CN109994425A - 填充基片的制备方法、填充基片及微孔互连结构制备方法 - Google Patents

填充基片的制备方法、填充基片及微孔互连结构制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的微孔互连结构的填充基片的制备方法及填充基片及微孔互连结构的制备方法，在填充基片的填充微孔中通过液态金属填充技术填充zamak锌铝系列合金，zamak锌铝合金的熔点最低可为380度，比锡合金熔点高，因而该微孔互连结构器件在后续的封装或加工过程中，可以适用较高温工艺；同时，zamak锌铝合金有更低的电阻率，从而使微孔互连结构器件在导电性能方面更优。另外，通过在填充基片先溅射一层隔离层，阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀填充基片，从而解决了由于zamak锌铝合金腐蚀填充基片，导致填充基片上形成的金属互连层两面的热膨胀系数不一致而引起金属互连层带着填充基片一起翘曲的问题或者金属互连层在翘曲的过程中，导致填充基片表面出现小块剥离问题。

Description

填充基片的制备方法、填充基片及微孔互连结构制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及微孔互连结构的填充基片的制备方法及填充基片及微孔互连结构的制备方法。
背景技术
电互接是用来实现将芯片间电信号的传输的方式，是封装的核心组成部分。现有的封装技术中，电连接主要通过金线键合和倒装焊的方式，但随着电子器件的发展，上述两种电连接形式已渐渐不能满足更高的系统级封装集成度和更小的封装体积的要求。随之兴起的对先进封装有着重大影响的新型的电连接技术是TSV硅通孔技术，其是穿透基片(特别是硅基片)的垂直电连接技术。TSV硅通孔技术提高所有种类芯片封装的电气性能，包括大大提高集成度，缩小芯片尺寸。
TSV的制造包括了通孔的制造，绝缘层的沉积，通孔的填充以及后续的化学机械平整化和再布线等工艺。在这些工艺中，通孔的填充是最重要的，现在较为先进的通孔填充技术是液态金属填充技术，所选择的填充金属为锡合金、铅锡合金以及镉合金等，但若填充锡合金会导致硅通孔互连器件不能满足后续的高温工艺，造成器件的损坏，而铅锡合金以及镉合金含有有毒金属，不能满足RoHS要求。
发明内容
本发明的目的是提供微孔互连结构的填充基片的制备方法及填充基片及微孔互连结构的制备方法，将具有高熔点、低电阻的zamak锌铝系列合金进行微孔填充，且不会出现金属互连层带着填充基片一起翘曲的问题或者金属互连层在翘曲的过程中，与填充基片发生撕裂脱离，导致填充基片表面出现小块剥离问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种微孔互连结构的填充基片的制备方法，包括如下步骤：
在基片上覆盖隔离层，在所述基片的一侧主面上形成所述隔离层，所述隔离层用于防止zamak锌铝合金溶液腐蚀所述主面；
制作填充微孔，加工若干个贯通所述隔离层和所述基片的填充微孔。
优选地，在所述基片上覆盖隔离层之前还包括制备基片，制备的所述基片为硅基片或者玻璃基片。
优选地，所述在所述基片的一侧主面上形成所述隔离层进一步包括通过蒸发或者CVD或者溅射的方式沉积所述隔离层于所述主面上。
优选地，沉积所述隔离层于所述主面上进一步为沉积厚度为20nm至1000nm的所述隔离层于所述主面上。
优选地，所述在所述基片的一侧主面上形成所述隔离层进一步包括形成钛钨材料的隔离层或者氧化铟合金材料的隔离层或者钼材料的隔离层或者铬金属材料的隔离层于所述主面上。
优选地，所述加工若干个贯通所述隔离层和所述基片的填充微孔进一步包括加工出直径大于或等于20微米的所述填充微孔。
一种微孔互连结构的填充基片，包括基片和隔离层，所述基片的一侧主面上覆盖有所述隔离层，所述填充基片上设有若干个贯通所述隔离层和所述基片的填充微孔。
优选地，所述基片包括硅基片或者玻璃基片。
优选地，所述隔离层的厚度为20nm至1000nm。
优选地，所述隔离层的材料为钛钨或者氧化铟合金或者钼或者铬金属。
优选地，所述填充微孔的直径大于或等于20微米。
一种微孔互连结构的制备方法，包括如下步骤：
提供上面所述的填充基片；
