CN110085528A - 一种晶圆键合的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种晶圆键合的激光加工方法，本发明的通孔是后续形成的，其与现有的键合方式不同，可以实现更为灵活的通孔形成方式。其可以实现激光的熔融焊接晶圆的同时，实现通孔的修复或者提供较为可靠的通孔结构；并且，由于激光通过通孔进行照射，属于局部加热至焊料上，而非整体加热以及加热至晶圆上，可以避免晶圆内的应力。

Description

一种晶圆键合的激光加工方法
技术领域
本发明涉半导体晶圆键合领域，属于H01L23/00分类号下，尤其涉及一种晶圆键合的激光加工方法。
背景技术
晶圆键合往往是通过双晶圆在键合材料的高温烧结下，使得双晶圆实现集成并达到电互通的。该种高温烧结往往是对晶圆的整体进行整体式加热，这会影响晶圆内部已经形成的各种电子部件（例如晶体管等），且容易引用晶圆的翘曲。
发明内容
基于解决上述问题，本发明提供了一种晶圆键合的激光加工方法，包括如下步骤：
（1）提供第一晶圆，所述第一晶圆具有相对的正面和背面，并在所述第一晶圆内形成贯通所述正面和背面的第一导电孔；
（2）在所第一晶圆的正面上涂覆一层粘合层，并在对应所述第一导电孔的位置形成开窗；
（3）利用植球工艺在所述开窗对应的位置设置焊料球；
（4）提供第二晶圆，所述第二晶圆具有通孔结构，所述通孔结构对应于所述第一导电孔，该通孔结构包括具有第一宽度的通孔和具有第二宽度的盲孔，其中所述通孔的一端露出于所述第二晶圆的背面，另一端露出于所述盲孔的底部，且所述第一宽度小于所述第二宽度，以形成一阶梯形状；
（5）将第二晶圆的正面与第一晶圆的正面压合在一起，经由所述通孔照射激光至所述焊料球的顶部，使得所述焊料球熔融并填充所述盲孔，并在所述通孔的所述另一端形成一弧形凸面；
（6）利用导电材料填充所述通孔，以形成电连接所述导电孔的另一导电孔。
根据本发明的实施例，所述焊料球突出于所述粘合层之上，即焊料球高度大于所述粘合层的高度。
根据本发明的实施例，在所述激光照射前，所述通孔的侧壁具有第一粗糙度，在所述激光照射后，所述通孔的侧壁具有第二粗糙度，其中，所述第一粗糙度大于所述第二粗糙度。
根据本发明的实施例，所述另一导电孔的孔径小于所述导电孔的孔径。
本发明还提供了另一种晶圆键合的激光加工方法，包括如下步骤：
（1）提供第一晶圆，并在所述第一晶圆的正面上先形成第一粘合层；
（2）在所述第一粘合层中形成多个第一开口，所述第一开口对应于后续需要形成通孔的位置；
（3）通过所述第一开口对所述第一晶圆进行刻蚀，在所述第一开口对应的位置形成第一盲孔，所述第一盲孔贯穿所述第一粘合层，但未贯穿所述第一晶圆，且所述第一盲孔具有第一孔径；
（4）在所述第一盲孔内填充第一焊料，并进行固化，所述第一焊料的顶面与所述第一粘合层的顶面齐平，以此得到预键合的第一晶圆；
（5）提供第二晶圆，并重复上述步骤（1）-（4），得到预键合的第二晶圆，所述预键合的第二晶圆具有与所述预键合的第一晶圆对应的第二粘合层、第二盲孔以及设置在第二盲孔中的第二焊料；
（6）将所述预键合的第一晶圆和第二晶圆的正面相对压合，使得第一晶圆和第二晶圆通过第一和第二粘合层进行粘合在一起；
（7）利用激光在第一晶圆中形成第一通孔，所述通孔的底部露出所述第一焊料，且所述激光能量至少使得部分所述第一和第二焊料熔融，以此使得第一和第二焊料进行焊接，然后进行冷却固化；其中，所述通孔具有第二孔径；
（8）在所述第一通孔中填充导电物质，形成第一导电孔；
（9）利用激光在第二晶圆中形成第二通孔，所述第二通孔的底部露出所述第二焊料，且所述激光能量至少使得部分所述第一和第二焊料熔融，以此使得第一和第二焊料和进行二次混合焊接，然后进行冷却固化；其中，所述通孔具有第三孔径；
（10）在所述第二通孔内填充导电物质，形成第二导电孔。
根据本发明的实施例，所述第一孔径大于所述第二孔径。
根据本发明的实施例，所述第一孔径大于所述第三孔径。
根据本发明的实施例，所述第一和第二晶圆上形成有电子元件。
本发明的优点如下：本发明的通孔是后续形成的，其与现有的键合方式不同，可以实现更为灵活的通孔形成方式。其可以实现激光的熔融焊接晶圆的同时，实现通孔的修复或者提供较为可靠的通孔结构； 并且，由于激光通过通孔进行照射，属于局部加热至焊料上，而非整体加热以及加热至晶圆上，可以避免晶圆内的应力。
附图说明
图1-7为本发明第一实施例的晶圆键合的激光加工方法的示意图；
图8为通孔未照射激光的放大图；
图9为通孔照射激光后的放大图；
