低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体封装技术领域，具体是涉及一种低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着物联网，智能移动终端小型化、多功能化的需求，、三维集成，特别是基于硅通孔(TSV)的晶圆级封装技术扮演越来越重要的角色。
[0003]中国专利201520550505.5提出一种硅通孔互连结构，包括硅基体和若干个硅通孔，所述硅基体的上面设置半导体工艺层，所述硅通孔上下贯穿硅基体，并填充金属形成金属柱，所述金属柱与半导体工艺层形成电气连通，所述金属柱与硅通孔的内壁之间设置钝化层I，在金属柱和钝化层的的下表面设置金属块，金属块将硅通孔完全覆盖，在金属块周围和硅基体的下表面覆盖钝化层II，并设置金属块开口露出金属块的下表面，在钝化层II上选择性的重布线金属层，并在再布线金属层的表面覆盖保护层，开设保护层开口，该方案能够很好的解决之前将金属柱露出采用化学-机械抛光造成的漏电问题，同时提高了封装的可靠性。但是该工艺复杂，成本高，对于不是金属柱的结构不再适用。
[0004]中国专利201210570600.2公开了一种基于化学镀镍合金的通孔填充方法及其应用，首先在基体上制备通孔，然后在通孔的侧壁表面上直接或间接地通过化学镀的方法制备化学镀镍合金层，再以化学镀镍合金层作为种子层进行电镀填充。本发明提出一种通过化学镀镍合金作为通孔的阻挡层和电镀的种子层的技术，此技术可以实现阻挡层和种子层的一体化，可以简化传统的工艺流程，大大节省成本;通过化学镀的方法，在高深径比的通孔内可以使镀膜分布更加均匀，有效避免离子溅射方法产生的“盲区”，这有利于获得完整的电镀填充效果。该方法用于微电子三维封装的硅通孔互连技术，或者用于玻璃或树脂基体的通孔连接技术，但是该技术中的通孔侧壁也需要化镀，增加了工艺的难度，可靠性较低。
[0005]后通孔(Vialast)技术是硅通孔技术中成本较低的方案。主要的工艺步骤包括芯片背面减薄，硅刻蚀，硅背面和侧壁绝缘层制备，焊垫介质层开口，金属填充，植球等工艺。但半导体工业发展一直在追求保证可靠性的前提下，降低成本。后通孔技术也需要进一步降低成本。
[0006]目前，主要通过降低3D纵向叠加的高度，并降低TSV所需的孔深，为TSV制造技术的应用减少障碍，降低成本。从降低成本角度看，后通孔(Via last)技术的深孔物理气相沉积，电镀，背面再布线是主要的成本构成。此外，后通孔(Via last)技术形成的硅通孔结构通常是部分填充方式，孔底和焊垫连接部分较薄，容易造成分层、断裂等问题，且无介质层填充保护会导致金属的氧化，腐蚀以及应力造成的失效;此外，芯片焊垫较为密集时，硅通孔电性扇出时也存在连接可靠性的问题。
【发明内容】
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提出一种低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构及其制备方法，不需要化镀硅通孔侧壁，并可避免使用深孔物理气相沉积及深孔电镀，还可以提高硅通孔外接点扇出到芯片背面时连接的可靠性，具有成本低、工艺简单和可靠性高等优点。
[0008]本发明的技术方案是这样实现的:
[0009]一种低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构，包括至少一正面带有焊垫的芯片，所述芯片背面形成有对应所述焊垫的通孔，所述通孔的底部开口暴露所述焊垫;所述芯片背面及所述通孔的侧壁上覆盖有绝缘层，靠近所述通孔的顶部开口的绝缘层上及所述芯片背面铺设有至少一层金属线路层;所述芯片背面上的金属线路层上形成有钝化层，所述钝化层上开设有预植焊球的开口，所述通孔的底部开口暴露的焊垫表面上、所述通孔的顶部开口处的金属线路层上及所述开口内的金属线路层上采用化镀的方法形成有一定厚度的金属层;所述通孔内采用非电镀的方法填充满了导电材料，所述开口内的金属层上植有焊球。
[0010]进一步的，所述通孔为直孔或斜孔或直孔与斜孔的组合。
[0011]进一步的，所述金属层为一层金属或多层金属，每层金属的材质为镍、镍磷、银、铜、钴、金、钯中的一种。
[0012]进一步的，所述导电材料为导电胶或金属焊料。
[0013]进一步的，所述焊球与所述金属线路层之间以及所述导电材料与所述金属线路层形成有焊接扩散阻挡层和润湿金属层。
[0014]一种低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构的制备方法，包括如下步骤:
[0015]a、提供一包括至少一芯片的晶圆，所述芯片正面带有焊垫和介质层，所述焊垫嵌入在所述介质层中，将所述芯片背面与一载片临时键合在一起；
