專利名稱：一種采用非對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝來制作tsv的電鍍方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的制作穿娃通孔(Through Silicon Via,TSV)所使用的電鍍方法，該方法操作十分簡(jiǎn)便，成本低，具有較高的可靠性和實(shí)用性，屬于圓片級(jí)TSV三維堆疊式互連封裝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了滿足超大規(guī)模集成電路(VLSI)發(fā)展的需要，新穎的3D堆疊式封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它用最小的尺寸和最輕的重量，將不同性能的芯片和多種技術(shù)集成到單個(gè)封裝體中，是一種通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制造垂直電學(xué)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新的封裝互連技術(shù)，與以往的IC封裝鍵合和使用凸點(diǎn)的疊加技術(shù)不同，所述的技術(shù)采用TSV(Through Silicon Via,穿娃通孔)代替了 2D_Cu互連,能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。因此，業(yè)內(nèi)人士將TSV稱為繼引線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動(dòng)焊(TAB)和倒裝芯片(FC)之后的第四代封裝技術(shù)。在制作TSV結(jié)構(gòu)的過程中，電鍍工藝是最重要最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，成本也占到了整個(gè)TSV工藝的40%以上。目前TSV電鍍主要有盲孔電鍍和通孔電鍍兩種方式。盲孔電鍍是刻蝕出沒有穿透晶圓的深孔，用PVD方法(物理氣相沉積)制作種子層，使種子層連續(xù)沉積到盲孔的側(cè)壁和底部，然后電鍍銅填充盲孔。盲孔電鍍的優(yōu)點(diǎn)就是電鍍時(shí)間短，但對(duì)電鍍液的要求極高，對(duì)于每種不同形狀的盲孔，電鍍液的配方也是不相同的，工藝較為復(fù)雜且成本較高。通孔電鍍則是首先將深孔在晶圓上打穿后，在其底部制作好種子層，電鍍銅由下而上填充通孔而完成的。通孔電鍍工藝整體來說比較簡(jiǎn)單，而且電鍍填充銅十分致密，可靠性較高，但缺點(diǎn)是底部種子層的制作較為復(fù)雜，電鍍時(shí)間長(zhǎng)。目前由于受盲孔電鍍技術(shù)條件的限制，通孔電鍍是制造TSV的主要方式。通孔電鍍制作種子層的方法主要是采用晶圓背面電鍍堵孔，即晶圓背面濺射金屬后電鍍晶圓，以使金屬將通孔背面堵住，然后由下而上填充TSV。該方面可靠性差，每個(gè)孔被堵的程度不同，電鍍每個(gè)通孔時(shí)的進(jìn)程也不一致，標(biāo)準(zhǔn)化較差，因此不利于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。最近，出現(xiàn)了一種裸支撐晶圓的新方法，是將TSV晶圓背面和一張裸晶圓上濺射一層Au，相互對(duì)準(zhǔn)重合后進(jìn)行Au-Au鍵合，中間的Au層作為種子層，從而可以實(shí)現(xiàn)電鍍銅填充TSV。由于鍵合了裸支撐晶圓，TSV晶圓的強(qiáng)度提高，在后續(xù)的工藝中不易破碎，可靠性提高，待工藝完成后，可以將裸支撐晶圓與TSV晶圓分離。目前這種采用裸支撐晶圓鍵合來電鍍TSV的方法，有一個(gè)主要問題是由于鍵合的兩張晶圓尺寸相同，鍵合時(shí)必須完全重合才能剛好放入電鍍的夾具中，因此兩張鍵合片之間的Au種子層作為鍵合介質(zhì)被完全遮住，外接的陰極就不能與種子層連接而無(wú)法實(shí)現(xiàn)TSV電鍍。目前國(guó)外某些實(shí)驗(yàn)室采用的是方法是將TSV晶圓的最外圈通過濕法腐蝕去除掉，然后與裸晶圓鍵合，由于TSV晶圓尺寸小于裸晶圓，因此可以露出裸晶圓最外圈上的Au層，然后與電鍍槽陰極相連接實(shí)現(xiàn)TSV的電鍍填充。但這種方法使得TSV晶圓尺寸發(fā)生了變化，對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生不利影響，并且采用濕法腐蝕去除TSV晶圓最外圈所需要的時(shí)間過長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)效率。另一種方法是在裸晶圓上制作一個(gè)細(xì)長(zhǎng)槽，把細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)線放入槽內(nèi)固定，導(dǎo)線的一端在晶圓外側(cè)，然后裸支撐晶圓濺射Au層后與TSV晶圓的Au層鍵合，露出的導(dǎo)線與陰極相連進(jìn)行電鍍填充。這種方法可靠性較差，工藝瑣碎，實(shí)驗(yàn)階段可以采用，但不適用于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。于是，引導(dǎo)出本發(fā)明非對(duì)稱鍵合工藝的構(gòu)思提供一種制作TSV的電鍍方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用非對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝來制作TSV的電鍍方法，本發(fā)明旨在解決電鍍TSV時(shí)種子層與陰極互連的問題，本發(fā)明利用了晶圓具有的上、下兩條平行切邊的特殊結(jié)構(gòu)，提出了一種TSV晶圓與裸支撐晶圓非對(duì)準(zhǔn)鍵合的工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案是:在整個(gè)晶圓當(dāng)中有上、下兩個(gè)平行切邊，該切邊的作用是在半導(dǎo)體工藝中便于固定晶圓和對(duì)準(zhǔn)操作。