一种高密度芯片三维堆叠键合的结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体封装技术领域，特别是一种高密度芯片三维堆叠键合的结构及其制备方法。

背景技术：

随着人工智能(ai)与大数据(bigdata)时代的到来，对由高性能计算芯片所组成的模块的需求越来越大，在这样的一个模块或者功能模组中，不同的芯片之间需要传输和高速交互处理的数据量非常巨大。这与当下被广泛提及的小芯片模式(chipletintegration)的发展需求类似，在由多个小芯片构成的功能模组中，不同的小芯片之间同样也需要高速交互处理和传输大量的数据。同时，为了保持芯片和模组的小型化以及低功耗，芯片和模组的面积与体积又需要尽可能的小，所以该类芯片的集成度变得越来越高，也就是芯片的信号铜焊盘的密度越来越大，信号铜焊盘的大小和间距越来越小(只有几个微米)。为了把这种信号铜焊盘大小和间距都非常小的芯片之间以较短的距离互联在一起(即高速互联)，业界常常采用将芯片直接面对面堆叠在一起，或者使用一颗所谓的“桥接芯片”与所需要互联的芯片面对面堆叠(facetoface)的方式来达到芯片之间高速互联的目的。

目前针对此类高密度芯片的面对面堆叠键合，业界常常采用的方法有以下几种：

(1)在芯片的铜焊盘凸点之间涂覆锡膏的方式来实现铜焊盘凸点的键合。这种方法简单易行，但是由于在铜焊盘凸点之间额外增加了锡膏这种材质不同的物体，导致互联路径的直径不均匀、材质不统一、所以信号的传输速度和质量受到影响。

(2)或者使用高温热压扩散法来实现铜焊盘凸点的键合。此方法可以实现在芯片的铜焊盘凸点之间进行直接键合，信号传输质量较好。但是这种热压扩散键合需要在较高的温度下(通常350度以上)才能完成，而高温会损伤芯片和封装体中的有机物材料，产生封装体变形、有机物性能退化、芯片偏移等诸多问题。

(3)或者使用低温热压法外加填充底胶的方式，此方法用于在较低温度下(300度以下)实现铜焊盘凸点的直接键合，较为简单快捷。但在针对高密度芯片的堆叠键合时常常出现工艺可靠性问题，这是因为高密度芯片的铜焊盘凸点的间距非常小(只有几个微米)，底胶的填充性能受到了很大限制，以至于底胶不能很好地去填充焊盘间隙，导致芯片键合后的机械稳定性较差。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有的芯片堆叠技术采用锡膏结合的方式影响信号传输，采用高温热压扩散法的方式会损伤芯片，以及采用低温热压法的方式工艺可靠性不够的问题。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

一种高密度芯片三维堆叠键合的结构，包括被塑封体塑封的至少两个预处理芯片，预处理芯片的铜焊盘面相对设置并至少有一组对应的铜焊盘通过铜焊盘外延直接进行键合，预处理芯片包括芯片，在芯片铜焊盘面铺设的外露出铜焊盘的介电层、在介电层上设置的外露出铜焊盘的有机聚合物层以及被有机聚合物层及介电层包裹的铜焊盘外延。

进一步地，芯片的铜焊盘自介电层和有机聚合物层形成的通道内延伸至有机聚合物层的表面，形成铜焊盘外延，使得有机聚合物层包裹在铜焊盘外延的周边。

进一步地，完成铜焊盘外延键合的预处理芯片组，对应的键合后的铜焊盘外延边的有机聚合物层也键合成为统一的整体。

进一步地，包括被塑封体塑封的n个铜焊盘面同向的预处理芯片以及用于进行桥接的(n-1)个和预处理芯片铜焊盘面相向设置的桥接芯片，每个桥接芯片的铜焊盘采用和预处理芯片相同的设计和引出方式，且每个桥接芯片的铜焊盘外延分别和在所需进行互联的两个相邻预处理芯片的对应铜焊盘外延键合。

