CN114334805A - 一种用于3d封装的散热互连形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D封装的散热互连形成方法，包括：提供第一有源硅晶圆，其具有正面和与正面相对的背面；在第一有源硅晶圆中形成具有第一孔径的第一硅通孔和具有第二孔径的第二硅通孔，其中第一孔径大于第二孔径；用金属填充第一硅通孔和第二硅通孔；在第一有源硅晶圆的正面形成第三介质层；形成电连接且热连接第一硅通孔和第二硅通孔的第一金属互连线；以及将第一有源硅晶圆和第二有源硅晶圆混合键合以形成第一键合对。

Description

一种用于3D封装的散热互连形成方法

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种用于3D封装的散 热互连形成方法。

背景技术

随着芯片技术节点不断缩小，芯片的功率密度不断增加，同时由于 3D封装的应用，散热问题变得越来越重要。目前3D封装采用硅通孔互 连。然而，由于受到互连密度的限制以及需要避免排布禁区(Keep-out Zone，KOZ)区的影响，硅通孔互连密度有限，仅能满足垂直互连的信 号传输需求，而对垂直散热的作用有限。同时，混合键合被应用在3D 封装，但由于无源介质的热导率低，也导致了3D封装结构在垂直方向 散热受阻滞。因此，需要设计新的散热结构，改善3D封装散热问题。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于3D封装的散热互连形成方法，采用 大小孔径两种硅通孔，其中小孔径硅通孔作为芯片热点区域的垂直散热 通道，可以有效减小排布禁区，同时提高垂直散热面积，有利于芯片发 热区域热量向垂直方向和后道工序互连区传导，小孔径和大孔径硅通孔 通过表面金属互连，热量可以通过大孔径硅通孔垂直传导和表面金属的 平面传导，而且通过垂直芯片堆叠，可以实现多层芯片的垂直方向的有 效散热。

在本发明的第一方面，针对现有技术中存在的问题，本发明提供一 种用于3D封装的散热互连形成方法，包括：

提供第一有源硅晶圆，其具有正面和与正面相对的背面；

在第一有源硅晶圆中形成具有第一孔径的第一硅通孔和具有第二 孔径的第二硅通孔，其中第一孔径大于第二孔径；

用金属填充第一硅通孔和第二硅通孔；

在第一有源硅晶圆的正面形成第三介质层；

形成电连接且热连接第一硅通孔和第二硅通孔的第一金属互连线； 以及

将第一有源硅晶圆和第二有源硅晶圆混合键合以形成第一键合对。

在本发明的一个优选方案中规定，所述第一有源硅晶圆包括：

晶圆；

有源区，其位于所述晶圆上；

金属互连层，其具有导体，所述导体与所述有源区电连接；

第一介质层，其被配置为将所述导体电绝缘；以及

第二介质层，其位于所述第一介质层上。

在本发明的另一优选方案中规定，第一有源硅晶圆正面的第一金属 互连线与第二有源硅晶圆正面的第二金属互连线进行键合；以及

第一有源硅晶圆正面的第三介质层与第二有源硅晶圆正面的第四 介质层进行键合。

在本发明的又一优选方案中规定，还包括：

将键合后的第二有源硅晶圆的背面减薄，露出第三硅通孔，其中第 三硅通孔具有所述第一直径；

在第二有源硅晶圆的背面形成第五介质层和第一焊盘；以及

将第一键合对与第二键合对进行背对背的混合键合。

在本发明的另一优选方案中规定，重复执行键合对的混合键合步骤 来完成多层晶圆的混合键合堆叠。

在本发明的又一优选方案中规定，还包括：

将键合后的第二有源硅晶圆的背面减薄，露出第三硅通孔，其中第 三硅通孔具有所述第一直径；

在第二有源硅晶圆的背面形成第五介质层和第一焊盘；

将完成第四硅通孔和第五硅通孔以及连接第四硅通孔和第四硅通 孔的第三金属互连线形成的第三有源硅晶圆的背面减薄，露出第四硅通 孔，其中第四硅通孔具有所述第一孔径，第五硅通孔具有所述第二孔径；

