专利名称：晶圆级植球印刷填充通孔的转接板结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子封装技术领域，特别涉及一种利用植球印刷来实现硅通孔或玻璃通孔填充的转接板结构及其制作方法，以有效完成三维封装或者MEMS封装中采用TSV技术的互连结构。
背景技术：
随着人们对电子产品的要求向小型化、多功能、环保型等方向的发展，人们努力寻求将电子系统越做越小，集成度越来越高，功能越做越多，越来越强，由此产生了许多新技术、新材料和新设计，其中叠层芯片封装技术以及系统级封装(System-in-Package, SiP)技术就是这些技术的典型代表。
三维封装技术，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术，它起源于快闪存储器(N0R/NAND)及SDRAM的叠层封装。而娃穿孔(Through Silicon Via,TSV)是实现三维封装中的关键技术之一。这归因于TSV相对于传统的互联方式，可实现全硅封装，与半导体CMOS工艺相兼容，且可等比例增大元器件密度，减小互连延时问题，实现高速互联。硅基片TSV有其独特之处1)硅基片通孔孔径远小于印刷电路板通孔孔径；2)硅基片通孔的深宽比远大于印刷电路板通孔的深宽比；3)硅基片通孔的密度远大于印刷电路板通孔的密度。基于以上特点，硅基片微型通孔的加工有别于传统的通孔加工方法，因此其研究对MEMS和半导体工艺的发展起着极其重要的作用。传统TSV的制作工艺为1)采用深刻蚀的方法在硅基片或者硅转接板上刻蚀深孔；2)通过热氧化或者沉积的方法在硅深孔的表面形成Si02*SiN绝缘层，用于电学隔离；3)在绝缘层的表面再沉积用于粘附和阻挡金属扩散的的阻挡层，如TiN，Ti，Ta ；4)在阻挡层的表面再形成一层薄的金属铜层，用于电镀填铜时的种子层；5)在深孔中填充金属，用于导电连接，一般这种金属为金属铜，填充方法为电镀；6)对电镀过量的金属研磨抛光，平 整化；7)对硅片背面减薄露出TSV以形成通孔；8)制作金属重新分布层和凸点。但是，由于采用的工艺很多都是难以控制，对最终的产品的成品率也存在影响，甚至很多工艺仍然存在诸多问题，其中高深宽比的通孔铜种子层制作是一个关键难题。如果沉积种子层在孔底部覆盖率差，会造成电镀铜时出现空洞，形成不了通孔或严重影响可靠性。采用PECVD方法难以形成好的台阶覆盖率的种子层，ALD也存在沉积速度极慢不易产业化的缺点。另外有Alchimer公司研发一种全新的eG方法来形成质量好的种子层，主要通过电化学的方法来完成制程，原理复杂。而在填铜方面常规方法都是采用电镀填铜，但由于需要在深孔中填铜，一方面对种子层有很高的要求，另一方面也对电镀溶液和电流等控制有极严格的要求，而且在同一块板上同时对大小孔填充难以同时形成无孔洞无气泡的铜芯。另外，对于大孔径的通孔来说，电镀时间很长，成本高，效率低。由于这种传统的方法复杂，存在很多困难，对产品的成品率和可靠性造成极大的影响。各种新的工艺，材料以及填充方法也逐步被提出和讨论，例如采用金属钨，导电胶来填充TSV孔，采用化学镀或者电化学镀的方法来形成种子层以及填充金属，另外就是与本发明相关的采用直接在孔中填充金属纤料或者金属球的方法来完成填空，这种方法在大孔径的情况下能够有很好的应用。如专利US6589594B1提到，采用沉积钎料或其他导体材料进入硅通孔，回流后形成互连；而US 2006/0009029A1也提到，在硅孔中填入导电球体，施加压力形成互连；US2010/0144137A1利用毛细作用，互连上下结构同时完成填孔。但是这些方法均在工艺复杂，制备时间长和制作成本高的缺点。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用植球印刷来实现硅通孔或玻璃通孔填充的转接板结构及其制作方法，以有效完成三维封装或者MEMS封装中采用TSV技术的互连结构。