专利名称：封装制作晶圆tsv过程中所采用的腐蚀槽和工艺方法
技术领域：
本发明涉及封装制作晶圆TSV过程中所采用的腐蚀槽和相应的工艺方法，更确切 地说本发明是一种采用支撑晶圆以及BCB低温键合藉助腐蚀槽结构以制作高可靠性的晶 圆TSV，属于圆片级TSV三维互连封装技术领域。
背景技术：
为了满足超大规模集成电路(VLSI)发展的需要，新颖的TSVCThroughSilicon Via,穿硅通孔)三维封装技术应运而生，它用最小的尺寸和最轻的重量，将不同性能的芯 片和多种技术集成到单个封装体中，是一种通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制造 垂直电学导通，实现芯片之间互连的最新的封装互连技术。与以往的IC封装键合和使用凸 点的叠加技术不同，该技术采用TSV代替了 2D Cu互连，能够使芯片在三维方向堆叠的密度 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，业内人士已将TSV称 为继引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊(TAB)和倒装芯片(FC)之后的第四代封装技 术。通常，晶圆TSV结构的制作方式主要为(1)通孔制备。采用DRIE在晶圆上制备高 深宽比的垂直Si通孔；(2)通孔电镀。在通孔侧壁上淀积SiO2绝缘层后，通过预先制作的 金属种子层电镀金属Cu使金属充满整个Si通孔；(3)化学机械抛光(CMP)。通孔电镀后部 分金属Cu露出TSV，导致晶圆表面凹凸不平，采用CMP将过量的Cu研磨掉后继续研磨晶圆 可以获得不同厚度TSV圆片；(4)圆片与圆片或芯片与圆片之间的精确对准后的键合工艺。由此可见，上述晶圆TSV结构的实现需要经过一系列的半导体制作工艺，也即在 只有几百微米厚度的晶圆中制作TSV穿硅通孔，需要经过光刻、DRIE、溅射、电镀、PVD、CMP 和键合等一系列工艺，导致晶圆的应力较大而容易破碎，因此制作工艺成本高、产率低。为 了克服晶圆易碎导致产率低的难题，近两年出现了一种键合支撑圆片的工艺，就是将一张 裸晶圆与制作TSV的晶圆键合在一起，对TSV晶圆起到支撑和保护的作用，然后TSV晶圆再 经过一系列复杂工艺时因为强度的提高，减少了晶圆破碎现象的产生，待TSV制作完成后 采用CMP工艺将支撑晶圆去除。在支撑晶圆键合方面，目前国内外普遍采用金属键合或者 光刻胶键合实施的，但金属键合成本较高，且键合温度极高。而光刻胶键合强度低，并且键 合界面厚度高低不均，对后续工艺产生不利影响。BCB(干刻蚀型苯丙环丁烯)晶圆低温键合是一种新开发的键合技术，其工艺简 单，得到的晶圆键合的强度较高，可以研磨得到更薄的TSV晶圆，并且只在支撑晶圆上溅射 金属，而不需要在TSV晶圆上溅射金属层，降低了工艺成本。但是BCB在键合过程中由于处 于熔融状态而具有流动性，在键合压力的作用下，BCB向四周延展导致键合后BCB的尺寸变 大，由于TSV孔径极小，因此，延展后的BCB容易将TSV晶圆的通孔与支撑圆片的金属种子 层之间接触的面积减小，甚至隔绝，导致无法实现晶圆TSV后续的电镀工艺，造成TSV晶圆 制造的失败。
发明内容
为了保证BCB的晶圆键合质量，有效控制晶圆键合后的BCB尺寸，本发明的目的 在于提出了一种可以有效限制键合后BCB尺寸的的腐蚀槽(Barrier trench technology, BTT)和相应的工艺方法。本发明涉及的工艺是以BCB(干刻蚀型苯丙环丁烯)作为键合材 料，该材料是美国Dow Chemical公司的干刻蚀型BCB预聚体溶液的专利产品，其中BCB聚 合度为40 50%，溶剂(1，3，5-三甲基苯)的存在使其呈液体状态。干刻蚀型BCB的固体 含量(即BCB树脂)为46%，一定温度固化之后BCB完全聚合、交联。该方法采用BCB键 合，其工艺简单，键合强度较高，可以研磨得到更薄的TSV晶圆，并且由于TSV晶圆的腐蚀槽 结构可有效控制键合后的BCB尺寸，保证了 TSV制作过程中最为重要的一步，即通孔电镀工 艺的质量，从而提高了工艺的成品率。