在第三有源硅晶圆的背面形成第六介质层和第二焊盘；

将第三有源硅晶圆背面与第二有源硅晶圆的背面进行混合键合；以 及

将完成第六硅通孔和第七小孔径硅通孔以及连接第六硅通孔和第 七硅通孔的第四金属互连线形成的第四有源硅晶圆的正面与第三有源 硅晶圆的正面进行键合，其中第六硅通孔具有所述第一孔径，第七硅通 孔具有所述第二孔径。

在本发明的另一优选方案中规定，重复执行有源硅晶圆的背对背混 合键合以及面对面混合键合的步骤来完成多层晶圆的混合键合堆叠。

在本发明的又一优选方案中规定，还包括：

将第一有源硅晶圆的背面减薄，露出第一硅通孔；

在第一有源硅晶圆的背面形成第八介质层和第三焊盘；以及

在第三焊盘上布置焊球。

在本发明的另一优选方案中规定，所述在第一有源硅晶圆中形成具 有第一孔径的第一硅通孔和具有第二孔径的第二硅通孔包括：

通过刻蚀工艺形成第一硅通孔和第二硅通孔时，先在第二介质层上 沉积和图案化掩膜，形成具有第一孔径的第一掩膜孔和第二孔径的第二 掩膜孔；以及

刻蚀第一掩膜孔和第二掩膜孔下方的有源硅晶圆,形成第一硅通 孔和第二硅通孔，其中第一硅通孔的深度大于第二硅通孔的深度。

在本发明的又一优选方案中规定，所述在第一有源硅晶圆中形成第 一硅通孔和第二硅通孔包括：

通过激光工艺形成第一硅通孔和第二硅通孔时，选择第一光斑、第 一能量和第一激光时间形成第一硅通孔，第二光斑、第二能量和第二激 光时间形成第二硅通孔，其中第一光斑大于第二光斑，第一能量高于第 二能量，第一激光时间大于第二激光时间，第一硅通孔的深度大于第二 硅通孔的深度。

本发明至少具有下列有益效果：本发明公开了一种用于3D封装的 散热互连结构的形成方法，采用大小孔径两种硅通孔，其中小孔径硅通 孔作为芯片热点区域的垂直散热通道，可以有效减小排布禁区，同时提 高垂直散热面积，有利于芯片发热区域热量向垂直方向和后道工序互连 区传导；小孔径和大孔径硅通孔通过表面金属互连，热量可以通过大孔 径硅通孔垂直传导和表面金属的平面传导；通过垂直芯片堆叠，可以实 现多层芯片的垂直方向的有效散热；小孔径和大孔径硅通孔可同时形 成，不会显著增加工艺成本。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参 考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图 只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附 图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种用于3D封装的散热互 连结构的形成方法的流程图；

图2A至图2H示出了根据本发明的一个实施例的一种用于3D封装 的散热互连结构的形成过程的剖面示意图；以及

图3A至图3D示出了根据本发明的一个实施例的一种有源硅晶圆堆 叠过程的剖面示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出， 而不一定是比例正确的。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解 为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个 元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能 示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解， 在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等 于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差， 也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基 本上等于”。

在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、 “横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和 简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术 语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对 重要性。

另外，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只 是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的 不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

首先，晶圆的正面通常包括有源区(或器件区)、金属互连线路等 功能区，而晶圆的背面是与正面相对的另一面。

实施例一

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种用于3D封装的散热互 连结构的形成方法的流程图；图2A至图2H示出了根据本发明的一个实 施例的一种用于3D封装的散热互连结构的形成过程的剖面示意图。

