CN116825735A - 一种半导体衬底结构、异质集成封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体衬底结构、异质集成封装结构及其制造方法，涉及半导体技术领域，以解决异质晶圆和半导体衬底键合时容易产生缺陷、气泡和破裂的问题。所述导体衬底结构包括衬底，衬底的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构，衬底的下表面设置有用于液冷的下微流道结构。所述异质集成封装结构包括上述方案所提的半导体衬底结构。所述异质集成封装结构的制造方法包括上述方案所提的异质集成封装结构。

Description

一种半导体衬底结构、异质集成封装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体衬底结构、异质集成封装结构及其制造方法。

背景技术

通常，在芯片的制备过程中，半导体异质集成技术是关键技术之一，其中，晶圆键合技术是异质集成的一种手段，晶圆键合技术是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，两块晶片界面的原子受到外力的作用产生反应形成共价键结合成一体结构，并使结合界面达到特定的键合强度。采用这种工艺，通过将异质晶圆与半导体衬底进行晶圆键合，能够得到需要的目标芯片。但是，由于异质晶圆与半导体衬底键合难度大，在键合的过程中，异质晶圆和半导体衬底之间容易生成气体分子导致键合界面出现缺陷和气泡等问题，同时异质晶圆和半导体衬底之间容易受到晶格常数、热膨胀系数的影响，导致异质晶圆和半导体衬底之间的界面会产生应力而发生破裂，进而影响异质集成封装结构的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体衬底结构、异质集成封装结构及其制造方法，以避免异质晶圆和半导体衬底之间产生缺陷、气泡和破裂等问题，提高异质集成封装结构的质量。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种半导体衬底结构，包括衬底，衬底的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构，衬底的下表面设置有用于液冷的下微流道结构。

采用上述技术方案的情况下，衬底的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构，下表面设置有用于液冷的下微流道结构。采用这种结构，当异质晶圆与半导体衬底的上表面进行键合时，既能够利用上微流道结构进行导热排气，避免异质晶圆和半导体衬底之间产生缺陷和气泡的问题，又能够利用上微流道结构进行应力释放，避免异质晶圆和半导体衬底之间产生较大的内应力而发生破裂，从而提高异质集成封装结构的质量。同时，下微流道结构可以通入冷却液进行冷却，提高半导体衬底结构的散热能力，从而提高所制成芯片的质量。

在一些可能的实现方式中，衬底的材料为碳化硅。

在一些可能的实现方式中，上微流道结构的形状为条状、网状、树枝状和棋盘状其中一种。

第二方面，本发明还提供一种异质集成封装结构，包括待键合的晶圆、封装板和如上述方案所提的半导体衬底结构，待键合的晶圆用于与半导体衬底结构的上表面键合，封装板用于封装半导体衬底结构的下表面。

采用上述技术方案的情况下，由于异质集成封装结构包括上述方案所提的半导体衬底结构，因此能够避免异质晶圆和半导体衬底之间产生缺陷、气泡和破裂等问题，提高异质集成封装结构的质量。

第三方面，本发明还提供一种异质集成封装结构的制造方法，包括如上述方案所提的异质集成封装结构，异质集成封装结构包括待键合的晶圆、封装板和半导体衬底结构，制造方法包括：

对衬底结构的进行双面刻蚀，形成位于衬底结构的上表面的上微流道结构和位于衬底结构的下表面的下微流道结构；

将待键合的晶圆与衬底结构的上表面进行键合处理，形成键合结构；

将衬底结构放置于封装板上进行封装，衬底结构的下微流道结构和封装板之间形成有冷却流道，向冷却流道内通入冷却液。

采用上述技术方案的情况下，由于异质集成封装结构的制造方法包括上述方案所提的异质集成封装结构，因此能够避免异质晶圆和半导体衬底之间产生缺陷、气泡和破裂等问题，提高异质集成封装结构的质量。

在一些可能的实现方式中，将待键合的晶圆与衬底结构的上表面进行键合处理，形成键合结构的步骤包括：

对待键合的晶圆的表面进行氢离子注入，在待键合的晶圆的表面形成一层富含氢离子的缺陷层；

将待键合的晶圆倒扣在衬底结构上，并使待键合的晶圆中具有缺陷层的表面与衬底结构中具有上微流道结构的表面进行键合处理，形成键合结构。

在一些可能的实现方式中，在对待键合的晶圆的表面进行氢离子注入，在待键合的晶圆的表面形成一层富含氢离子的缺陷层的步骤之后，且在将待键合的晶圆倒扣在衬底结构上，并使待键合的晶圆中具有缺陷层的表面与衬底结构中具有上微流道结构的表面进行键合处理，形成键合结构的步骤之前，还包括：