提供一装有液态zamak锌铝合金的金属槽，在所述金属槽上水平放置自下而上依次由喷嘴片、所述填充基片和盖片叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片上设有与所述填充微孔垂直对应的喷嘴孔，所述喷嘴片靠近所述填充基片的一端设有能囊括所有所述填充微孔的凹层，所述喷嘴片下表面紧贴所述金属槽内液态zamak锌铝合金的上表面；
调整所述三明治结构的内部气压及所述液态zamak锌铝合金的表面气压，以将所述金属槽的所述液态zamak锌铝合金通过所述喷嘴孔吸入所述填充微孔，完成所述填充微孔的zamak锌铝合金填充，同时在所述隔离层上形成zamak锌铝合金互连层；
进一步调整所述三明治结构的内部气压及所述液态zamak锌铝合金的表面气压，以将所述液态zamak锌铝合金在所述喷嘴孔处断开。
优选地，所述液态zamak锌铝合金在所述喷嘴孔处断开后，进一步调整所述三明治结构的内部气压及所述液态zamak锌铝合金的表面气压，使二者的气压差为0，并使二者上升为大气压值，然后取出所述填充基片。
一种微孔互连结构，其特征在于，包括上面所述的填充基片、填充于所述填充微孔内的zamak锌铝合金以及zamak锌铝合金互连层，所述zamak锌铝合金互连层覆盖于所述隔离层上。
一种通孔互连器件，其特征在于，包括若干个上面所述的微孔互连结构，所述微孔互连结构通过所述zamak锌铝合金互连层连接。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供的微孔互连结构的填充基片的制备方法，在填充基片的填充微孔中通过液态金属填充技术填充zamak锌铝系列合金，zamak锌铝合金的熔点最低可为380度，比锡合金熔点(一般在100多度到200多度之间)高，因而该微孔互连结构器件在后续的封装或加工过程中，可以适用较高温工艺；同时，zamak锌铝合金有更低的电阻率，电阻率约6μΩ·cm，从而使微孔互连结构器件在导电性能方面更优。另外，由于zamak锌铝合金的主要成份为锌，锌的溶液具有较大的腐蚀性，其溶液会溶解填充基片，故通过在填充基片先溅射一层隔离层，阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀填充基片，从而解决了由于zamak锌铝合金腐蚀填充基片，导致填充基片上形成的金属互连层两面的热膨胀系数不一致而引起金属互连层带着填充基片一起翘曲的问题或者金属互连层在翘曲的过程中，与填充基片发生撕裂脱离，导致填充基片表面出现小块剥离问题。
附图说明
图1为一种微孔互连结构的填充基片的制备方法流程图；
图2A至图2F为填充基片翘曲的流程示意图；
图3A至图3F为zamak锌铝合金互连层从填充基片撕裂的流程示意图；
图4为一种微孔互连结构的填充基片示意图；
图5A至图5F为一种微孔互连结构的制备方法的流程示意图；
图6为一种微孔互连结构的示意图。
附图标记说明：
1：填充基片；11：基片；12：隔离层；13：填充微孔；2：zamak锌铝合金互连层；3：微孔金属填充结构；31：喷嘴片；311：凹层；312：喷嘴孔；32：盖片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的微孔互连结构的填充基片的制备方法及填充基片及微孔互连结构的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例一
参看图1所示，图1为一种微孔互连结构的填充基片的制备方法流程图，包括如下步骤：在基片11上覆盖隔离层12，在基片11的一侧主面上形成隔离层12，隔离层12用于防止zamak锌铝合金溶液腐蚀基片11的主面；制作填充微孔13，加工若干个贯通隔离层12和基片11的填充微孔13。
基片11，在本实施例中，基片11包括硅基片或者玻璃基片，
覆盖隔离层12，隔离层12可以通过蒸发或者CVD或者溅射的方式沉积到基片11上，隔离层12的主要功能是阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀填充基片11。参看图2A至图2F所示，图2A至图2F为填充基片翘曲的流程示意图，因为zamak锌铝合金的主要成份为锌，锌的溶液具有较大的腐蚀性，其溶液会溶解一部分的基片11，导致溶解的一面的热膨胀系数与另一面(与喷嘴片31相贴的一面)不一致。