植球工艺和结构的制作方法

本发明涉及一种植球工艺和结构，属于半导体技术领域。

背景技术：

随着半导体技术的发展，集成电路的特征尺寸不断缩小，器件互连密度不断提高。于是，晶圆级封装（Wafer Level Package，WLP）逐渐取代引线键合封装成为一种较为常用的封装方法。晶圆级封装（Wafer Level Packaging，WLP）技术是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片的技术，封装后的芯片尺寸与裸片完全一致，顺应了市场对微电子产品日益轻、小、短、薄化和低价化要求。

晶圆级封装无论是MEMS还是CIS BSI工艺都要用到键合，键合工艺一般分为阳极键合、金属熔融键合、氧化硅直接键合等工艺。键合后对晶圆进行减薄，然后进行常规的半导体工艺，包括光刻、刻蚀、薄膜沉积等。

但是在键合工艺中，如果晶圆表面有凸点，用金属键合工艺就会造成两片晶圆之间存在空隙；而如果利用氧化硅键合工艺，则凸点因为要利用后续的退火来完成焊接，则如果工艺控制不精确，会导致部分区域的凸点不能有效地完成导通。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有半导体封装键合工艺中中存在的晶圆之间存在间隙以及晶圆表面凸点不能导通的问题，提出了本发明。

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种植球工艺和结构，能够保证晶圆凸点的有效互联以及两片晶圆键合的可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述植球结构，其特征是：包括上晶圆和下晶圆，上晶圆的下表面沉积上晶圆绝缘层，下晶圆上表面沉积绝缘层，上晶圆下表面设有凸点，下晶圆上表面具有嵌入下晶圆上表面的嵌入式焊球，上晶圆下表面的凸点嵌入下晶圆的嵌入式焊球中，上晶圆绝缘层和下晶圆上表面的绝缘层实现键合。

进一步的，所述嵌入式焊球设置于下晶圆上表面的埋入孔中，在埋入孔的内壁依次设置绝缘层、种子层和焊盘层，在埋入孔的焊盘层上设置焊球。

进一步的，所述埋入孔的形状、尺寸与凸点的形状、尺寸一致。

所述植球工艺，其特征是，包括以下步骤：

（1）在上晶圆的下表面沉积上晶圆绝缘层，在上晶圆绝缘层表面制作凸点；

（2）在下晶圆的上表面相对于凸点的位置制作形状、尺寸与凸点一致的埋入孔；

（3）在下晶圆的上表面和埋入孔的内壁沉积绝缘层；

（4）在绝缘层的表面沉积种子层，在种子层的表面电镀焊盘层；

（5）在埋入孔的焊盘层表面喷涂助焊剂，采用植球工艺在埋入孔里植入焊球；或者在埋入孔里直接涂布焊锡膏；

（6）下晶圆过回流焊，使焊球或者焊锡膏与埋入孔里的焊盘层结合，然后清洗去除助焊剂残留物；

（7）去除下晶圆上表面的种子层和焊盘层，只保留绝缘层；

（8）采用键合工艺使上晶圆和下晶圆键合，加热到100～300度，使上晶圆下表面的凸点浸入到下晶圆上表面的埋入孔里；上晶圆的下表面和下晶圆的上表面接触后，升温至300～500度，使上晶圆和下晶圆实现直接键合；冷却后，即同时实现上晶圆和下晶圆的键合以及金属间的键合。

