CN113299601A - 一种多层转接板的晶圆级焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层转接板的晶圆级焊接工艺，包括以下步骤：在硅片表面制作TSV盲孔，并在硅片表面形成钝化层，在钝化层上沉积种子层，然后电镀形成TSV金属柱，并抛光硅片的表面金属得到带有TSV金属柱的硅片；减薄硅片的背面使背面TSV金属柱露出，同时在其他区域刻蚀凹槽；在凹槽所在面的硅片表面沉积钝化层，在钝化层表面沉积种子层，电镀使金属焊锡填充在所述凹槽内，然后去除种子层；把两个带有金属焊锡的硅片进行面对面键合，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层键合，最终实现两个硅片之间的焊接。本发明利用钝化层键合和金属熔融键合的方式实现双层转接板互联，把双层TSV金属柱焊接在一起，能够增加TSV金属柱的深度，有利于后续的模组嵌入工艺。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种多层转接板的晶圆级焊接工艺。
背景技术
目前，毫米波射频技术在半导体行业发展迅速，其在高速数据通信、汽车雷达、机载导弹跟踪系统以及空间光谱检测和成像等领域都得到广泛应用，预计2018年市场达到11亿美元，成为新兴产业。新的应用对产品的电气性能、紧凑结构和系统可靠性提出了新的要求，对于无线发射和接收系统，目前还不能集成到同一颗芯片上（SOC），因此需要把不同的芯片包括射频单元、滤波器、功率放大器等集成到一个独立的系统中实现发射和接收信号的功能。
但是射频芯片需要在转接板的底部做接地互联，因此需要在转接板上挖空腔才能把射频芯片以及辅助芯片嵌进转接板，有些芯片厚度较大，则对转接板的厚度也有较高的要求，但是转接板往往受限于TSV技术的深度，不能做的太厚，这样就极大的限制了射频模组的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种多层转接板的晶圆级焊接工艺。本发明的焊接工艺利用钝化层键合和金属熔融键合的方式实现双层转接板互联，把双层TSV焊接在一起，能够增加TSV的总深度，有利于后续的模组嵌入工艺。
为解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：一种多层转接板的晶圆级焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1、在硅片表面制作TSV盲孔，并在盲孔开口所在的硅片表面形成钝化层，在所述钝化层上沉积种子层，然后电镀形成TSV金属柱，并抛光所述硅片的表面金属得到带有TSV金属柱的硅片；
步骤S2、减薄步骤S1中硅片的背面，采用光刻和/或刻蚀工艺使背面TSV金属柱露出，同时在其他区域刻蚀凹槽；
步骤S3、在凹槽所在面的硅片表面沉积钝化层，在所述钝化层表面沉积种子层，电镀使金属焊锡填充在所述凹槽内，然后去除种子层；
步骤S4、把步骤S3中得到的两个带有金属焊锡的硅片进行面对面键合，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层键合，最终实现两个硅片之间的焊接。
进一步地，所述TSV盲孔通过光刻和/或刻蚀工艺形成，所述TSV盲孔的直径为1-1000 μm，深度为10-1000 μm。
进一步地，所述钝化层是包括氧化硅或氮化硅在内的绝缘层或热氧化层，所述钝化层的厚度为10 nm-100 μm。
进一步地，所述种子层是一层或多层，通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺形成在所述钝化层的表面。
进一步地，所述种子层的厚度为1 nm-100 μm，采用金属钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡及镍中的一种或多种制成。
进一步地，所述硅片背面减薄的厚度为100-700 μm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的焊接工艺利用钝化层键合和金属熔融键合的方式实现双层转接板互联，把双层TSV焊接在一起，能够增加TSV的总深度，有利于后续的模组嵌入工艺。
附图说明
图1a是本发明实施例1中在硅片表面制作TSV盲孔的结构示意图。
图1b是本发明实施例1形成钝化层的结构示意图。
图1c是本发明实施例1形成TSV金属柱的结构示意图。
图1d是本发明实施例1中减薄硅片背面并形成凹槽的结构示意图。
图1e是本发明实施例1中TSV金属柱露出的结构示意图。
图1f是本发明实施例1刻蚀的凹槽表面形成纯化层的结构示意图。
图1g是本发明实施例1中凹槽内填充焊锡并去除种子层的结构示意图。
图1h是本发明实施例1中两个带有焊锡的硅片面对面键合的结构示意图。
图1i是本发明实施例1中两个硅片焊接在一起的结构示意图。