電鍍晶圓所采用的引線夾具是在晶圓周圍均勻分布的四個(gè)夾具，用于固定電鍍時(shí)的晶圓并且作為陰極與晶圓的種子層實(shí)現(xiàn)電學(xué)互連，四個(gè)夾具與晶圓中心距離相等，且相鄰的引線夾具與晶圓中心的連線互成90度，以保證電鍍時(shí)電流密度在鍵合晶圓上均勻分布。該發(fā)明內(nèi)容是在TSV晶圓與裸支撐晶圓Au-Au鍵合時(shí)，放棄過去采用的兩片晶圓完成重合的對(duì)準(zhǔn)鍵合，改為將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉(zhuǎn)90度，另一片不動(dòng)，然后兩片晶圓的帶有金層的面相對(duì)，其圓心重合后進(jìn)行Au-Au鍵合。鍵合后的晶圓正面有兩條平行的切邊，背面也有兩條平行的切邊，并且正面與背面的切邊是相互垂直的。每片晶圓的兩個(gè)切邊處露出了另一片晶圓的金種子層，用銅導(dǎo)電膠帶分別貼住露出的四個(gè)部位的種子層，然后四個(gè)膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具便可以與這四個(gè)導(dǎo)電膠帶接觸實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充。綜上所述，本發(fā)明的特征在于:①所述的非對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝是利用晶圓帶有兩條平行切邊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將TSV晶圓與支撐晶圓帶有金層的面相對(duì)、圓心重合但晶圓不重合后進(jìn)行Au-Au鍵合。鍵合后用銅導(dǎo)電膠帶與電鍍引線夾具連接實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充；②所述的方法是采用裸支撐晶圓和TSV晶圓非重合的Au-Au鍵合以露出種子層的方法，具體步驟是:(I)在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一面上分別先后濺射一層Tiff和Au層；(2)將TSV晶圓的Au層面與裸支撐晶圓的Au層面相對(duì)并且完全重合，然后將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉(zhuǎn)90度，另一片不動(dòng)，可以觀察到每片晶圓的兩個(gè)切邊位置露出了另一片晶圓的Au種子層，并且保證了電流密度在鍵合晶圓中均勻分布，然后在保證圓心重合后置于鍵合機(jī)中升溫加壓進(jìn)行Au-Au鍵合；(3)用銅導(dǎo)電膠帶分別貼住露出的四個(gè)切邊部位的種子層，然后導(dǎo)電膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具與導(dǎo)電膠帶接觸實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充。待電鍍完成后，將導(dǎo)電膠帶撕掉去除。③所述的在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一面上分別先后濺射一層TiW和Au層，TiW層的作用是增加粘附力，Au層是用于進(jìn)行Au-Au鍵合以及作為TSV電鍍Cu時(shí)的種子層，厚度分別為40-60nm和150_250nm ；
④所述的非對(duì)準(zhǔn)鍵合，是將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉(zhuǎn)90度，另一片不動(dòng)，然后在保證圓心重合后金層面相對(duì)進(jìn)行Au-Au鍵合；⑤所述的裸支撐晶圓與TSV晶圓在鍵合機(jī)中進(jìn)行升溫加壓鍵合的工藝參數(shù)是從室溫升溫至250-300°C，鍵合壓力2500 3000mbar，峰值加壓保溫后緩慢冷卻至室溫；⑥從室溫升溫至250-300°C的時(shí)間為10_20min，峰值加壓保溫的時(shí)間為1.5_2h ；⑦采用的銅導(dǎo)電膠帶的厚度厚度為0.01-0.03mm ；⑧TSV的通孔為圓形，孔徑介于15-80 μ m之間。本發(fā)明的有益效果:該發(fā)明工藝極為簡(jiǎn)單而能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高效率的晶圓TSV電鍍填充效果，可操作性強(qiáng)，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，不僅降低制作晶圓TSV的工藝成本，而且提高了晶圓TSV電鍍填充的成品率。


圖1是裸支撐晶圓和TSV晶圓正面的俯視圖。圖2是TSV晶圓與裸支撐晶圓鍵合后的鍵合片俯視圖。圖3是鍵合片電鍍填充TSV時(shí)的截面構(gòu)造圖。
具體實(shí)施例方式為了能使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步地說明。在圖1中，在已經(jīng)刻蝕出TSV102的TSV晶圓101的背面和裸支撐晶圓201的一面上分別先后濺射一層TiW和Au厚度分別為50nm和200nm。TiW層的作用是增加粘附力，使Au層更加牢固地粘附在晶圓上，而Au層是用于提供Au-Au鍵合以及作為TSV電鍍Cu時(shí)的