在固化后继续冷却的过程中，因为zamak锌铝合金溶液的两面的热膨胀系数不一样，从而导致zamak锌铝合金互连层2翘曲，翘曲会产生两个结果，第一个结果，如图2A至图2F所示，如果zamak锌铝合金互连层2与基片11粘附很牢，那么zamak锌铝合金互连层2会带着基片11一起翘曲，第二个结果，如图3A至图3F所示，图3A至图3F为zamak锌铝合金互连层从填充基片撕裂的流程示意图，若zamak锌铝合金互连层2与基片11粘附不牢，那么zamak锌铝合金互连层2在翘曲过程中，会把基片11上的一小块剥离下来。所以需要在基片11上覆盖隔离层12，这层材料不需要很厚，数十至数百纳米即可，在本实施例中，隔离层12的厚度为20nm至1000nm，隔离层12的材料要求本身不会溶解到熔化的zamak锌铝合金中并且可以与基片11吸附比较好，在本实施例中，隔离层12的材料选为钛钨或者氧化铟合金，其他材料如钼或铬金属也可。
制作填充微孔13，基片11上溅射沉积隔离层12后，通过开孔技术开设若干个贯通隔离层12和基片11的填充微孔13，用于填充zamak锌铝合金，用于实现填充基片1之间的金属互连，在本实施例中，填充微孔13的直径大于或等于20微米。
实施例二
参看图4所示，图4为一种微孔互连结构的填充基片示意图，本发明提供了一种微孔互连结构的填充基片1，包括基片11和隔离层12，基片11的一侧主面上覆盖有隔离层12，填充基片1上设有若干个贯通隔离层12和基片11的填充微孔13。
填充基片1可以为硅基片或玻璃基片；
隔离层2可以通过蒸发或者CVD或者溅射的方式沉积到填充基片1上，隔离层2的主要功能是阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀填充基片1。这层材料不需要很厚，数十至数百纳米即可，在本实施例中，隔离层12的厚度为20nm至1000nm，隔离层2的材料要求本身不会溶解到熔化的zamak锌铝合金中并且可以与填充基片吸附比较好，在本实施例中，隔离层的材料选为钛钨或者氧化铟合金，其他材料如钼或铬金属也可。
填充微孔13，填充基片1上溅射沉积隔离层2后，通过开孔技术开设若干个贯通隔离层2合填充基片1的填充微孔11，用于填充zamak锌铝合金，实现基片之间的金属互连，在本实施例中，填充微孔的直径大于或等于20微米。
实施例三
参看图5A至图5F所示，图5A至图5F为一种微孔互连结构的制备方法的流程示意图，本发明提供了一种微孔互连结构的制备方法，包括如下步骤：
提供实施例二所述的填充基片1；
提供一装有液态zamak锌铝合金的金属槽，在金属槽上水平放置自下而上依次由喷嘴片31、填充基片1和盖片32叠加而成的三明治结构；其中，喷嘴片31上设有与填充微孔13垂直对应的喷嘴孔312，喷嘴片31靠近填充基片1的一端设有能囊括所有填充微孔13的凹层311，喷嘴片31下表面紧贴金属槽内液态zamak锌铝合金的上表面；
调整三明治结构的内部气压及液态zamak锌铝合金的表面气压，以将金属槽的液态zamak锌铝合金通过喷嘴孔312吸入填充微孔13，完成填充微孔13的zamak锌铝合金填充，同时在隔离层12上形成zamak锌铝合金互连层2；
进一步调整三明治结构的内部气压及液态zamak锌铝合金的表面气压，以将液态zamak锌铝合金在喷嘴孔312处断开。
本发明提供的一种微孔互连结构的制备方法，在填充基片1的填充微孔13中通过液态金属填充技术填充zamak锌铝系列合金，zamak锌铝合金的熔点最低可为380度，比锡合金熔点(一般在100多度到200多度之间)高，因而通过该方法制备的微孔互连结构器件在后续的封装或加工过程中，可以适用较高温工艺；同时，zamak锌铝合金有更低的电阻率，从而使微孔互连结构器件在导电性能方面更优。另外，由于zamak锌铝合金的主要成份为锌，锌的溶液具有较大的腐蚀性，其溶液会溶解基片11，故通过在基片11先溅射一层隔离层12，阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀基片11，从而解决了由于zamak锌铝合金腐蚀基片11，导致基片11上形成的zamak锌铝合金互连层2两面的热膨胀系数不一致而引起zamak锌铝合金互连层2带着填充基片1一起翘曲的问题或者zamak锌铝合金互连层2在翘曲的过程中，与填充基片1发生撕裂脱离，导致填充基片1表面出现小块剥离问题。
本实施例所述的一种微孔互连结构的制备方法的具体工作过程为：
由上至下依次叠加盖片32、填充基片1和喷嘴片31组成一三明治结构，填充基片1夹在盖片32和喷嘴片31之间，填充基片1上设有填充微孔13，喷嘴片31上设有与填充微孔13垂直的喷嘴孔312，喷嘴片31靠近填充基片1的一端设有能囊括所有填充微孔13的凹层311，用于形成zamak锌铝合金互连层2；在叠加时，盖片32与填充基片1之间留有第一间隙，填充基片1与喷嘴片31之间留有第二间隙。