进一步的，所述凸点的直径为1μm~1000μm，高度为1μm~700μm，材质为铜、钛、镍、金、银、钨、铝、锡的一种或者几种。

进一步的，所述埋入孔的直径为1μm～1000μm，深度为1μm～700μm。

进一步的，所述绝缘层和上晶圆绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝或碳化硅。

进一步的，所述种子层的材质是铜、钛、镍、金、银、钨、铝、锡的一种或者几种，种子层的厚度为10nm～100μm。

进一步的，所述焊盘层的材质是铜、钛、镍、金、银、钨、铝、锡的一种或者几种，焊盘层的厚度为100 nm～200μm。

进一步的，所述焊球的直径比埋入孔的直径小10μm～100μm，焊球的材质为锡球或者锡银球。

本发明具有以下优势：

（1）上晶圆的下表面做成凸点，而下晶圆的上表面做成嵌入式焊球，在焊接时，凸点插入到焊球中，实现互联；

（2）嵌入式焊球和凸点结合后，两片晶圆之间不存在金属，这样退火后可以实现晶圆间的氧化硅和氧化硅界面的键合，保证了两片晶圆键合的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1a-1为本发明所述上晶圆的示意图。

图1a-2为本发明所述下晶圆的示意图。

图1b为在下晶圆上表面沉积绝缘层的示意图。

图1c为在绝缘层表面制作种子层和焊盘层的示意图。

图1d为在埋入孔中植入焊球的示意图。

图1e为在埋入孔中涂布焊锡膏的示意图。

图1f为下晶圆过回流焊的示意图。

图1g为去除下晶圆上表面种子层和焊盘层的示意图。

图1h为上晶圆下表面凸点浸入下晶圆上表面埋入孔的示意图。

图1i为实现晶圆键合和金属键合的示意图。

图中序号：下晶圆101、埋入孔102、绝缘层103、种子层104、焊盘层105、焊球106、焊锡膏107、上晶圆200、上晶圆绝缘层201、凸点202。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实施制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明所述植球工艺，包括以下步骤：

（1）如图1a-1所示，上面为上晶圆200，在上晶圆200的下表面沉积上晶圆绝缘层201，在上晶圆绝缘层201表面制作凸点202，凸点202采用电镀工艺制作，直径为1μm~1000μm，高度为1μm~700μm，材质为铜、钛、镍、金、银、钨、铝、锡等的一种或者几种；

（2）如图1a-2所示，下面为下晶圆101，在下晶圆101的上表面相对于凸点202的位置制作埋入孔102；制作埋入孔102的工艺为：先光刻定义出埋入孔102的位置，然后通过干法刻蚀出埋入孔102；所述埋入孔102的直径为1μm～1000μm，深度为1μm～700μm；

（3）如图1b所示，在下晶圆101的上表面和埋入孔102的内壁沉积绝缘层103，该绝缘层103的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝、碳化硅；

（4）如图1c所示，在绝缘层103的表面沉积种子层104，种子层104的材质是铜、钛、镍、金、银、钨、铝、锡等的一种或者几种，种子层104的厚度为10nm～100μm；在种子层104的表面电镀焊盘层105，焊盘层105的材质是铜、钛、镍、金、银、钨、铝、锡等的一种或者几种，焊盘层105的厚度为100 nm～200μm；

（5）如图1d所示，在埋入孔102的焊盘层105表面喷涂助焊剂，采用植球工艺在埋入孔102里植入焊球106，焊球106的直径为50μm～500μm，比埋入孔102的直径小10μm～100μm，焊球106的材质为锡球或者锡银球；

此处也可以如图1e所示，在埋入孔102里直接涂布焊锡膏107；

（6）如图1f所示，下晶圆101过回流焊，使焊球106或者焊锡膏107与埋入孔102里的焊盘层105结合，然后清洗去除助焊剂残留物；

（7）如图1g所示，采用湿法刻蚀工艺或者CMP工艺去除下晶圆101上表面的种子层104和焊盘层105，只保留绝缘层103，该绝缘层103可以与上晶圆绝缘层201实现键合；

（8）如图1h所示，采用键合工艺使上晶圆200和下晶圆101键合，加热到230度，使上晶圆200下表面的凸点202浸入到下晶圆101上表面的埋入孔102里；上晶圆200的下表面和下晶圆101的上表面接触后，升温至400度，使上晶圆200和下晶圆101实现直接键合；冷却后，同时实现上晶圆200和下晶圆101的键合以及金属间的键合，如图1i所示。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。