種子層。在圖2中，將TSV晶圓的IOlAu層面與裸支撐晶圓201的Au層面相對(duì)后，將兩片晶圓完全重合，然后將其中一片晶圓以圓心為中心旋轉(zhuǎn)90度，另一片不動(dòng)，可以觀察到鍵合片其中一面的TSV晶圓的兩個(gè)切邊103、104以及露出的裸支撐晶圓的金層202，同時(shí)也可以觀察到鍵合片另一面的裸支撐晶圓的切邊203、204，以及露出的TSV晶圓的金層。在保證圓心重合后進(jìn)行Au-Au鍵合。鍵合過程為:抽真空至，升溫至250-300，加壓，保溫1.5-2h后,冷卻至室溫。在圖3中，用厚度為0.02mm的銅導(dǎo)電膠帶301分別貼住露出的四個(gè)部位的種子層，然后四個(gè)膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具401便可以與這四個(gè)導(dǎo)電膠帶301接觸實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充。待電鍍完成后，將導(dǎo)電膠帶301撕掉去除。
權(quán)利要求
1.一種采用裸支撐晶圓非對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝來制作TSV方法，其特征在于所述的非對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝是利用晶圓帶有兩條平行切邊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將TSV晶圓與支撐晶圓帶有金層的面相對(duì)、圓心重合但晶圓不重合后進(jìn)行Au-Au鍵合；鍵合后用銅導(dǎo)電膠帶與電鍍引線夾具連接實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充。
2.如權(quán)利要求1所述的電鍍方法，其特征在于是采用裸支撐晶圓和TSV晶圓非重合的Au-Au鍵合以露出種子層的方法，具體步驟是: (1)在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一個(gè)面上分別先后濺射一層Tiff和Au層； (2)將TSV晶圓的Au層面與裸支撐晶圓的Au層面相對(duì)并且完全重合，然后將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉(zhuǎn)90度,另一片不動(dòng)，每片晶圓的兩個(gè)切邊位置露出了另一片晶圓的Au種子層，使電流密度在鍵合晶圓中均勻分布，然后在保證圓心重合后置于鍵合機(jī)中升溫加壓進(jìn)行Au-Au鍵合； (3)用銅導(dǎo)電膠帶分別貼住露出的四個(gè)切邊部位的種子層，然后導(dǎo)電膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具與導(dǎo)電膠帶接觸實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充；待電鍍完成后，將導(dǎo)電膠帶撕掉去除。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一個(gè)面上分別先后濺射一層TiW和Au層的厚度分別為40-60nm和150_250nm。
4.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的裸支撐晶圓與TSV晶圓在鍵合機(jī)中進(jìn)行升溫加壓鍵合的工藝參數(shù)是從室溫升溫至250-300°C，鍵合壓力2500 3000mbar，峰值加壓保溫后緩慢冷卻至室溫。
5.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于從室溫升溫至250-300°C的時(shí)間為10_20min，峰值加壓保溫的時(shí)間為1.5-2h。
6.按權(quán)利要求2所述的工藝方法，其特征在于采用的銅導(dǎo)電膠帶的厚度厚度為0.01-0.03_。
7.按權(quán)利要求2所述的工藝方法，其特征在于TSV的通孔為圓形，孔徑介于15-80μ m之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用非對(duì)準(zhǔn)鍵合工藝來制作TSV的電鍍方法，其特征是利用晶圓帶有兩條平行切邊的特點(diǎn)，將TSV晶圓與支撐晶圓帶有金層的面相對(duì)、圓心重合但晶圓不重合后進(jìn)行Au-Au鍵合。鍵合后用銅導(dǎo)電膠帶與電鍍引線夾具連接實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充。其工藝步驟為在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一面上分別先后濺射一層TiW和Au層；將TSV晶圓的Au層面與裸支撐晶圓的Au層面相對(duì)并且完全重合，然后將其中一片晶圓以圓心為中心旋轉(zhuǎn)90度，另一片不動(dòng)，然后在保證圓心重合后升溫加壓進(jìn)行Au-Au鍵合。然后用銅導(dǎo)電膠帶分別貼住露出的四個(gè)切邊部位的種子層，引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具導(dǎo)電膠帶接觸實(shí)現(xiàn)TSV電鍍填充，并將導(dǎo)電膠帶撕掉去除。
文檔編號(hào)H01L21/60GK103199026SQ20121000629
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者陳驍, 羅樂, 湯佳杰, 徐高衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所