然后将该三明治结构的侧壁全部嵌入到一个密封腔内，喷嘴片31的下表面用以在zamak锌铝合金填充时紧贴液态zamak锌铝合金的上表面，此时，密封腔内的气压与第一间隙、填充微孔13、第二间隙以及喷嘴孔312的气压均相同。
降低密封腔的内部气压至小于外界大气压的第一气压值，此时第一间隙、填充微孔13、第二间隙以及喷嘴孔312的气压均降至与密封腔内的气压相同的第一气压值，在这种情况下，填充微孔13和喷嘴孔312中均形成向上的张力，此时，液压金属槽中的液态zamak锌铝合金在向上的张力的作用下经喷嘴孔312填充到填充微孔13中；
在填充微孔13内填满液态zamak锌铝合金后，逐渐升高密封腔的内部气压至小于外界大气压且大于第一气压值的第二气压值，此时，第一间隙、填充微孔13、第二间隙以及喷嘴孔312的气压均升高至与密封腔内的气压相同的第二气压值，在这种情况下，外界大气压和密封腔内的第二气压值之间的气压差无法维持液态zamak锌铝合金在喷嘴孔312中的连续性，液态zamak锌铝合金的表面张力将喷嘴孔312中的液态zamak锌铝合金夹断，使得液态zamak锌铝合金在喷嘴孔312夹断，并回流到液态金属槽中。
优选地，液态zamak锌铝合金在喷嘴孔312处断开后，进一步调整三明治结构的内部气压及液态zamak锌铝合金的表面气压，使二者的气压差为0，并使二者上升为大气压值，以便取出填充基片1，在取出填充基片之前，先让填充微孔13内以及表面的zamak锌铝合金互连层2冷却固化。
实施例四
参看图6所示，图6为一种微孔互连结构的示意图，本发明提供了一种微孔互连结构，包括实施例二所述的填充基片1、填充于填充微孔13内的zamak锌铝合金以及zamak锌铝合金互连层2，zamak锌铝合金互连层2覆盖于隔离层上12。
本发明提供的一种微孔互连结构，在填充基片1的填充微孔13中通过液态金属填充技术填充zamak锌铝系列合金，zamak锌铝合金的熔点最低可为380度，比锡合金熔点(一般在100多度到200多度之间)高，因而该微孔互连结构器件在后续的封装或加工过程中，可以适用较高温工艺；同时，zamak锌铝合金有更低的电阻率，从而使微孔互连结构器件在导电性能方面更优。另外，由于zamak锌铝合金的主要成份为锌，锌的溶液具有较大的腐蚀性，其溶液会溶解基片11，故通过在基片11先溅射一层隔离层12，阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀基片11，从而解决了由于zamak锌铝合金腐蚀基片11，导致填充基片1上形成的zamak锌铝合金互连层2两面的热膨胀系数不一致而引起zamak锌铝合金互连层2带着填充基片1一起翘曲的问题或者zamak锌铝合金互连层2在翘曲的过程中，与填充基片1发生撕裂脱离，导致填充基片1表面出现小块剥离问题。
基片11可以为硅基片或玻璃基片；
隔离层12可以通过蒸发或者CVD或者溅射的方式沉积到基片11上，隔离层12的主要功能是阻挡熔化的zamak锌铝合金腐蚀基片11。这层材料不需要很厚，数十至数百纳米即可，在本实施例中，隔离层12的厚度为20nm至1000nm，隔离层12的材料要求本身不会溶解到熔化的zamak锌铝合金中并且可以与基片11吸附比较好，在本实施例中，隔离层12的材料选为钛钨或者氧化铟合金，其他材料如钼或铬金属也可。基片11上溅射沉积隔离层12后，通过开孔技术开设若干个贯通隔离层12和基片11的填充微孔13，用于填充zamak锌铝合金，实现填充基片1之间的金属互连，在本实施例中，填充微孔的直径大于或等于20微米。
zamak锌铝合金互连层2，通过是实施例三提供的一种微孔互连结构的制备方法在隔离层12上形成zamak锌铝合金互连层2。zamak锌铝合金是一种熔点相对较低的锌铝合金，例如zamak锌铝合金的熔点最低可为380度。基于该熔点，可以将填充工艺控制在400～450度以内。此外zamak锌铝合金较锡合金更低的电阻率，在导电性能方面也比锡合金有较高的提升。目前，zamak锌铝合金广泛应用于传统的压铸，传统压铸主要使用该合金的机械性能，而在本项发明将zamak锌铝合金用于半导体领域的微孔/腔/异形结构填充，充分利用了该合金的电学性能和热学性能。
实施例五
