一种晶圆级高深宽比tsv封装基板制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法。所述方法包括以下工艺步骤：采用DRIE工艺在基板圆片上制备通孔，通孔贯穿基板；通孔侧壁淀积钝化层；在圆片双面淀积通孔侧壁黏附/扩散阻挡层和种子层金属；将淀积有种子层金属的载片与基板圆片临时键合；采用电镀工艺完成通孔填充；解除临时键合，去除载片、临时键合材料和粘接材料；采用CMP工艺进行通孔填充金属平坦化；在基板表面制备金属布线、焊盘及保护层。其优点是：可实现20:1～30:1高深宽比通孔侧壁钝化、通孔侧壁黏附/扩散阻挡层和种子层金属，用于高密度、小尺寸系统级封装用超厚TSV封装基板加工。
【专利说明】—种晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法，TSV深宽比可达20:1?30: 1，属于模块和小尺寸系统级封装【技术领域】。
[0002]
【背景技术】
[0003]电子产品日益小型化、轻便化、多功能、低功耗及低成本发展趋势，二维、三维半导体封装技术已经无法满足此要求。
[0004]TSV (Through Silicon Via,娃通孔)技术可进行芯片与芯片、芯片与基板垂直互连，有效缩短了信息传输路径，并且同封装面积可实现更高的封装密度。TSV技术是半导体系统级封装的最有效途径。目前，硅通孔技术(TSV)主要应用之一是制备转接基板，用于芯片级尺寸封装及系统封装。
[0005]传统TSV转接基板制作工艺为:I)在基板制备盲孔；2)基板单面PECVD淀积通孔侧壁钝化层；3)在基板单面磁控溅射淀积通孔侧壁黏附/扩散阻挡层、种子层金属；4)电镀工艺完成通孔金属填充；5)通孔金属平坦化；6)减薄露出基板背面通孔金属；7)制作金属布线、焊盘及其保护层。传统TSV转接基板制备方法具备以下缺陷或不足:
(1)PECVD淀积深孔侧壁钝化层均匀性差，深孔底部绝缘层厚度大约只有顶部的1/5，底部绝缘层覆盖率较差，容易产生不连续缺陷而严重影响绝缘效果和可靠性。这也限制了钝化层淀积工艺深宽比淀积能力；
(2)磁控溅射淀积深孔侧壁粘附/扩散阻挡层、种子层均匀性差，深孔底部厚度大约只有顶部的1/5，深孔底部覆盖率较差，容易产生不连续缺陷而导致电镀时出现空洞，严重影响通孔可靠性。目前，最先进的磁控溅射设备的深孔深宽比淀积能力小于15:1，这限制TSV深宽比淀积能力。
[0006](3)限于上述传统TSV转接基板制作工艺，通常转接基板厚度小于200 μ m，仅可用作转接基板，无法直接进行封装。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于解决传统TSV基板加工工艺深孔侧壁钝化层、黏附/扩散阻挡层、种子层淀积厚度不均匀性、通孔底部覆盖率不足技术问题，提供一种晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法，将深孔深宽比能力由10:1?15:1提高到20:1?30:1。
[0008]所述晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法，包括以下步骤:
1:在基板上制备深宽比为20:1?30:1的通孔，所述通孔贯穿整个基板；
2:采用热氧化工艺在所述通孔侧壁淀积Si02 ;或者在基板双面采用PECVD工艺在通孔侧壁淀积Si02或Si3N4钝化层材料；或者在基板双面采用真空气相淀积工艺在通孔侧壁淀积聚对二甲苯钝化层材料；
3:在基板双面采用磁控溅射工艺淀积通孔侧壁黏附、扩散阻挡层和种子层金属；4:在载片上涂敷临时键合材料，然后采用磁控溅射工艺在临时键合材料上淀积种子层
金属；
5:在完成步骤4的载片上旋涂粘接材料，通过光刻或激光烧蚀工艺在所述粘接材料上形成与基板上通孔位置对应的图形开口；
6:将完成步骤3的基板与完成步骤5的载片进行临时键合，基板上的通孔与载片上的图形开口相对应；
7:在完成步骤6的基板上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在所述光刻胶上形成图形开口，露出通孔；
8:通过电镀工艺在通孔内填充金属；
9:解除临时键合的载片，去除临时键合材料和粘接材料；湿法腐蚀掉基板表面多余的黏附、扩散阻挡层和种子层金属。
[0009]在步骤9之后，采用化学机械研磨抛光工艺将通孔填充金属平坦化；然后在基板表面形成金属布线图形与通孔填充金属形成互连，并形成金属布线保护层及开口图形；最后在基板另一面制作焊盘金属，并形成焊盘金属保护层及图形开口。