对衬底结构和待键合的晶圆进行等离子体活化处理。

在一些可能的实现方式中，将待键合的晶圆倒扣在衬底结构上，并使待键合的晶圆中具有缺陷层的表面与衬底结构中具有上微流道结构的表面进行键合处理，形成键合结构的步骤之后，还包括：

对键合结构进行退火处理，使富含氢离子的缺陷层发生断裂，以剥离待键合的晶圆中未具有缺陷层的部分，形成异质集成封装结构。

在一些可能的实现方式中，在对键合结构进行退火处理，使富含氢离子的缺陷层发生断裂，以剥离待键合的晶圆中未具有缺陷层的部分的步骤之后，还包括：

对异质集成封装结构的上表面进行化学机械区抛光，得到功能层。

在一些可能的实现方式中，对衬底结构的进行双面刻蚀，形成位于衬底结构的上表面的上微流道结构和位于衬底结构的下表面的下微流道结构的步骤之前，还包括：

根据衬底结构和待键合的晶圆的材料、晶格常数以及热膨胀系数，设计上微流道结构的具体形状。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中半导体衬底结构的俯视图；

图2为本发明中半导体衬底结构的示意图；

图3为本发明中待键合的晶圆进行氢离子注入时的示意图；

图4为本发明中衬底结构与晶圆进行键合时的示意图；

图5为本发明中衬底结构与晶圆进行退火处理后的示意图；

图6为本发明中异质集成封装结构的示意图。

附图标记：

1-衬底，2-上微流道结构，3-下微流道结构，4-待键合的晶圆，5-封装板。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，而不是指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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图6，本发明实施例提供一种半导体衬底结构，包括衬底1，衬底1的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构2，衬底1的下表面设置有用于液冷的下微流道结构3。

采用上述技术方案的情况下，衬底1的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构2，下表面设置有用于液冷的下微流道结构3。采用这种结构，当异质晶圆与半导体衬底1的上表面进行键合时，既能够利用上微流道结构2进行导热排气，避免异质晶圆和半导体衬底1之间产生缺陷和气泡的问题，又能够利用上微流道结构2进行应力释放，避免异质晶圆和半导体衬底1之间产生较大的内应力而发生破裂，从而提高异质集成封装结构的质量。同时，下微流道结构3可以通入冷却液进行冷却，提高半导体衬底结构的散热能力，从而提高所制成芯片的质量。

在一些实施例中，衬底1的材料为碳化硅(SiC)，由于碳化硅衬底1具有良好的绝缘和导热性能，具备优异的热学和电学性能，以碳化硅为衬底1形成的硅器件可以发挥硅基器件成熟工艺的优势，由于碳化硅材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强、热导率高等特点，可以适应于各种复杂的环境。采用这种结构，能够提高半导体衬底结构的性能，使得以碳化硅材料作为衬底1所形成的硅器件的性能更好。

如图1至图6所示，上微流道结构2的形状为条状、网状、树枝状和棋盘状其中一种。示例性的，当上微流道结构2的形状为条状时，上微流道结构2包括多条平行分布的刻蚀槽。其中，上微流道的结构可以根据衬底1和待键合的晶圆4之间的晶格常数、热膨胀系数、异质键合材料的尺寸及厚度、衬底1应力集中的位置等因素选择不同的形状。采用这种结构，不同形状的上微流道结构2可以适用于不同的使用环境中，提高碳化硅衬底1的适用范围和性能。

本发明实施例还提供一种异质集成封装结构，包括待键合的晶圆4、封装板5和如上述实施例所提的半导体衬底结构，待键合的晶圆4用于与半导体衬底结构的上表面键合，封装板5用于封装半导体衬底结构的下表面。示例性的，待键合的晶圆4可以为硅晶圆。