本发明还提供了一种通孔互连器件，包括若干个实施例四所述的微孔互连结构，各微孔互连结构通过zamak锌铝合金互连层进行垂直方向上的连接。该种连接方式大大提高了集成度，缩小芯片尺寸，且由于zamak锌铝合金的熔点最低可为380度，比锡合金熔点(一般在100多度到200多度之间)高，因而通过zamak锌铝合金互连层进行连接制得的通孔互连器件在后续的封装或加工过程中，可以适用较高温工艺；同时，zamak锌铝合金有更低的电阻率，从而使通孔互连器件在导电性能方面更优。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种微孔互连结构的填充基片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基片上覆盖隔离层，在所述基片的一侧主面上形成所述隔离层，所述隔离层用于防止zamak锌铝合金溶液腐蚀所述主面；
制作填充微孔，加工若干个贯通所述隔离层和所述基片的填充微孔。
2.根据权利要求1所述的微孔互连结构的填充基片的制备方法，其特征在于，在所述基片上覆盖隔离层之前还包括制备基片，制备的所述基片为硅基片或者玻璃基片。
3.根据权利要求1所述的微孔互连结构的填充基片的制备方法，其特征在于，所述在所述基片的一侧主面上形成所述隔离层进一步包括通过蒸发或者CVD或者溅射的方式沉积所述隔离层于所述主面上。
4.根据权利要求3所述的微孔互连结构的填充基片的制备方法，其特征在于，沉积所述隔离层于所述主面上进一步为沉积厚度为20nm至1000nm的所述隔离层于所述主面上。
5.根据权利要求1所述的微孔互连结构的填充基片的制备方法，其特征在于，所述在所述基片的一侧主面上形成所述隔离层进一步包括形成钛钨材料的隔离层或者氧化铟合金材料的隔离层或者钼材料的隔离层或者铬金属材料的隔离层于所述主面上。
6.根据权利要求1所述的微孔互连结构的填充基片的制备方法，其特征在于，所述加工若干个贯通所述隔离层和所述基片的填充微孔进一步包括加工出直径大于或等于20微米的所述填充微孔。
7.一种微孔互连结构的填充基片，其特征在于，包括基片和隔离层，所述基片的一侧主面上覆盖有所述隔离层，所述填充基片上设有若干个贯通所述隔离层和所述基片的填充微孔。
8.根据权利要求7所述的微孔互连结构的填充基片，其特征在于，所述基片包括硅基片或者玻璃基片。
9.根据权利要求7所述的微孔互连结构的填充基片，其特征在于，所述隔离层的厚度为20nm至1000nm。
10.根据权利要求7所述的微孔互连结构的填充基片，其特征在于，所述隔离层的材料为钛钨或者氧化铟合金或者钼或者铬金属。
11.根据权利要求7所述的微孔互连结构的填充基片，其特征在于，所述填充微孔的直径大于或等于20微米。
12.一种微孔互连结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供权利要求7至11任一项所述的填充基片；
提供一装有液态zamak锌铝合金的金属槽，在所述金属槽上水平放置自下而上依次由喷嘴片、所述填充基片和盖片叠加而成的三明治结构；其中，所述喷嘴片上设有与所述填充微孔垂直对应的喷嘴孔，所述喷嘴片靠近所述填充基片的一端设有能囊括所有所述填充微孔的凹层，所述喷嘴片下表面紧贴所述金属槽内液态zamak锌铝合金的上表面；
调整所述三明治结构的内部气压及所述液态zamak锌铝合金的表面气压，以将所述金属槽的所述液态zamak锌铝合金通过所述喷嘴孔吸入所述填充微孔，完成所述填充微孔的zamak锌铝合金填充，同时在所述隔离层上形成zamak锌铝合金互连层；
进一步调整所述三明治结构的内部气压及所述液态zamak锌铝合金的表面气压，以将所述液态zamak锌铝合金在所述喷嘴孔处断开。
13.根据权利要求12所述的微孔互连结构的制备方法，其特征在于，所述液态zamak锌铝在所述喷嘴孔处断开后，进一步调整所述三明治结构的内部气压及所述液态zamak锌铝合金的表面气压，使二者的气压差为0，并使二者上升为大气压值，然后取出所述填充基片。
14.一种微孔互连结构，其特征在于，包括权利要求7至11任一项所述的填充基片、填充于所述填充微孔内的zamak锌铝合金以及zamak锌铝合金互连层，所述zamak锌铝合金互连层覆盖于所述隔离层上。
15.一种通孔互连器件，其特征在于，包括若干个权利要求14所述的微孔互连结构，所述微孔互连结构通过所述zamak锌铝合金互连层连接。
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