[0010]本发明有益效果:本发明提高了 TSV深孔侧壁钝化层、黏附/扩散阻挡层、种子层淀积厚度均匀性、通孔底部覆盖率，将传统TSV工艺深宽比薄膜淀积能力10:1?15:1提高到20:1?30:1。可用于制备更厚的封装基板。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1?图13是本发明一种晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法的典型实例工艺流程图；其中，
图1娃片基板不意图。
[0012]图2形成通孔刻蚀开口图形的示意图。
[0013]图3深反应离子刻蚀通孔并去除光刻胶的示意图。
[0014]图4通孔侧壁淀积钝化层的示意图。
[0015]图5通孔侧壁淀积黏附/扩散阻挡层和种子金属的示意图。
[0016]图6载片上涂敷临时键合材料和淀积种子层金属的示意图。
[0017]图7形成粘接材料图形开口的示意图。
[0018]图8基板和载片临时键合的不意图。
[0019]图9形成通孔电镀开口图形的示意图。
[0020]图10通孔电镀填充的示意图。
[0021]图11去除光刻胶、载片、临时键合材料、基板表面多余金属的示意图。
[0022]图12填充材料CMP平坦化的示意图。
[0023]图13基板布线、基板焊盘及其钝化层制备后的基板结构图。
[0024]附图标记说明:基板1、第一光刻胶2、通孔侧壁钝化层3、通孔侧壁黏附/扩散阻挡层及种子层金属4、载片5、载片上涂敷的临时键合材料6、载片上淀积的种子层金属7、载片与基板圆片粘接材料8、第二光刻胶9、通孔填充金属10、金属布线11、布线保护层12、焊盘13、焊盘保护层14、通孔15。【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0026]本发明总体包括以下工艺步骤:
步骤一:选择基板圆片；
步骤二:在所述基板圆片上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在光刻胶上形成图形开口，然后采用深硅刻蚀(DRIE)工艺在基板圆片上制备通孔，该通孔贯穿整个基板圆片；
步骤三:剥离基板圆片上光刻胶；
步骤四:采用热氧化工艺在所述通孔侧壁淀积SiO2，或者在基板圆片双面采用PECVD(等离子增强化学气相淀积)工艺在通孔侧壁淀积SiO2或Si3N4钝化层材料；或者在基板圆片双面采用真空气相淀积工艺在通孔侧壁淀积Parylene (聚对二甲苯)钝化层材料；
步骤五:在基板圆片双面采用磁控溅射工艺淀积通孔侧壁黏附/扩散阻挡层和种子层金属；
步骤六:在载片上涂敷临时键合材料，然后采用磁控溅射工艺在临时键合材料上淀积种子层金属；
步骤七:在完成步骤五的载片上旋涂粘接材料，通过光刻或激光烧蚀工艺在粘接材料上形成与基板上通孔位置对应的图形开口；
步骤八:将完成步骤四的上述基板圆片与完成步骤六的上述载片进行临时键合，基板上的通孔与载片上的图形开口相对应；
步骤九:在完成步骤八的基板圆片上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在光刻胶上上形成图形开口 ；
步骤十:通过电镀工艺在上述通孔内填充金属；
步骤十一:解除临时键合载片，去除临时键合材料和粘接材料；湿法腐蚀掉基板圆片表面多余的黏附、扩散阻挡层和种子层金属；
步骤十二:采用CMP (化学机械研磨抛光)工艺将通孔填充金属平坦化；
步骤十三:在基板圆片表面形成金属布线图形与通孔填充金属形成互连，并形成金属布线保护层及开口图形；在基板圆片另一面形成焊盘金属，并形成焊盘金属保护层及图形开口。
[0027]以下是一个具体实施例。
[0028]步骤一:选取8英寸硅片作基板材料，基板I厚度500 μ m，如图1。
[0029]步骤二:将基板I清洗后，采用PECVD工艺在基板表面淀积I?2 μ m厚SiO2作为硅刻蚀掩模，然后在SiO2表面旋涂第一光刻胶2，通过光刻工艺形成通孔图形开口 ；采用基于“B0SCH”技术的深反应离子刻蚀(DRIE, Deep Reactive 1n Etch)工艺制备贯穿基板I的通孔15，直径20?30 μ m。参见图2。
[0030]步骤三:剥离基板I上的第一光刻胶2，并进行等离子清洗去除通孔15侧壁残留光刻胶和其他有机物；采用湿法刻蚀工艺去除上述基板I表面的Si02。参见图3。
[0031]步骤四:在上述通孔15侧壁淀积钝化层3，根据选择钝化层材料不同，有三种淀积方案，参见图4。
[0032](I)方案一:1000°C干氧氧化在通孔侧壁生长0.2?0.5 μ m厚度SiO2钝化层材料3，然后KKKTC湿氧氧化在通孔侧壁生长I?1.5 μ m厚度Si02。[0033](2)方案二:在基板I表面采用PECVD (等离子增强化学气相淀积)工艺在通孔15侧壁淀积I?2 μ m厚度SiO2钝化层材料，然后在基板I另一面采用PECVD (等离子增强化学气相淀积)工艺在通孔15侧壁再淀积I?2 μ m厚度SiO2钝化层材料。