在步骤1，如图2A所示，提供第一有源硅晶圆100。第一有源硅晶 圆包括晶圆101、有源区102、第一介质层103、金属互连层104和第二 介质层105。有源层102位于晶圆101上，有源区102中包含半导体器 件(未示出)。金属互连层104位于有源区102上，金属互连层104具 有导体，导体与有源区102电连接。第一介质层103被配置为将金属互 连层104中的导体电绝缘。第二介质层105位于第一介质层103上。

在步骤2，如图2B所示，在第一有源硅晶圆100中形成具有第一孔 径的第一硅通孔1061和具有第二孔径的第二硅通孔1062，其中第一孔 径大于第二孔径。第二硅通孔1062用于穿透有源层102，并靠近芯片热 点区域1021。在芯片设计阶段，预留散热硅通孔区域1022，通过刻蚀 或激光等工艺在散热硅通孔区域1022形成硅通孔。

通过刻蚀工艺形成第一硅通孔1061和第二硅通孔1062时，先在第 二介质层105上沉积和图案化掩膜，形成具有第一孔径的第一掩膜孔和 第二孔径的第二掩膜孔；刻蚀掩膜孔下方的有源硅晶圆,以形成第一深 度(较深)大孔径硅通孔和第二深度(较浅)小孔径硅通孔，其中第一 深度大于第二深度。刻蚀硅通孔时，掩模孔大，刻蚀速率快，掩模孔小， 刻蚀速率慢，形成孔径大小不同，深度不同的硅通孔。

激光工艺可以通过选择不同大小的光斑、不同能量及激光时间实现 形成不同孔径大小的硅通孔。激光工艺形成第一硅通孔和第二硅通孔 时，选择第一光斑、第一能量和第一激光时间形成第一硅通孔，第二光 斑、第二能量和第二激光时间形成第二硅通孔，其中第一光斑大于第二 光斑，第一能量高于第二能量，第一激光时间大于第二激光时间，第一 硅通孔的深度大于第二硅通孔的深度。

在步骤3，如图2C所示，用金属填充第一硅通孔1061和第二硅通 孔1062。通过电镀铜来填充第一硅通孔1061和第二硅通孔1062，并去 除第二介质层105表面的覆铜。通过化学机械抛光去除电镀时留在第二 介质层105表面的覆铜。

本领域的技术人员应该理解上述实施例中填充第一硅通孔和第二 硅通孔的电镀材料不限于铜，本领域的技术人员可以基于实际需求采用 其他的导电金属材料填充硅通孔。

在步骤4，如图2D所示，形成位于第二介质层105上的第三介质层 107。第三介质层107是无机材料，形成方法包括喷涂、气相沉积等。

在步骤5，如图2D所示，形成连接第一硅通孔1061和第二硅通孔 1062的第一金属互连线108。形成金属互连线108时，先在硅通孔对应 的位置通过刻蚀去除部分第三介质层，形成线路，然后电镀金属形成第 一金属互连线。第一金属互连线108和第三介质层107用于混合键合。

在步骤6，如图2E所示，将第一有源硅晶圆和第二有源硅晶圆混合 键合形成第一键合对。第一有源硅晶圆正面的第一金属互连线108与第 二有源硅晶圆正面的第二金属互连线208进行键合，第一有源硅晶圆正 面的第三介质层107与第二有源硅晶圆正面的第四介质层207进行键 合。

在步骤7，如图2F所示，将键合后的第二有源硅晶圆的背面减薄， 露出第三硅通孔2061。可以采用化学机械抛光工艺对第二有源硅晶圆的 背面进行减薄。

在步骤8，如图2F所示，在第二有源硅晶圆200的背面形成第五介 质层209和第一焊盘210。先在第二有源硅晶圆200的背面形成第五介 质层209，然后通过刻蚀去除第三硅通孔2061上的第五介质层形成开 口，并在开口处电镀金属形成第一焊盘210。第五介质层209是无机材 料，形成方法包括喷涂、气相沉积等。