采用上述技术方案的情况下，衬底1的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构2，下表面设置有用于液冷的下微流道结构3。采用这种结构，当异质晶圆与半导体衬底1的上表面进行键合时，既能够利用上微流道结构2进行导热排气，避免异质晶圆和半导体衬底1之间产生缺陷和气泡的问题，又能够利用上微流道结构2进行应力释放，避免异质晶圆和半导体衬底1之间产生较大的内应力而发生破裂，从而提高异质集成封装结构的质量。同时，下微流道结构3可以通入冷却液进行冷却，提高半导体衬底结构的散热能力，从而提高所制成芯片的质量。

本发明实施例还提供一种异质集成封装结构的制造方法，如图1至图6所示，包括如上述实施例所提的异质集成封装结构，异质集成封装结构包括待键合的晶圆4、封装板5和半导体衬底结构，制造方法包括：

对衬底1结构的进行双面刻蚀，形成位于衬底1结构的上表面的上微流道结构2和位于衬底1结构的下表面的下微流道结构3；

将待键合的晶圆4与衬底1结构的上表面进行键合处理，形成键合结构；

将衬底1结构放置于封装板5上进行封装，衬底1结构的下微流道结构3和封装板5之间形成有冷却流道，向冷却流道内通入冷却液。

采用上述技术方案的情况下，衬底1的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构2，下表面设置有用于液冷的下微流道结构3。采用这种结构，当异质晶圆与半导体衬底1的上表面进行键合时，既能够利用上微流道结构2进行导热排气，避免异质晶圆和半导体衬底1之间产生缺陷和气泡的问题，又能够利用上微流道结构2进行应力释放，避免异质晶圆和半导体衬底1之间产生较大的内应力而发生破裂，从而提高异质集成封装结构的质量。同时，下微流道结构3可以通入冷却液进行冷却，提高半导体衬底结构的散热能力，从而提高所制成芯片的质量。

如图3所示，将待键合的晶圆4与衬底1结构的上表面进行键合处理，形成键合结构的步骤包括：

对待键合的晶圆4的表面进行氢离子注入，在待键合的晶圆4的表面形成一层富含氢离子的缺陷层；

将待键合的晶圆4倒扣在衬底1结构上，并使待键合的晶圆4中具有缺陷层的表面与衬底1结构中具有上微流道结构2的表面进行键合处理，形成键合结构。采用这种方法，能够提高异质集成封装结构的性能，通过对待键合的晶圆4进行区域划分，便于后续工艺采用退火的方式使注入氢离子的缺陷层发生断裂，以得到目标芯片。

在一些可能的实现方式中，在对待键合的晶圆4的表面进行氢离子注入，在待键合的晶圆4的表面形成一层富含氢离子的缺陷层的步骤之后，且在将待键合的晶圆4倒扣在衬底1结构上，并使待键合的晶圆4中具有缺陷层的表面与衬底1结构中具有上微流道结构2的表面进行键合处理，形成键合结构的步骤之前，还包括：

对衬底1结构和待键合的晶圆4进行等离子体活化处理。采用这种方法，进一步优化衬底1结构和待键合的晶圆4的性能，便于去除未注入氢离子的缺陷层。

如图4和图5所示，将待键合的晶圆4倒扣在衬底1结构上，并使待键合的晶圆4中具有缺陷层的表面与衬底1结构中具有上微流道结构2的表面进行键合处理，形成键合结构的步骤之后，还包括：

对键合结构进行退火处理，使富含氢离子的缺陷层发生断裂，以剥离待键合的晶圆4中未具有缺陷层的部分，形成异质集成封装结构。采用这种方法，通过对键合结构进行退火处理，能够使富含氢离子的缺陷层发生断裂，从而去除待键合的晶圆4中未具有缺陷层的部分，得到目标芯片结构。此时，可以利用上微流道结构2的形变吸收键合时的应力，防止硅片发生崩裂，提高异质集成封装结构的性能。

在一种可选方式中，在对键合结构进行退火处理，使富含氢离子的缺陷层发生断裂，以剥离待键合的晶圆4中未具有缺陷层的部分的步骤之后，还包括：

对异质集成封装结构的上表面进行化学机械区抛光，得到功能层。采用这种结构，能够进一步提高异质集成封装结构的性能，当衬底1结构为硅衬底1，待键合的晶圆4为硅晶圆时，功能层可以为硅功能层。示例性的，在得到功能层之后，可以硅功能层进行常规工艺加工以制备出硅器件。