本发明的技术方案是①在裸支撑晶圆的一面溅射一层抗氧化性较好的Au层；然 后Au层上面涂覆一层均勻的BCB，通过光刻BCB使即将键合TSV通孔位置处的BCB去除； ②在TSV晶圆正面首先涂覆一层光刻胶，光刻显影掉的部分即为腐蚀槽的部分，腐蚀槽位 置与支撑晶圆上光刻后的BCB位置相对应。随后通过控制DRIE的速率和时间刻蚀出垂直 槽壁的腐蚀槽，槽的面积略大于BCB光刻后的面积，深度略小于BCB的厚度。去胶后再通 过SiO2掩模DRIE刻蚀，但未穿透的TSV阵列，未刻穿的目的是为了节省DRIE的工艺成本。 TSV通孔为圆形，孔径大约为15 80 μ m,阵列的排列方式如孔间距、孔直径以及孔数目等， 由实际具体的设计方案所决定；③随后裸支撑晶圆带有BCB的一面与TSV晶圆的正面经对 准后在键合机中升温加压进行键合。在键合过程中，使裸支撑晶圆上的BCB与TSV晶圆的 腐蚀槽相接触，随着温度升高，BCB逐渐熔融而具有流动性，在受到键合压力的作用下向四 周延展，在延展过程中会被腐蚀槽的垂直槽壁阻挡，从而有效地控制BCB的键合尺寸。④键 合后，用CMP方法将TSV晶圆背面研磨使得TSV露出，支撑晶圆上的金属层作为电镀TSV的 种子层，BCB作为键合介质将TSV晶圆与支撑晶圆键合在一起。本发明提供的腐蚀槽结构的制作材料是TSV晶圆，腐蚀槽壁具有垂直的特征，腐 蚀槽的表面积为经光刻后涂覆的BCB的表面积的1. 2-1. 3倍，腐蚀槽的垂直槽壁的深度略 小于涂覆的BCB厚度，BCB是涂覆在裸支撑晶圆上。本发明的有益效果能够在较低温度下实现高质量的晶圆键合效果，腐蚀槽结构 有效地控制了 BCB的键合尺寸，可以获得工艺简单、厚度薄的TSV晶圆，提高TSV三维封装 互连的成品率。本发明所使用的设备和工艺均为半导体加工的常规工艺和设备。
图1是BCB涂于金属层上经光刻后的裸支撑晶圆的截面示意图。图2是DRIE刻蚀腐蚀槽和刻蚀TSV阵列后的TSV晶圆正面局部的俯视图。图3是裸支撑晶圆与TSV晶圆对准键合前的截面图。图4是裸支撑晶圆与TSV晶圆BCB键合后的截面图。图5是键合后TSV晶圆背面经CMP露出TSV后的截面图。
具体实施例方式为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明。在图1中，在支撑晶圆101的一面溅射一层抗氧化性能较强的Au层102，厚度大约 为100 200nm。此金属层的作用是提供TSV电镀Cu时的种子层。然后在金属层102上 涂覆一层BCB103，BCB厚度大约为2 4 μ m。BCB经光刻成型，使即将键合TSV位置处104 的BCB去除。在图2中，以光刻胶作掩膜，采用DRIE刻蚀TSV晶圆201的正面刻蚀腐蚀槽203， 槽壁具有垂直的特征，腐蚀槽深度为2 3 μ m，表面积为BCB表面积的1. 2 1. 3倍。然后 以SiO2作掩膜，刻蚀TSV阵列图形202，但没有完全将TSV晶圆刻穿，根据设计TSV晶圆厚 度的方案，留下相应的厚度。此外，TSV晶圆上最后只有201处未被DRIE刻蚀。在图3中，支撑晶圆101与TSV晶圆201进行对准，使TSV202孔径处与去掉BCB位置104对准，支撑晶圆上的BCB103与TSV晶圆的腐蚀槽203相接触。在图4中，支撑晶圆101与TSV晶圆201对准后在键合机中进行升温加压键合，键合过程为从室温升温20 30min至230°C，键合压力50 lOOmbar，保温60_70min。键合 升温过程中，熔融的BCB受到键合压力的作用下向四周延展，在延展过程中会被腐蚀槽的 垂直槽壁阻挡，而没有流入到104的位置。然后缓慢冷却至室温。在图5中，键合后将TSV晶圆201背面进行CMP研磨，以使TSV202露出，BCB103 作为键合介质将TSV晶圆与支撑晶圆键合在一起。由于腐蚀槽203对BCB的尺寸限制，支 撑晶圆101上的金属层102露出在TSV孔径处，以作为下一步电镀TSV的种子层，为重要的 TSV电镀工艺提供了可靠保障，待后续的TSV制作完成后采用CMP工艺将支撑晶圆去除掉。
