数为3.4）10g，AlN(平均粒径为1μm)15g。将其混合放入球磨罐中通过QM-QX04球磨机充分混合均匀。球磨机转速为50Hz,时间为40min。
（5）将混合物均匀涂覆在上述再分布互连线已经完成的晶圆表面
采用刮涂法将水玻璃-陶瓷混合物涂覆到上述晶圆表面，控制厚度约为15-20μm。
（6）通过程序控温烘干固化上述混合浆料，形成水玻璃-陶瓷复合介质
将涂覆好混合浆料的晶圆由室温以1℃/min升温至500℃，保温2h，然后随炉冷却。
（7）再次用少量水玻璃涂覆前述复合介质表面以填充其中存在的空隙，并烘干固化
在晶圆表面涂覆水玻璃，在真空烘箱中抽真空至0.01大气压，使水玻璃完全渗入复合介质内部，再采用旋涂法去除晶圆表面多余的水玻璃，转速为1500rpm，时间为30s。按步骤（6）方式固化。
（8）对成型的复合介质层进行表面平坦化研磨，直到层间连接金属柱完全暴露，单层再分布层制备完成
用砂纸将绝缘介质薄膜磨平整，并进行机械抛光，露出铜连接柱，清洗干净，烘干，单层再分布层制备即告完成，如图4所示。
（9）铜凸点制备
如果只有一层再分布层，可以围绕已经暴露的层间连接金属柱上端面制备铜凸点。溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影进行凸点图形化，然后掩膜电镀铜，形成铜凸点，厚度4μm，去胶、去种子层后如图5。
实施例三
湿法制备锂水玻璃-AlN复合介质再分布层
（1）电镀第一层铜
在铜填充好的晶圆（如图1）上溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影、掩膜电镀等步骤，制备再分布互连线，镀铜层厚度4μm。去胶后如图2所示。
（2）电镀第二层铜连接柱
继续旋涂15μm厚正胶，经曝光、显影、掩膜电镀制备层间连接柱，柱高10μm，去胶后如图3所示。
（3）去第一层种子层
采用双氧水-氨水刻蚀液刻蚀暴露的Cu种子层，用铁氰化钾刻蚀液去除暴露的Cr粘结层，用去离子水清洗干净，70℃烘1h。
（4）按比例混合水玻璃和AlN粉末，使AlN粉末均匀分散在水玻璃中
称量锂水玻璃（模数为4）10g，AlN(平均粒径为1μm)15g。将其混合放入球磨罐中通过QM-QX04球磨机充分混合均匀。球磨机转速为50Hz,时间为40min。
（5）将混合物均匀涂覆在上述再分布互连线已经完成的晶圆表面
采用刮涂法将水玻璃-陶瓷混合物涂覆到上述晶圆表面，控制厚度约为15-20μm。
（6）通过程序控温烘干固化上述混合浆料，形成水玻璃-陶瓷复合介质
将涂覆好混合浆料的晶圆由室温以1℃/min升温至500℃，保温2h，然后随炉冷却。
（7）再次用少量水玻璃涂覆前述复合介质表面以填充其中存在的空隙，并烘干固化
在晶圆表面涂覆水玻璃，在真空烘箱中抽真空至0.01大气压，使水玻璃完全渗入复合介质内部，再采用旋涂法去除晶圆表面多余的水玻璃，转速为1500rpm，时间为30s。按步骤（6）方式固化。
（8）对成型的复合介质层进行表面平坦化研磨，直到层间连接金属柱完全暴露，单层再分布层制备完成
用砂纸将绝缘介质薄膜磨平整，并进行机械抛光，露出铜连接柱，清洗干净，烘干，单层再分布层制备即告完成，如图4所示。
（9）铜凸点制备
如果只有一层再分布层，可以围绕已经暴露的层间连接金属柱上端面制备铜凸点。溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影进行凸点图形化，然后掩膜电镀铜，形成铜凸点，厚度4μm，去胶、去种子层后如图5。
实施例四
湿法制备钠水玻璃介质TSV再分布层，流程如下：
（1）电镀第一层铜
在铜填充好的晶圆（如图1）上溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影进行图形化。掩膜电镀生长铜4μm，去胶后如图2所示。
（2）电镀第二层铜连接柱
旋涂15μm正胶，经曝光、显影进行图形化。掩膜电镀生长铜连接柱10μm，去胶后如图3所示。
（3）去第一层种子层