图10-20为本发明第二实施例的晶圆键合的激光加工方法的示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种较为可靠的晶圆键合的激光加工方法。
第一实施例
参加图1-9，本发明的晶圆键合的激光加工方法，包括如下步骤：
参见图1，提供第一晶圆10，所述第一晶圆10具有相对的正面12和背面13；所述晶圆11一般为硅晶圆（即待切割工件），也可以是含砷的晶圆、氮化镓晶圆等，其上可以形成有有源器件，例如MOS等，也可以形成有无源器件，例如MIM电容器、电阻器等。并在所述第一晶圆10内形成贯通所述正面12和背面13的通孔，并填充导电物质，以形成第一导电孔13。
参见图2，在所第一晶圆10的正面12上涂覆一层粘合层14，并在对应所述导电孔13的位置形成开窗15。所述粘合层14可以是PBI、BCB、热固化树脂或者其他有机粘合剂，其主要用于临时键合于第二晶圆20，且涂覆所述粘合层14的方法可以采用旋涂、浸涂、印刷等方式。
参见图3，利用植球工艺在所述开窗15对应的位置设置焊料球16，所述焊料球16为焊锡球。该植球工艺采用现有技术中所熟知的技术，在此不再赘述。此外，所述焊料球16突出于所述粘合层14之上，即焊料球16高度大于所述粘合层14的高度。
参见图4，准备第二晶圆20，所述第二晶圆20具有相对的正面22和背面21，所述第二晶圆20的材料可以和第一晶圆10相同或者不同，其上也形成有有源器件，例如MOS等。所述第二晶圆20需要在所述导电孔13对应的焊接的位置设置通孔结构，该通孔结构包括具有第一宽度的通孔23和具有第二宽度的盲孔24，其中所述通孔23的一端露出于所述背面21，另一端露出于所述盲孔24的底部，且所述第一宽度小于所述第二宽度，以形成一阶梯形状。所述盲孔24和通孔23均经由湿法腐蚀或者等离子刻蚀方法形成。
参见图5和6，将第二晶圆20的正面22与第一晶圆10的正面11重合，即使得所述第一晶圆10和第二晶圆20通过粘合层14临时粘合在一起，然后经由激光器25发射激光26，所述激光26穿过所述通孔23照射于所述焊料球16的顶部，使得所述焊料球16熔融并填充所述盲孔24，并在所述通孔23的所述另一端形成一弧形凸面27。冷却后，使得两晶圆键合在一起。
参见图7，利用导电材料填充所述通孔23，以形成电连接所述导电孔13的另一导电孔28。导电孔13和28的导电材料可以相同或不同，均可以选自金、铜、铝、钨及其合金。所述导电孔13和28的孔径可以相同，但是作为一种优选的实施例，本发明的激光加工方法可以实现导电孔28的孔径小于所述导电孔13的孔径，此时可以实现方便对准，且由于是加工对通孔23的照射，使得所述通孔23的侧壁的粗糙度减小，从而实现导电孔28侧面的圆滑。具体可以参加图8和9，在对第二晶圆20形成通孔23时，不论采用湿法刻蚀还是等离子刻蚀，其侧壁的粗糙度较大，参见图8，其具有第一粗糙度S1，而经由激光照射之后，参见图9，其侧壁的粗糙度减小为第二粗糙度S2。
第二实施例
在第一实施例中，第一晶圆10的导电孔13是预先形成的。下面介绍另一实施例，其第一晶圆和第二晶圆的导电孔都是后续形成的。
参见图10，待键合的第一晶圆30的正面上先形成第一粘合层31，所述第一粘合层31可以是PBI、BCB、热固化树脂或者其他有机粘合剂，且涂覆所述第一粘合层14的方法可以采用旋涂、浸涂等方式。
参见图11，在所述第一粘合层31中形成第一开口32，所述第一开口32对应于后续需要形成通孔的位置。
参见图12，通过所述第一开口32对所述第一晶圆30进行刻蚀，在所述第一开口32对应的位置形成第一盲孔33，所述第一盲孔33贯穿所述第一粘合层31，但未贯穿所述第一晶圆30，且具有第一孔径。
参见图13，通过刮涂或者丝网印刷方法在所述第一盲孔33内填充焊料34，并进行固化，所述焊料34的顶面与所述第一粘合层31的顶面齐平，以此得到预键合的第一晶圆30。
参见图14，提供待键合的第二晶圆40，并重复上述步骤，得到预键合的第二晶圆40，所述预键合的第二晶圆40具有与第一晶圆30对应的第二粘合层41、第二盲孔以及设置在第二盲孔中的焊料44。将所述预键合的第一晶圆30和第二晶圆40的正面相对压合，使得第一晶圆30和第二晶圆40通过第一和第二粘合层进行粘合在一起。
参见图15、16，利用激光36在第一晶圆30中形成通孔35，所述通孔35的底部露出所述焊料34，且所述激光能量可以使得至少部分的所述焊料34和44熔融，以此使得焊料34和44进行焊接，然后进行冷却固化。所述通孔35具有第二孔径，所述第一孔径大于所述第二孔径。