附图标记说明：101-硅片；102-TSV盲孔；103-钝化层；104-TSV金属柱； 105-凹槽；106-金属焊锡；107-种子层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种多层转接板的晶圆级焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1、在硅片101表面制作TSV盲孔102，并在盲孔102开口所在的硅片101表面形成钝化层103，在钝化层103上沉积种子层107，然后电镀形成TSV金属柱104，并抛光所述硅片101的表面金属得到带有TSV金属柱104的硅片；
具体地，如图1a所示，通过光刻刻蚀工艺在硅片101表面制作TSV盲孔102，孔直径为10 μm，深度在50 μm；
如图1b所示，在TSV盲孔102开口所在的硅片101表面沉积氧化硅形成钝化层103，钝化层103的厚度为100 nm；
如图1c所示，通过物理溅射在钝化层103表面制作种子层107，种子层107的厚度为100 nm，种子层107是一层，金属材质采用铜；
电镀铜，使铜充满TSV盲孔102，并在300℃密化使铜更致密；
采用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）工艺使硅片表面铜去除，使硅片表面只剩下填铜；
步骤S2、减薄步骤S1中硅片101的背面，采用光刻和/或刻蚀工艺使背面TSV金属柱104露出，同时在其他区域刻蚀凹槽105；
如图1d和1e所示，减薄硅片背面，减薄厚度为200 μm，采用光刻和刻蚀工艺使背面TSV金属柱104露出，同时在不设置TSV金属柱104的区域刻蚀凹槽105；
步骤S3、在凹槽105所在面的硅片101表面沉积钝化层103，在所述钝化层103表面沉积种子层107，电镀使金属焊锡106填充在所述凹槽105内，然后去除种子层107；
如图1f所示，在凹槽105所在面的硅片101表面沉积钝化层103；
如图1g所示，通过物理溅射工艺在钝化层103上方制作种子层107，通过光刻和电镀工艺在硅片表面电镀金属焊锡106，使焊锡填充在凹槽内，然后去除种子层107；
步骤S4、把步骤S3中得到的两个带有金属焊锡106的硅片101进行面对面键合，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层103键合，最终实现两个硅片101之间的焊接；
如图1h所示，把两个带有金属焊锡106的硅片101进行面对面键合；
如图1i所示，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层键合，最终实现两个晶圆之间的焊接。
实施例2
一种多层转接板的晶圆级焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1、在硅片101表面制作TSV盲孔102，并在盲孔102开口所在的硅片101表面形成钝化层103，在钝化层103上沉积种子层107，然后电镀TSV金属柱104，并抛光所述硅片101的表面金属得到带有TSV金属柱104的硅片；
具体地，通过光刻刻蚀工艺在硅片101表面制作TSV盲孔102，孔直径为100 μm，深度为200 μm；
在TSV盲孔102开口所在的硅片101表面沉积氮化硅形成钝化层103，钝化层103的厚度为10 μm；
通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺在钝化层103表面制作种子层107，种子层107的厚度为10 μm，其可以是一层，金属材质是铝；
电镀铜，使铜充满TSV盲孔102，并在300℃密化使铜更致密；
采用CMP工艺使硅片表面铜去除，使硅片表面只剩下填铜；
步骤S2、减薄步骤S1中硅片101的背面，采用光刻和刻蚀工艺使背面TSV金属柱104露出，同时在其他区域刻蚀凹槽105；
减薄硅片背面，减薄厚度为300μm，采用光刻和刻蚀工艺使背面TSV金属柱104露出，同时在不设置TSV金属柱104的区域刻蚀凹槽105；
步骤S3、在凹槽105所在面的硅片101表面沉积钝化层103，在所述钝化层103表面沉积种子层107，电镀使金属焊锡106填充在所述凹槽105内，然后去除种子层107；
在凹槽105所在面的硅片101表面沉积钝化层103；
通过磁控溅射在钝化层103上方制作种子层107，通过光刻和电镀工艺在硅片表面电镀金属焊锡106，使焊锡填充在凹槽内，然后去除种子层107；
步骤S4、把步骤S3中得到的两个带有金属焊锡106的硅片101进行面对面键合，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层103键合，最终实现两个硅片101之间的焊接；
把两个带有金属焊锡106的硅片101进行面对面键合；
热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层键合，最终实现两个晶圆之间的焊接。