进一步地，所述包裹后的铜焊盘外延和有机聚合物层间，以及包裹后的铜焊盘外延和介电层间填充有金属钛层。

一种高密度芯片三维堆叠键合的结构的制备方法，包括以下步骤：

1)芯片在前段制造完成并开始进行封装时，作为信号铜焊盘的铜焊盘被表面的介电层所覆盖，介电层在铜焊盘的位置处有开孔；

2)在芯片上方涂覆光敏性的有机聚合物层，并在铜焊盘所在的区域进行曝光开孔，形成凹槽；

3)使用等离子体溅射的方式淀积一薄层的铜种子层；

4)在铜种子层上方涂覆光刻胶，并进行曝光显影，在铜焊盘区域上方的有机聚合物凹槽处开孔，露出凹槽底部的铜钟子层；

5)使用电化学镀的方法，在有机聚合物层的凹槽内沉积铜，形成被有机聚合物所包裹的铜焊盘外延；

6)使用湿法刻蚀的方法去除光刻胶以及光刻胶下方的铜种子层；

7)对有机聚合物层进行低温的软烘烤，使其具有初步的机械热固性，然后研磨其上表面，使其上表面与被包裹的铜焊盘外延的上表面平齐；

8)使用氩气等离子体刻蚀的方法，进行表面处理，去除铜焊盘外延表面的氧化物杂质，同时也对铜焊盘外延的表面和有机聚合物层的表面进行粗糙化处理，形成预处理芯片；

9)将所需键合的预处理芯片铜焊盘面对铜焊盘面对接，铜焊盘外延之间对准位置；

10)把预处理芯片放于承载台上，将其加热到160～220度，施加压合力并保持10～40min，压合力为50～300n，使上下两颗预处理芯片的铜焊盘外延之间生成键合结构；

11)对完成键合的预处理芯片进行热烘烤，温度保持200～250度，持续20～60min，使得上下两颗芯片的有机聚合层完成固化并相互键合。

进一步地，所述步骤7)中，软烘烤的温度区间为100～180度，持续10～30min。

进一步地，所述步骤8)结束后，使用氮气等离子体表面处理的方法，在铜焊盘外延表面生成cun化合物。

有益效果：本发明与现有技术相比：

1)在结构上更加稳定，实现了不同芯片上的铜焊盘之间的直接键合与互联，具有互联路径短、信号传输速度和传输质量高的特点；

2)在不同芯片的铜焊盘之间的互联路径上，无需额外加入诸如锡膏等不同的材质，所以铜焊盘互联后的稳定性更好；

3)实现了在较低温度下(250度以下)的铜焊盘之间的稳定键合，避免了在传统的热压扩散方法中由于键合时的高温而导致的封装体热变形、有机物热退化、芯片偏移等问题，提高了芯片封装的良率和可靠性；

4)相比于传统的键合方法，本发明在完成铜焊盘的键合之后无需再使用底胶来填充铜焊盘凸点的间隙(因为有机聚合层已经完全包裹了铜焊盘凸点，且所键合芯片之间的有机聚合层已经形成了稳定的键合，具有稳固的机械结构)，避免了高密度芯片在底胶填充时遇到的工艺限制。

附图说明

图1为本发明实施例1的产品结构示意图；

图2为本发明实施例2的产品结构示意图；

图3为本发明步骤1完成后的结构示意图；

图4为本发明步骤2完成后的结构示意图；

图5为本发明步骤3完成后的结构示意图；

图6为本发明步骤4完成后的结构示意图；

图7为本发明步骤5完成后的结构示意图；

图8为本发明步骤6完成后的结构示意图；

图9为本发明步骤7完成后的结构示意图；

图10为本发明步骤8完成后的结构示意图；

图11为本发明步骤10.1完成后的结构示意图；

图12为本发明步骤10.2完成后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地说明。

实施例1

如图1所示，一种高密度芯片三维堆叠键合的结构，包括被塑封体9塑封的至少两个预处理芯片，预处理芯片的铜焊盘110面相对设置并至少有一组对应的铜焊盘110通过铜焊盘外延5直接进行键合，预处理芯片包括芯片7，在芯片7铜焊盘110面铺设的外露出铜焊盘110的介电层120、在介电层120上设置的外露出铜焊盘110的有机聚合物层2以及被有机聚合物层2和介电层120包裹的铜焊盘外延5。