[0034](3)方案三:在基板I表面采用Parylene真空气相淀积镀膜设备在通孔侧壁淀积2?4 μ m厚度Parylene钝化层材料,然后在基板I另一面采用Parylene真空气相淀积镀膜设备在通孔侧壁再淀积2?4 μ m厚度Parylene钝化层材料。
[0035]该方法相对传统淀积通孔侧壁钝化层工艺，可以提高通孔侧壁钝化层均匀性，提高可靠性，同时可以提高设备深孔侧壁淀积钝化层能力2倍以上。
[0036]步骤五:在基板I双面采用磁控溅射设备在通孔15侧壁分别淀积1000?2000埃Ti作为黏附/扩散阻挡层材料4 ;然后在基板I双面采用磁控溅射设备在通孔15侧壁分别淀积4000?8000埃Cu作为种子层层材料。通过双面淀积提高了通孔侧壁黏附、扩散阻挡层和种子层金属均匀性，确保溅射金属连续、致密，将磁控溅射设备深孔侧壁淀积能力提高2倍以上。参见图5。
[0037]步骤六:在载片5表面旋涂10 μ m厚临时键合材料6 (Wafer BOND HT-10.10)，选择合适温度加热临时键合材料6使其固化；然后采用磁控溅射工艺在临时键合材料6表面淀积4000?8000埃Cu作为种子层金属7。参见图6。
[0038]步骤七:在完成步骤六的载片5表面旋涂10?20 μ m粘接材料8 (SU8光刻胶)，通过光刻工艺在粘接材料8上形成图形开口。参见图7。
[0039]步骤八:将完成步骤五的上述基板I与完成步骤七的上述载片5在110°C?120°C条件进行临时键合。参见图8。
[0040]步骤九:在完成步骤八的基板I表面旋涂6 μ m第二光刻胶9，通过光刻工艺在第二光刻胶9形成图形开口，露出通孔15。参见图9。
[0041]步骤十:采用“垂直生长”和“均匀生长”两种铜电镀复合工艺进行上述通孔内铜(通孔填充金属10)填充。参见图10。
[0042]步骤十一:剥离第二光刻胶9，湿法腐蚀基板I表面多余黏附、扩散阻挡层和种子层金属Ti和Cu ;加热解除临时键合载片5，去除临时键合材料6 ;然后湿法腐蚀掉载片上淀积的种子层金属7 ;最终，采用剥离液去除粘接材料8。参见图11。
[0043]步骤十二:采用CMP (化学机械研磨抛光)工艺将通孔填充金属10 (Cu)平坦化，确保填充金属Cu上下表面与基板I表面处于同一平面内，且基板I表面钝化层3厚度大于
1.2μπι。参见图 12。
[0044]步骤十三:在完成步骤十二的基板I表面布线11和制作布线保护层12(保护性钝化层)、制备焊盘13及焊盘保护层14 (保护性钝化层)，参见图13。
[0045]相对传统单面淀积方法，本发明中步骤二、四、五所述的方法提高了通孔侧壁黏附、扩散阻挡层和种子层金属均匀性，将深孔侧壁钝化层、黏附/扩散阻挡层、种子层淀积能力提高了 2倍以上。本发明步骤六、七、八、九、十、十一，提供了通孔底部种子层制备、通孔电镀、载片与基板临时键合及解键合工艺方法。采用本发明的方法可实现20:1?30:1高深宽比通孔侧壁钝化、通孔侧壁黏附、扩散阻挡层和种子层金属，用于高密度、小尺寸系统级封装用超厚TSV封装基板加工。
【权利要求】
1.一种晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1:在基板上制备深宽比为20:1?30:1的通孔，所述通孔贯穿整个基板； 2:采用热氧化工艺在所述通孔侧壁淀积SiO2 ;或者在基板双面采用PECVD工艺在通孔侧壁淀积SiO2或Si3N4钝化层材料；或者在基板双面采用真空气相淀积工艺在通孔侧壁淀积聚对二甲苯钝化层材料； 3:在基板双面采用磁控溅射工艺淀积通孔侧壁黏附、扩散阻挡层和种子层金属； 4:在载片上涂敷临时键合材料，然后采用磁控溅射工艺在临时键合材料上淀积种子层金属； 5:在完成步骤(4)的载片上旋涂粘接材料，通过光刻或激光烧蚀工艺在所述粘接材料上形成与基板上通孔位置对应的图形开口； 6:将完成步骤(3)的基板与完成步骤5的载片进行临时键合，基板上的通孔与载片上的图形开口相对应； 7:在完成步骤(6)的基板上旋涂光刻胶，通过光刻工艺在所述光刻胶上形成图形开口，露出通孔； 8:通过电镀工艺在通孔内填充金属； 9:解除临时键合的载片，去除临时键合材料和粘接材料；湿法腐蚀掉基板表面多余的黏附、扩散阻挡层和种子层金属。
2.如权利要求1所述晶圆级高深宽比TSV封装基板制备方法，其特征在于，在步骤(9)之后，采用化学机械研磨抛光工艺将通孔填充金属平坦化；然后在基板表面形成金属布线图形与通孔填充金属形成互连，并形成金属布线保护层及开口图形；最后在基板另一面制作焊盘金属，并形成焊盘金属保护层及图形开口。
【文档编号】H01L21/48GK103700595SQ201310695128
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】燕英强, 吉勇, 丁荣峥 申请人:中国电子科技集团公司第五十八研究所