实施例3
一种多层转接板的晶圆级焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1、在硅片101表面制作TSV盲孔102，并在盲孔102开口所在的硅片101表面形成钝化层103，在钝化层103上沉积种子层107，然后电镀TSV金属柱104，并抛光所述硅片101的表面金属得到带有TSV金属柱104的硅片；
具体地，通过光刻刻蚀工艺在硅片101表面制作TSV盲孔102，孔直径为800 μm，深度为1000 μm；
TSV盲孔102开口所在的硅片101表面直接热氧化形成钝化层103，钝化层103的厚度为80 μm；
通过蒸镀工艺在钝化层103表面制作种子层107，种子层107的厚度范围为90 μm，其可以是三层，金属材质从上到下依次是铜、铝、锡，各金属层厚度相等；
电镀铜，使铜充满TSV盲孔102，并在400℃密化使铜更致密；
采用CMP工艺使硅片表面铜去除，使硅片表面只剩下填铜；
步骤S2、减薄步骤S1中硅片101的背面，采用光刻和刻蚀工艺使背面TSV金属柱104露出，同时在其他区域刻蚀凹槽105；
减薄硅片背面，减薄厚度为600 μm，采用光刻和刻蚀工艺使背面TSV金属柱104露出，同时在不设置TSV金属柱104的区域刻蚀凹槽105；
步骤S3、在凹槽105所在面的硅片101表面沉积钝化层103，在所述钝化层103表面沉积种子层107，电镀使金属焊锡106填充在所述凹槽105内，然后去除种子层107；
在凹槽105所在面的硅片101表面沉积钝化层103；
通过蒸镀工艺在钝化层103上方制作种子层107，通过光刻和电镀工艺在硅片表面电镀金属焊锡106，使焊锡填充在凹槽内，然后去除种子层107；
步骤S4、把步骤S3中得到的两个带有金属焊锡106的硅片101进行面对面键合，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层103键合，最终实现两个硅片101之间的焊接；
把两个带有金属焊锡106的硅片101进行面对面键合；
热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层键合，最终实现两个晶圆之间的焊接。
本发明的焊接工艺利用钝化层键合和金属熔融键合的方式实现双层转接板互联，把双层TSV焊接在一起，能够增加TSV的总深度，有利于后续的模组嵌入工艺。
对本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种多层转接板的晶圆级焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在硅片（101）表面制作TSV盲孔（102），并在盲孔（102）开口所在的硅片（101）表面形成钝化层（103），在所述钝化层（103）上沉积种子层（107），然后电镀在TSV盲孔（102）中形成TSV金属柱（104），并抛光所述硅片（101）的表面金属得到带有TSV金属柱（104）的硅片；
步骤S2、减薄步骤S1中所述硅片（101）的背面，采用光刻和/或刻蚀工艺使背面TSV金属柱（104）露出，同时在其他区域刻蚀凹槽（105）；
步骤S3、在凹槽（105）所在面的硅片（101）表面沉积钝化层（103），在所述钝化层（103）表面沉积种子层（107），电镀使金属焊锡（106）填充在所述凹槽（105）内，然后去除种子层（107）；
步骤S4、把步骤S3中得到的两个带有金属焊锡（106）的硅片（101）进行面对面键合，热压后使焊锡融合、硅片之间的钝化层（103）键合，最终实现两个硅片（101）之间的焊接。
2.根据权利要求1所述的多层转接板的晶圆级焊接工艺，其特征在于，所述TSV盲孔（102）通过光刻和/或刻蚀工艺形成，所述TSV盲孔（102）的直径为1-1000 μm，深度为10-1000 μm。
3.根据权利要求1所述的多层转接板的晶圆级焊接工艺，其特征在于，所述钝化层（103）是包括氧化硅或氮化硅在内的绝缘层或热氧化层，所述钝化层（103）的厚度为10 nm-100 μm。
4.根据权利要求1所述的多层转接板的晶圆级焊接工艺，其特征在于，所述种子层（107）是一层或多层，通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺形成在所述钝化层（103）表面。
5.根据权利要求1所述的多层转接板的晶圆级焊接工艺，其特征在于，所述种子层（107）的厚度为1 nm-100 μm，采用金属钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡及镍中的一种或多种制成。
6.根据权利要求1所述的多层转接板的晶圆级焊接工艺，其特征在于，步骤S2中所述硅片（101）背面的减薄厚度为100-700 μm。
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