在步骤9，如图2G所示，将第一键合对与第二键合对进行背对背的 混合键合。第一键合对中的第二有源硅晶圆200背面的第一焊盘210与 第二键合对中的第三有源硅晶圆300背面的第二焊盘310进行键合，第 一键合对中的第二有源硅晶圆200背面的第五介质层209与第二键合对 中的第三有源硅晶圆300背面的第六介质层309进行键合。

在本发明的其他实施例中，重复步骤7至步骤9可以实现多层有源 硅晶圆的混合键合堆叠。

在步骤10，如图2H所示，将第一有源硅晶圆100的背面减薄，露 出第一硅通孔1061。可以采用化学机械抛光工艺对第一有源硅晶圆100 的背面进行减薄。

在步骤11，如图2H所示，在第一有源硅晶圆的背面形成第八介质 层111和第三焊盘112。先在3D堆叠结构的背面形成第八介质层111， 然后通过刻蚀去除第一硅通孔1061上的第六介质层形成开口，并在开 口处电镀金属形成第三焊盘112。第八介质层111是无机材料，形成方 法包括喷涂、气相沉积等。

在步骤12，如图2H所示，在第三焊盘112上布置焊球113。通过 电镀或植球工艺在第二焊盘112上布置焊球113。

实施例二

图3A至图3D示出了根据本发明的一个实施例的一种有源硅晶圆堆 叠过程的剖面示意图。

本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于以下有源硅晶圆的 堆叠步骤：

在步骤9，如图3A所示，将完成第四硅通孔3061和第五硅通孔3062 以及连接第四硅通孔3061和第五硅通孔3062的第三金属互连线308形 成的第三有源硅晶圆300的背面减薄，露出第四硅通孔3061，其中第四 硅通孔具有所述第一孔径，第五硅通孔具有所述第二孔径；

在步骤10，如图3B所示，在第三有源硅晶圆的背面形成第六介质 层309和第二焊盘310。先在第三有源硅晶圆300的背面形成第六介质 层309，然后通过刻蚀去除第四硅通孔3061上的第六介质层形成开口， 并在开口处电镀金属形成第二焊盘310。第六介质层309是无机材料， 形成方法包括喷涂、气相沉积等。

在步骤11，如图3C所示，将第三有源硅300晶圆背面与第二有源 硅晶圆的背面进行混合键合。第三有源硅晶圆300背面的第二焊盘310 与第二有源硅晶圆200背面的第一焊盘210进行键合，第三有源硅晶圆 300背面的第六介质层309与第二有源硅晶圆200背面的第五介质层209 进行键合。

在步骤12，如图3D所示，将完成第六硅通孔4061和第七硅通孔 4062以及连接第六硅通孔4061和第七硅通孔4062的第四金属互连线408形成的第四有源硅晶圆400的正面与第三有源硅晶圆300的正面进 行键合，其中第六硅通孔具有所述第一孔径，第七硅通孔具有所述第二 孔径。

第三有源硅晶圆300正面的第三金属互连线308与第四有源硅晶圆 400正面的第四金属互连线408进行键合，第三有源硅晶圆300正面的 第六介质层309与第四有源硅晶圆400正面的第七介质层409进行键合。

在本发明的其他实施例中，重复步骤9至步骤12可以实现多层有 源硅晶圆的混合键合堆叠。

本发明至少具有下列有益效果：本发明公开了一种用于3D封装的 散热互连结构的形成方法，采用大小孔径两种硅通孔，其中小孔径硅通 孔作为芯片热点区域的垂直散热通道，可以有效减小排布禁区，同时提 高垂直散热面积，有利于芯片发热区域热量向垂直方向和后道工序互连 区传导；小孔径和大孔径硅通孔通过表面金属互连，热量可以通过大孔 径硅通孔垂直传导和表面金属的平面传导；通过垂直芯片堆叠，可以实 现多层芯片的垂直方向的有效散热；小孔径和大孔径硅通孔可同时形 成，不会显著增加工艺成本。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是 本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领 域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改 进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范 围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结 构。

Claims (10)