(二)技术方案 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种转接板结构，包括垂直于该转接板表面的通孔；覆盖于该通孔的侧壁的至少一层绝缘层和一层金属层；嵌入于该通孔中的一个金属球或者金属球缺；覆盖于该通孔垂直方向一侧金属球或者金属球缺表面的钎料，且该钎料高出转接板表面；以及形成于该转接板内部金属球缺表面与钎料之间以及钎料与转接板侧壁金属层之间的金属间化合物；其中，所述该转接板通孔垂直方向另一侧的金属平面与该转接板平面在同一水平面，并通过重新布线和凸点与外部连接。一种制备转接板结构的方法，包括在硅片上表面通过刻蚀形成盲孔；在该盲孔的孔壁上制作绝缘层，或进一步在该盲孔的表面制作扩散阻挡层和润湿层；将金属球通过印刷直接植入该盲孔中；在金属球的上方涂覆一层助焊剂；将钎料球置于该金属球之上；高温回流，钎料熔化后润湿金属球，填满金属球和通孔之间的空隙，同时在表面形成凸点；将娃片翻转，使凸点一侧与支撑基体临时键合；对娃片背面减薄直至露出娃孔中部分金属球；制作重新分布层和凸点；以及拆掉该支撑基体获得带有金属填充通孔的硅片。—种制备转接板结构的方法，包括在玻璃片上表面通过刻蚀形成盲孔；在该盲孔的孔壁上制作扩散阻挡层和润湿层；将金属球通过印刷直接植入该盲孔中；在金属球的上方涂覆一层助焊剂；将钎料球置于该金属球之上；高温回流，钎料熔化后润湿金属球，填满金属球和通孔之间的空隙，同时在表面形成凸点；将玻璃片翻转，使凸点一侧与支撑基体临时键合；对玻璃片背面减薄直至露出硅孔中部分金属球；制作重新分布层和凸点；以及拆掉该支撑基体获得带有金属填充通孔的玻璃片。(三)有益效果本发明与常见的电镀填铜方法以及其他填铜方法相比有以下优点首先，本发明摆脱了传统电镀填铜中需要先制作种子层的困难，直接来完成填充步骤，使具体实施更加方便。第二，采用漏板印刷的方法将金属球或者纤料球来填充以及制作凸点的方法，可以避免传统方法填铜存在气泡空洞等问题，而且也消除了研磨抛光以及需要单独制作凸点
坐丁 f-Tj- I ■ r L O
第三，整个工艺采用的方法成本低，易于控制，便于大规模量产。第四，本发明提供的这种利用植球印刷来实现硅通孔或玻璃通孔填充的转接板结构及其制作方法，采用解决三维封装中制作TSV的关键技术，即直接植球形成金属铜球和纤料球，并采用印刷填充的方法用于导电的金属球填入TSV孔内，从而完成一次性填孔。
图Ia至图Ig是根据本发明完成植球印刷方法填充硅孔，从而完成TSV制作的流程示意图。其中101-以硅为基体的晶圆级硅载片，或者转接板，在本发明中为制作TSV的硅基版；102-在TSV的侧壁形成的绝缘层，粘附层和润湿层等表面处理层；103-用以填充TSV的铜球；104-用以纤料球与铜球以及焊盘很好结合的助焊剂；105-用以与铜球相连引出TSV以及制作凸点的纤料球；106-硅载片反面减薄时键合的临时支撑片；107-重新分布层；108-介电粘附层。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。为了有效完成三维封装或者MEMS封装中采用TSV技术的互连结构，本发明提供的这种转接板结构，包括垂直于该转接板表面的通孔；覆盖于该通孔的侧壁的至少一层绝缘层和一层金属层；嵌入于该通孔中的一个金属球或者金属球缺；覆盖于该通孔垂直方向一侧金属球或者金属球缺表面的钎料，且该钎料高出转接板表面；以及形成于该转接板内部金属球缺表面与钎料之间以及钎料与转接板侧壁金属层之间的金属间化合物；其中，所述该转接板通孔垂直方向另一侧的金属平面与该转接板平面在同一水平面，并通过重新布线和凸点与外部连接。其中，该转接板采用硅或玻璃制作而成，该通孔为垂直通孔或锥形通孔。