权利要求
一种制作晶圆TSV过程中所采用的腐蚀槽，其特征在于所述的腐蚀槽壁具有垂直的特征，腐蚀槽表面积为经光刻后涂覆的BCB的表面积的1.2-1.3倍，腐蚀槽的垂直槽壁的深度略小于涂覆的BCB厚度，BCB是涂覆在裸支撑晶圆上。
2.按权利要求1所述的腐蚀槽，其特征在于涂覆的所述的腐蚀槽的制作材料是TSV晶圆。
3.采用如权利要求1所述的腐蚀槽在制作晶圆TSV时的工艺方法，其特征在于是采用 裸支撑晶圆和BCB低温键合的方法，具体步骤是(1)在裸支撑晶圆上首先溅射一层Au层，然后涂覆一层BCB，BCB经光刻后成型，使即 将键合的TSV通孔位置处的BCB去除；(2)TSV晶圆正面涂覆一层光刻胶，用DRIE工艺刻蚀出腐蚀槽，腐蚀槽位置与步骤(1) 所述的裸支撑晶圆的BCB位置相对应，用DRIE工艺刻蚀出腐蚀槽，去胶后再通过SiO2掩膜 DRIE刻蚀，但未穿透的TSV阵列； (3)涂有BCB的裸支撑晶圆面与TSV晶圆正面对准，使TSV通孔开口处与支撑晶圆去 掉BCB的位置对准；然后在键合机中进行升温加压键合，在键合过程中，使裸支撑晶圆上的 BCB与TSV晶圆的腐蚀槽相接触，BCB延展被腐蚀槽有效地限制；(4)键合后，用CMP方法将TSV晶圆背面研磨使得TSV露出，支撑晶圆上的金属层作为 电镀TSV的种子层，BCB作为键合介质将TSV晶圆与支撑晶圆键合在一起。
4.按权利要求3所述的工艺方法，其特征在于所述的在裸支撑晶圆溅射的Au层作为 TSV电镀时的种子层，厚度为100 200nm。
5.按权利要求3所述的工艺方法，其特征在于所述的裸支撑晶圆金属层上涂覆的BCB 聚合度为40 50%，溶剂为1，3，5-三甲基苯，固体含量为46%。
6.按权利要求3所述的工艺方法，其特征在于所述的裸支撑晶圆与TSV晶圆对准后在 键合机中进行升温加压键合的工艺参数是从室温升温至230°C，键合压力50 lOOmbar，然 后冷却至室温。
7.按权利要求6所述的工艺方法，其特征在于从室温升温至230°C的时间为20-30min， 升温加压键合的时间为60-70min。
8.按权利要求3所述的工艺方法，其特征在于涂覆的BCB层厚度为2-4μ m。
9.按权利要求3所述的工艺方法，其特征在于TSV的通孔为圆形，孔径介于15-80μπι 之间。
全文摘要
本发明涉及封装制作晶圆TSV过程中所采用的腐蚀槽和工艺方法，其特征在于所述的腐蚀槽壁具有垂直的特征，腐蚀槽表面积为经光刻后涂覆的BCB的表面积的1.2-1.3倍，腐蚀槽的垂直槽壁的深度略小于涂覆的BCB厚度，BCB是涂覆在裸支撑晶圆上。涂覆的所述的腐蚀槽的制作材料是TSV晶圆。所述的TSV封装制作工艺步骤是在裸支撑晶圆上溅射金属层，再涂覆一层BCB后进行光刻；TSV晶圆正面首先DRIE刻蚀出腐蚀槽，腐蚀槽位置与支撑晶圆上光刻后的BCB位置相对应，然后DRIE刻蚀TSV阵列；支撑晶圆带有BCB的一面与TSV晶圆的正面经对准后在键合机中键合，熔融BCB在延展过程中被腐蚀槽阻挡，该结构起到控制BCB的键合尺寸的作用。
文档编号H01L21/60GK101840856SQ201010156028
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者徐高卫, 罗乐, 袁媛, 陈骁 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所