芯片7的铜焊盘110自介电层120和有机聚合物层2形成的通道内延伸至有机聚合物层2的表面，形成铜焊盘外延5，使得有机聚合物层2包裹在铜焊盘外延5的周边。

完成铜焊盘外延5键合的预处理芯片组，对应的键合后的铜焊盘外延5边的有机聚合物层2也键合成为统一的整体。

所述包裹后的铜焊盘外延5和有机聚合物层2间，以及包裹后的铜焊盘外延5和介电层120间填充有金属钛层(未图示)。

实施例2

如图2所示，相对于实施例，修改预处理芯片为两个且采用桥接芯片12进行桥接，被塑封体9塑封的2个铜焊盘110面同向的预处理芯片以及用于进行桥接的1个和预处理芯片铜焊盘110面相向设置的桥接芯片12，每个桥接芯片12的铜焊盘110采用和预处理芯片相同的设计和引出方式，且每个桥接芯片12的铜焊盘外延5分别和在所需进行互联的两个相邻预处理芯片的对应铜焊盘外延5键合。

实施例3

如图3～12所示，一种高密度芯片三维堆叠键合的结构的制备方法，包括以下步骤：

1)芯片7在前段制造完成并开始进行封装时，其结构通常如图3所示，作为信号引脚的铜焊盘110通常被表面的介电层120所覆盖，介电层120在铜焊盘110的位置处有开孔。

2)首先，在芯片7上方涂覆光敏性的有机聚合物层2，并在铜焊盘110所在的区域进行曝光开孔，形成凹槽，如图4所示。

3)使用等离子体溅射的方式淀积一薄层的铜种子层3，如图5所示，为了增强铜种子层的粘附性，通常会在其下方先淀积一层金属钛(图中未示出)。

4)在铜种子层3上方涂覆光刻胶4，并进行曝光显影，以便在铜焊盘110区域上方的有机聚合物2凹槽处开孔，露出凹槽底部的铜钟子层3，如图6所示。

5)使用电化学镀的方法，在有机聚合物层2的凹槽内沉积铜，如图7所示，该部分铜与芯片7的铜焊盘110相连接，形成铜焊盘外延5，该铜焊盘外延5被有机聚合物层2所包裹。

6)使用湿法刻蚀的方法去除光刻胶4以及光刻胶下方的铜种子层3，如图8所示。

7)对有机聚合物层2进行温度在100～180度范围的低温的软烘烤，持续10～30min，使其具有初步的机械热固性，然后研磨其上表面，使其上表面与包裹的铜焊盘外延5的上表面平齐，如图9所示。

8)然后，使用氩气(ar)等离子体刻蚀的方法，进行表面处理，去除铜焊盘外延5表面的氧化物杂质，同时也对铜焊盘外延5的表面和有机聚合物层2的表面进行粗糙化处理，如图10所示。

9)接着，使用氮气(n2)等离子体表面处理的方法，在铜焊盘外延5表面生成些许cun化合物(图中未示出)，这些cun化合物将在后续铜焊盘之间键合的步骤中帮助形成更稳定的键合结构。

步骤1～9为完成对预处理芯片的预处理，对于所需要进行面对面键合的预处理芯片，键合过程详细步骤如下：

10.1)将所需键合的预处理芯片铜焊盘110面对铜焊盘110面(facetoface)对接，铜焊盘110之间对准位置，如图11所示，上下两颗预处理芯片紧密对接。

10.2)把预处理芯片放于承载台6上，将其加热到160～220度，施加压合力并保持10～40min，压合力为50～300n，使上下两颗芯片的铜焊盘110之间生成键合结构，如图12所示。

10.3)对预处理芯片进行热烘烤，温度为200～250度，持续20～60min，使得上下两颗芯片的有机聚合层2完成固化并相互键合。

这样便在面对面对接的预处理芯片之间(具体的，是铜焊盘与铜焊盘之间，而且有机聚合层与有机聚合层之间)形成了稳定、牢固的键合结构。