1.一种用于3D封装的散热互连形成方法，包括：

提供第一有源硅晶圆，其具有正面和与正面相对的背面；

在第一有源硅晶圆中形成具有第一孔径的第一硅通孔和具有第二孔径的第二硅通孔，其中第一孔径大于第二孔径；

用金属填充第一硅通孔和第二硅通孔；

在第一有源硅晶圆的正面形成第三介质层；

形成电连接且热连接第一硅通孔和第二硅通孔的第一金属互连线；以及

将第一有源硅晶圆和第二有源硅晶圆混合键合以形成第一键合对。

2.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，所述第一有源硅晶圆包括：

晶圆；

有源区，其位于所述晶圆上；

金属互连层，其具有导体，所述导体与所述有源区电连接；

第一介质层，其被配置为将所述导体电绝缘；以及

第二介质层，其位于所述第一介质层上。

3.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，第一有源硅晶圆正面的第一金属互连线与第二有源硅晶圆正面的第二金属互连线进行键合；以及

第一有源硅晶圆正面的第三介质层与第二有源硅晶圆正面的第四介质层进行键合。

4.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，还包括：

将键合后的第二有源硅晶圆的背面减薄，露出第三硅通孔，其中第三硅通孔具有所述第一直径；

在第二有源硅晶圆的背面形成第五介质层和第一焊盘；以及

将第一键合对与第二键合对进行背对背的混合键合。

5.如权利要求4所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，重复执行键合对的混合键合步骤来完成多层晶圆的混合键合堆叠。

6.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，还包括：

将键合后的第二有源硅晶圆的背面减薄，露出第三硅通孔，其中第三硅通孔具有所述第一直径；

在第二有源硅晶圆的背面形成第五介质层和第一焊盘；

将完成第四硅通孔和第五硅通孔以及连接第四硅通孔和第四硅通孔的第三金属互连线形成的第三有源硅晶圆的背面减薄，露出第四硅通孔，其中第四硅通孔具有所述第一孔径，第五硅通孔具有所述第二孔径；

在第三有源硅晶圆的背面形成第六介质层和第二焊盘；

将第三有源硅晶圆背面与第二有源硅晶圆的背面进行混合键合；以及

将完成第六硅通孔和第七小孔径硅通孔以及连接第六硅通孔和第七硅通孔的第四金属互连线形成的第四有源硅晶圆的正面与第三有源硅晶圆的正面进行键合，其中第六硅通孔具有所述第一孔径，第七硅通孔具有所述第二孔径。

7.如权利要求6所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，重复执行有源硅晶圆的背对背混合键合以及面对面混合键合的步骤来完成多层晶圆的混合键合堆叠。

8.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，还包括：

将第一有源硅晶圆的背面减薄，露出第一硅通孔；

在第一有源硅晶圆的背面形成第八介质层和第三焊盘；以及

在第三焊盘上布置焊球。

9.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，所述在第一有源硅晶圆中形成具有第一孔径的第一硅通孔和具有第二孔径的第二硅通孔包括：

通过刻蚀工艺形成第一硅通孔和第二硅通孔时，先在第二介质层上沉积和图案化掩膜，形成具有第一孔径的第一掩膜孔和第二孔径的第二掩膜孔；以及

刻蚀第一掩膜孔和第二掩膜孔下方的有源硅晶圆,形成第一硅通孔和第二硅通孔，其中第一硅通孔的深度大于第二硅通孔的深度。

10.如权利要求1所述的用于3D封装的散热互连形成方法，其特征在于，所述在第一有源硅晶圆中形成第一硅通孔和第二硅通孔包括：

通过激光工艺形成第一硅通孔和第二硅通孔时，选择第一光斑、第一能量和第一激光时间形成第一硅通孔，第二光斑、第二能量和第二激光时间形成第二硅通孔，其中第一光斑大于第二光斑，第一能量高于第二能量，第一激光时间大于第二激光时间，第一硅通孔的深度大于第二硅通孔的深度。

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