采用双氧水-氨水刻蚀液刻蚀暴露的Cu种子层，用铁氰化钾刻蚀液去除暴露的Cr粘结层，用去离子水清洗干净，70℃烘1h。
（4）旋涂水玻璃，加热固化形成介质薄膜，重复多次
采用动态滴胶的方式，在再分布互连线已经完成的晶圆上旋涂钠水玻璃（模数：3.4），转速为1000rpm，时间为30s。放入120℃烘箱中，以1℃/min的速率升温至400℃，并保温2h，然后随炉冷却。得到的薄膜厚度为2.5μm，重复此过程6次，得到厚度为15μm介质薄膜。
（5）通过程序控温烘干固化绝缘介质
将涂覆好水玻璃的晶圆由室温以1℃/min升温至500℃，保温2h，然后随炉冷却。
（6）对成型的介质层进行表面平坦化研磨，直到层间连接金属柱完全暴露，单层再分布层制备完成
用砂纸将绝缘介质薄膜磨平整，并进行机械抛光，露出铜连接柱，清洗干净，烘干，单层再分布层制备完成，如图4所示。
（7）铜凸点制备
如果只有一层再分布层，可以围绕已经暴露的层间连接金属柱上端面制备铜凸点。溅射Cr/Cu种子层，并旋涂5μm正胶，经曝光、显影进行凸点图形化，然后掩膜电镀铜，形成铜凸点，厚度4μm，去胶、去种子层后如图5。
上述制备TSV再分布层的三种方法仅是本发明制备方法的特定实施例，通过改变陶瓷粉末、水玻璃的种类、工艺参数等方式可以得到一系列制作方案和改进措施，均属于本发明的权利保护范围，本领域技术人员在此范围内的各种变动不影响本发明的实质内涵。
本发明提出的制备工艺可在成本低廉、操作简单的情况下，将陶瓷粉末和水玻璃混合均匀，经成膜固化生长绝缘介质薄膜，制备得到再分布层，能与硅、金属实现热匹配，材料的稳定性使它与后续微加工工艺的兼容，陶瓷粉末填充在水玻璃中大大提升了薄膜的绝缘性和导热性，这些优势有效避免了目前传统干法和湿法制备的众多缺陷，保证了TSV互连的可靠性，显示了工业化生产的巨大潜力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水玻璃和陶瓷粉末混合，使陶瓷粉末均匀分散在水玻璃中，得到混合浆料；
所述的陶瓷粉末为AlN，或者所述的陶瓷粉末为AlN与以下物质中一种或多种混合物：BN、SiC、Si3N4、Al2O3；
(2)将上述混合浆料均匀涂覆在再分布互连线已经完成的晶圆表面；
(3)通过程序控温烘干固化上述混合浆料，形成水玻璃-陶瓷复合介质；
步骤(3)中，所述的固化方式为加热固化，起始温度为室温，升温速度为0.1～10℃/min，最高温度为500℃；
(4)再次用少量水玻璃涂覆步骤(3)中得到的复合介质表面以填充其中存在的空隙，并烘干固化；
(5)对成型的复合介质层进行研磨平坦化处理，露出金属连接柱，即完成单层再分布层制备。
2.根据权利要求1所述的基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水玻璃为锂水玻璃、钠水玻璃、钾水玻璃中的一种或多种混合物。
3.根据权利要求2所述的基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钠水玻璃模数为3.0～4.0。
4.根据权利要求1所述的基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，其特征在于，所述的陶瓷粉末的平均粒径小于所需制备薄膜厚度的四分之一。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，其特征在于，步骤(1)中，混合浆料中陶瓷粉末与水玻璃的质量比为(0～2.0)：1；若一次涂覆厚度小于所需厚度，可重复多次。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于水玻璃-陶瓷复合介质的TSV封装再分布层制备方法，其特征在于，步骤(5)中：为满足再分布层的平整度要求，并露出金属连接柱，需要对表面进一步磨平和抛光。
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