当该转接板采用硅制作时，该通孔的侧壁沉积绝缘层，该绝缘层采用的材料至少包括SiyOx或SiyNx中的一种，X、Y为自然数。所述覆盖于该通孔的侧壁的金属层采用的材料为Ni、Au、Ta、Ti、Pt、Pd或TiN中的一种或几种。所述金属球缺采用的材料为Cu、W或Ni。所述覆盖于球缺表面的钎料采用Sn、In、或二元钎料SnAg、SnCu> SnBi> SnIn或InAg,或三元及多元钎料 SnAgCu, SnBiIn, Sn-1. 8Ag-0. 05Ni、Sn-0. 7Cu_0. OlNi-Ge,98. 5SnlAgO. 5CuO. 05Mn 或98. 5SnlAgO. 5CuO. 02Ce。所述重新布线时重新布线层采用的材料为Cu或Al。所述金属间化合物为一种或几种化合物的组合，该金属间化合物的成份包括侧壁金属材料的一种或几种，钎料成分中的一种或几种，以及金属球材料。本发明通过将铜球或钎料球印刷方法来进行对大孔径TSV的快速填孔，同时完成凸点制备。不同于其他的方法，本发明是直接对TSV盲孔填空，直接利用植球方法将制好的铜球填入TSV孔中，再在铜球上方植上钎料球，通过回流将盲孔填满，该方法消除了常规工艺中在填铜之后需要研磨抛光的工艺，也没有了普通电镀填铜沉积种子层的步骤，可以同时完成凸点制备，并且在背面减薄后可露出金属铜和钎料料，可以进一步制作再布线层和凸点制备。本发明最终实现一种方便且高效的填孔方法，主要应用于孔径较大尺寸的TSV，特别是锥形TSV。同样地,该方法也适用于玻璃通孔(through glass interposer)制备。由于玻璃为绝缘体，因此省去了绝缘层和阻挡层的制备。其他工艺流程和上述硅通孔填充完全一致。图Ia至图Ig是根据本发明完成植球印刷方法填充硅孔，从而完成TSV制作的流程不意图。步骤1，将如图Ia所示在以硅为基体的晶圆级硅载片，或者转接板101上形成锥形盲孔后，该硅基板厚度可为300-500微米，盲孔的深度可为30-150微米，直径为50-150微米。然后在孔壁形成一层绝缘层102，绝缘层可为热氧化或者沉积工艺形成，可为二氧化硅或者氮化娃。
步骤2,在绝缘层上制备润湿金属层，如Ni/Au, Ti/Au。其中Ni或Ti等金属层用来增强和绝缘层的粘结力，Au，Pt，Pd为润湿层，增加钎料润湿性。形成粘附润湿层的方法可为溅射，蒸镀，化学气象沉积等多种薄膜制备方法，主要保证在侧壁上部分形成润湿层即可。步骤3，通过印刷技术将植好的铜球103刷入盲孔中，球的直径取决于盲孔的直径，也相应在50-150微米之间，而印刷金属球时需要用到之前根据硅通孔版图而制作相应的漏板，。步骤4，如图Ib所示，在TSV孔中铜球103上方刷一层助焊剂104。改助焊剂可分为固体、液体和气体。主要起到辅助热传导，去除氧化物，降低被焊接材质表面张力，去除被焊接材质表面油污，增大焊接面积以及防止再氧化等几个方面的功能。其剂量主要取决于助焊剂的类型，以及孔径的大小以及铜球和连接纤料球106的大小等。步骤5，如图Ic所示，在TSV孔的铜球上方，待助焊剂刷完后，采用印刷方法将钎料球植于铜球之上，钎料球的成分可为Sn、SnAg> SnCu等一元或二元合金,合金化元素包括 Ag, Cu, Ni、Fe、Co、Mn、RE 等，例如 Sn-1. 8Ag-0. 05Ni ；Sn-0. 7Cu_0. OlNi-Ge ；98. 5SnlAgO. 5CuO. 05Mn ；98. 5SnlAgO. 5CuO. 02Ce等。该钎料球的大小以体积完全填满TSV孔并形成高于硅片的凸点为准。步骤6，如图Id所示，经高温回流后，钎料完全包覆在铜球的表面，并完全填满TSV孔，并在TSV的表面形成一个钎料凸点。回流的温度和时间取决于采用的纤料成分。步骤7，如图Ie所示，将硅载片倒置，通过介电粘附层108与一层临时支撑基体106键合相连。改支撑层可以为玻璃或者其他耐高温的陶瓷或者半导体样片。步骤8，如图If所示，将硅载片的上表面减薄，直至露出部分铜球。