参见图17，在所述通孔35中填充导电物质，形成第一导电孔37。
参见图18、19，利用激光46在第二晶圆40中形成通孔45，所述通孔45的底部露出所述焊料44，且所述激光能量可以使得至少部分的所述焊料34 和44熔融，以此使得焊料34和44进行二次混合焊接，然后进行冷却固化。所述通孔45具有第三孔径，所述第一孔径大于所述第三孔径。
参见图20，在所述通孔45内填充导电物质，形成第二导电孔47，其中所述导电孔37和47相互电连接，以实现晶圆间的电互通。
其中，第一和第二所述晶圆一般为硅晶圆（即待切割工件），也可以是含砷的晶圆、氮化镓晶圆等，其上可以形成有有源器件，例如MOS等，也可以形成有无源器件，例如MIM电容器、电阻器等（即电子元件）。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种晶圆键合的激光加工方法，包括如下步骤：
（1）提供第一晶圆，所述第一晶圆具有相对的正面和背面，并在所述第一晶圆内形成贯通所述正面和背面的第一导电孔；
（2）在所第一晶圆的正面上涂覆一层粘合层，并在对应所述第一导电孔的位置形成开窗；
（3）利用植球工艺在所述开窗对应的位置设置焊料球；
（4）提供第二晶圆，所述第二晶圆具有通孔结构，所述通孔结构对应于所述第一导电孔，该通孔结构包括具有第一宽度的通孔和具有第二宽度的盲孔，其中所述通孔的一端露出于所述第二晶圆的背面，另一端露出于所述盲孔的底部，且所述第一宽度小于所述第二宽度，以形成一阶梯形状；
（5）将第二晶圆的正面与第一晶圆的正面压合在一起，经由所述通孔照射激光至所述焊料球的顶部，使得所述焊料球熔融并填充所述盲孔，并在所述通孔的所述另一端形成一弧形凸面；
（6）利用导电材料填充所述通孔，以形成电连接所述导电孔的另一导电孔。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合的激光加工方法，其特征在于：所述焊料球突出于所述粘合层之上，即焊料球高度大于所述粘合层的高度。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合的激光加工方法，其特征在于：在所述激光照射前，所述通孔的侧壁具有第一粗糙度，在所述激光照射后，所述通孔的侧壁具有第二粗糙度，其中，所述第一粗糙度大于所述第二粗糙度。
4.根据权利要求1所述的晶圆键合的激光加工方法，其特征在于：所述另一导电孔的孔径小于所述导电孔的孔径。
5.一种晶圆键合的激光加工方法，包括如下步骤：
（1）提供第一晶圆，并在所述第一晶圆的正面上先形成第一粘合层；
（2）在所述第一粘合层中形成多个第一开口，所述第一开口对应于后续需要形成通孔的位置；
（3）通过所述第一开口对所述第一晶圆进行刻蚀，在所述第一开口对应的位置形成第一盲孔，所述第一盲孔贯穿所述第一粘合层，但未贯穿所述第一晶圆，且所述第一盲孔具有第一孔径；
（4）在所述第一盲孔内填充第一焊料，并进行固化，所述第一焊料的顶面与所述第一粘合层的顶面齐平，以此得到预键合的第一晶圆；
（5）提供第二晶圆，并重复上述步骤（1）-（4），得到预键合的第二晶圆，所述预键合的第二晶圆具有与所述预键合的第一晶圆对应的第二粘合层、第二盲孔以及设置在第二盲孔中的第二焊料；
（6）将所述预键合的第一晶圆和第二晶圆的正面相对压合，使得第一晶圆和第二晶圆通过第一和第二粘合层进行粘合在一起；
（7）利用激光在第一晶圆中形成第一通孔，所述通孔的底部露出所述第一焊料，且所述激光能量至少使得部分所述第一和第二焊料熔融，以此使得第一和第二焊料进行焊接，然后进行冷却固化；其中，所述通孔具有第二孔径；
（8）在所述第一通孔中填充导电物质，形成第一导电孔；
（9）利用激光在第二晶圆中形成第二通孔，所述第二通孔的底部露出所述第二焊料，且所述激光能量至少使得部分所述第一和第二焊料熔融，以此使得第一和第二焊料和进行二次混合焊接，然后进行冷却固化；其中，所述通孔具有第三孔径；
（10）在所述第二通孔内填充导电物质，形成第二导电孔。
6.根据权利要求5所述的晶圆键合的激光加工方法，其特征在于：所述第一孔径大于所述第二孔径。
7.根据权利要求5所述的晶圆键合的激光加工方法，其特征在于：所述第一孔径大于所述第三孔径。
8.根据权利要求5所述的晶圆键合的激光加工方法，其特征在于：所述第一和第二晶圆上形成有电子元件。
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