[0016]b、通过光刻工艺在键合后的芯片背面与焊垫对应的位置制作通孔，所述通孔的底部开口暴露出所述介质层；
[0017]c、在所述芯片背面及所述通孔内沉积一层绝缘层；
[0018]d、刻蚀所述通孔底部的绝缘层及介质层，暴露出所述通孔对应的焊垫背面;并在靠近所述通孔的顶部开口及所述芯片背面的绝缘层上铺设金属线路，形成至少一层金属线路层；
[0019]e、在所述芯片背面上的金属线路层上铺设一层钝化层，所述钝化层上开设有预植焊球的开口 ；
[0020]f、在所述通孔的底部开口暴露的焊垫表面上、所述通孔的顶部开口处的金属线路层上及所述开口内的金属线路层上化镀金属，形成具有一定厚度的金属层；
[0021]g、利用焊料回流的方式在所述通孔内填充满导电材料，并所述开口内的金属层上植有焊球；
[0022]h、解键合，晶圆切割，形成单颗芯片的低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构。
[0023]进一步的，所述绝缘层的制备采用低温化学汽相沉积或聚合物喷涂或聚合物旋涂的方法。
[0024]进一步的，步骤d中刻蚀为等离子体干法刻蚀。
[0025]进一步的，所述导电材料通过植球后回流填充形成或通过焊膏印刷后回流填充后固化形成。
[0026]进一步的，所述导电材料通过导电胶印刷方法填充后固化形成或通过导电胶点胶方法填充后固化形成。
[0027]本发明的有益效果是:
[0028]本发明提供一种低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构及其制备方法，通过在芯片背面形成金属线路层，将硅通孔的外接点扇出到了芯片背面，且通过在通孔的底部开口暴露的焊垫表面上、通孔的顶部开口处金属线路层上及所述开口内的金属线路层上采用化镀的方法形成一定厚度的金属层，并在通孔内采用非电镀的方法填充满导电材料，可以增强导电材料与焊垫之间连接、导电材料与金属线路层之间连接以及金属线路层与焊球之间连接的可靠性，解决部分填充孔底与焊垫连接部分较薄，金属线路层与导电材料连接以及金属线路层与焊球连接不可靠，造成的分层、断裂等可靠性问题；由于该制备方法只化镀了硅通孔底部而没有化镀硅通孔的侧壁，因此，大大降低了工艺的难度，可靠性较高;且导电材料采用非电镀的焊料回流填充或导电胶印刷/点胶填充形成，避免了使用深孔物理气相沉积及深孔电镀，大大降低了后通孔(Via last)技术的工艺成本，因此，本发明具有成本低、工艺简单和可靠性高等优点。
【附图说明】
[0029]图1为本发明晶圆与载片键合后的结构示意图；
[0030]图2为本发明在晶圆背面对应焊垫位置刻蚀硅通孔的结构示意图；
[0031 ]图3为本发明在晶圆背面整面制备绝缘层的结构示意图；
[0032]图4为本发明刻蚀去除通孔底部绝缘层及介质层，露出焊垫背面，并形成金属线路层的结构示意图；
[0033]图5为本发明在晶圆背面形成钝化层，并开设预植焊球的开口的结构示意图；
[0034]图6为本发明在通孔底部焊垫背面上、通孔顶部开口及预植焊球开口内化镀金属层的结构示意图；
[0035]图7为本发明利用焊料回流或导电胶填充的方式填充硅通孔的结构示意图；
[0036]图8本发明晶圆与载片解键合并晶圆切割后的结构示意图；
[0037]图9为本发明中硅通孔为斜孔时的结构示意图；
[0038]图10为本发明一应用实例结构不意图；
[0039]图11为本发明另一应用实例结构不意图；
[0040]1-芯片，101-焊垫，102-介质层，2-载片，3_通孔，4_绝缘层，5_金属线路层，6-钝化层，7-开口，8-金属层，9-导电材料，10-焊球，11 一键合胶，12—空腔，13-盖板
【具体实施方式】
[0041]为使本发明能够更加易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。
[0042]如图8所示，一种低成本晶圆级芯片尺寸硅通孔互连结构，包括至少一正面带有焊垫101的芯片1，所述芯片背面形成有对应所述焊垫的通孔3，所述通孔的底部开口暴露所述焊垫且尺寸小于所述焊垫的尺寸;所述芯片背面及所述通孔的侧壁上覆盖有绝缘层4，靠近所述通孔的顶部开口的绝缘层上及所述芯片背面铺设有至少一层金属线路层5;所述芯片背面上的金属线路层上形成有钝化层6，所述钝化层上开设有预植焊球的开口 7，所述通孔的底部开口暴露的焊垫表面上、所述通孔的顶部开口处的金属线路层上及所述开口内的金属线路层上采用化镀的方法形成有一定厚度的金属层8;所述通孔内采用非电镀的方法填充满了导电材料9，所述开口内的金属层上植有焊球10。
[0043]这样，通过在芯片背面形成金属线路层，将硅通孔的外接点扇出到芯片背面，并通过在通孔的底部开口暴露的焊垫表面上、通孔的顶部开口处金属线路层上及所述开口内的金属线路层上采用化镀的方法形成一定厚度的金属层，并在通孔内采用非电镀的方法填充满导电材料，可以增强导电材料与焊垫之间连接、