在一些实施例中，对衬底1结构的进行双面刻蚀，形成位于衬底1结构的上表面的上微流道结构2和位于衬底1结构的下表面的下微流道结构3的步骤之前，还包括：

根据衬底1结构和待键合的晶圆4的材料、晶格常数以及热膨胀系数，设计上微流道结构2的具体形状。采用这种方法，在刻蚀之前，可以先根据衬底1和待键合的晶圆4之间的晶格常数、热膨胀系数、异质键合材料的尺寸及厚度、衬底1应力集中的位置等因素选择不同的形状，使得可以采用不同形状的上微流道结构2以适用于不同的使用环境中，优化碳化硅衬底1的适用范围和性能。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种半导体衬底结构，其特征在于，包括衬底，所述衬底的上表面设置有用于释放键合应力的上微流道结构，所述衬底的下表面设置有用于液冷的下微流道结构。

2.根据权利要求1所述的半导体衬底结构，其特征在于，所述衬底的材料为碳化硅。

3.根据权利要求1所述的半导体衬底结构，其特征在于，所述上微流道结构的形状为条状、网状、树枝状和棋盘状其中一种。

4.一种异质集成封装结构，其特征在于，包括待键合的晶圆、封装板和如权利要求1-3任一项所述的半导体衬底结构，所述待键合的晶圆用于与所述半导体衬底结构的上表面键合，所述封装板用于封装所述半导体衬底结构的下表面。

5.一种异质集成封装结构的制造方法，其特征在于，包括如权利要求4所述的异质集成封装结构，所述异质集成封装结构包括待键合的晶圆、封装板和半导体衬底结构，所述制造方法包括：

对所述衬底结构的进行双面刻蚀，形成位于所述衬底结构的上表面的上微流道结构和位于所述衬底结构的下表面的下微流道结构；

将所述待键合的晶圆与所述衬底结构的上表面进行键合处理，形成键合结构；

将所述衬底结构放置于所述封装板上进行封装，所述衬底结构的下微流道结构和所述封装板之间形成有冷却流道，向所述冷却流道内通入冷却液。

6.根据权利要求5所述的异质集成封装结构的制造方法，其特征在于，将所述待键合的晶圆与所述衬底结构的上表面进行键合处理，形成键合结构的步骤包括：

对所述待键合的晶圆的表面进行氢离子注入，在所述待键合的晶圆的表面形成一层富含氢离子的缺陷层；

将所述待键合的晶圆倒扣在所述衬底结构上，并使所述待键合的晶圆中具有所述缺陷层的表面与所述衬底结构中具有上微流道结构的表面进行键合处理，形成键合结构。

7.根据权利要求6所述的异质集成封装结构的制造方法，其特征在于，在对所述待键合的晶圆的表面进行氢离子注入，在所述待键合的晶圆的表面形成一层富含氢离子的缺陷层的步骤之后，且在将所述待键合的晶圆倒扣在所述衬底结构上，并使所述待键合的晶圆中具有所述缺陷层的表面与所述衬底结构中具有上微流道结构的表面进行键合处理，形成键合结构的步骤之前，还包括：

对所述衬底结构和所述待键合的晶圆进行等离子体活化处理。

8.根据权利要求6所述的异质集成封装结构的制造方法，其特征在于，将所述待键合的晶圆倒扣在所述衬底结构上，并使所述待键合的晶圆中具有所述缺陷层的表面与所述衬底结构中具有上微流道结构的表面进行键合处理，形成键合结构的步骤之后，还包括：

对所述键合结构进行退火处理，使富含氢离子的所述缺陷层发生断裂，以剥离所述待键合的晶圆中未具有缺陷层的部分，形成异质集成封装结构。

9.根据权利要求8所述的异质集成封装结构的制造方法，其特征在于，在对所述键合结构进行退火处理，使富含氢离子的所述缺陷层发生断裂，以剥离所述待键合的晶圆中未具有缺陷层的部分的步骤之后，还包括：

对所述异质集成封装结构的上表面进行化学机械区抛光，得到功能层。

10.根据权利要求5所述的异质集成封装结构的制造方法，其特征在于，对所述衬底结构的进行双面刻蚀，形成位于所述衬底结构的上表面的上微流道结构和位于所述衬底结构的下表面的下微流道结构的步骤之前，还包括：

根据所述衬底结构和所述待键合的晶圆的材料、晶格常数以及热膨胀系数，设计所述上微流道结构的具体形状。