减薄的方式为化学机械研磨，并抛光表面。步骤9，如图Ig所示，通过光刻沉积等技术在硅载片上制作重新分布层和凸点，最后去掉临时支撑键合层106。将另外，金属铜球的中心也可由其他耐高温高压的聚合物等组成，或者其他导电良好的金属材料或者半导体材料组成，不局限于只是纯铜的金属球。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制 本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种转接板结构，其特征在于，包括 垂直于该转接板表面的通孔； 覆盖于该通孔的侧壁的至少ー层绝缘层和ー层金属层； 嵌入于该通孔中的ー个金属球或者金属球缺； 覆盖于该通孔垂直方向ー侧金属球或者金属球缺表面的钎料，且该钎料高出转接板表面；以及 形成于该转接板内部金属球缺表面与钎料之间以及钎料与转接板侧壁金属层之间的金属间化合物； 其中，所述该转接板通孔垂直方向另ー侧的金属平面与该转接板平面在同一水平面，并通过重新布线和凸点与外部连接。
2.根据权利要求I所述转接板结构，其特征在于，该转接板采用硅或玻璃制作而成，该通孔为垂直通孔或锥形通孔。
3.根据权利要求2所述转接板结构，其特征在干，当该转接板采用硅制作吋，该通孔的侧壁沉积绝缘层，该绝缘层采用的材料至少包括SiYOx或SiYNx中的ー种，X、Y为自然数。
4.根据权利要求I所述转接板结构，其特征在于，所述覆盖于该通孔的侧壁的金属层采用的材料为Ni、Au、Ta、Ti、Pt、Pd或TiN中的ー种或几种。
5.根据权利要求I所述转接板结构，其特征在于，所述金属球缺采用的材料为Cu、W或Ni。
6.根据权利要求I所述转接板结构，其特征在干，所述覆盖于球缺表面的钎料采用Sn、In、或ニ元钎料SnAg、SnCu > SnBi、SnIn或InAg,或三元及多元钎料SnAgCu, SnBiIn, Sn-1. 8Ag-0.05Ni、Sn-O. 7Cu_0. OlNi-Ge,98. 5SnlAgO. 5CuO. 05Mn 或98.5SnlAgO. 5CuO. 02Ce。
7.根据权利要求I所述转接板结构，其特征在于，所述重新布线时重新布线层采用的材料为Cu或Al。
8.根据权利要求I所述转接板结构，其特征在于，所述金属间化合物为ー种或几种化合物的组合，该金属间化合物的成份包括侧壁金属材料的ー种或几种，钎料成分中的ー种或几种，以及金属球材料。
9.ー种制备权利要求I所述转接板结构的方法，其特征在于，包括 在硅片上表面通过刻蚀形成盲孔； 在该盲孔的孔壁上制作绝缘层，或进ー步在该盲孔的表面制作扩散阻挡层和润湿层； 将金属球通过印刷直接植入该盲孔中； 在金属球的上方涂覆ー层助焊剂； 将钎料球置于该金属球之上； 高温回流，钎料熔化后润湿金属球，填满金属球和通孔之间的空隙，同时在表面形成凸点； 将硅片翻转，使凸点ー侧与支撑基体临时键合； 对硅片背面减薄直至露出硅孔中部分金属球； 制作重新分布层和凸点；以及 拆掉该支撑基体获得带有金属填充通孔的硅片。
10.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述盲孔为锥形或矩形。
11.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述金属球直径与所述盲孔中心直径大小相近。
12.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述绝缘层采用的材料至少包括SiYOx或SiYNx中的ー种，X、Y为自然数。
13.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述在该盲孔的表面制作的扩散阻挡层采用的材料为Ni、Ti、TiN或Ta，所述在该盲孔的表面制作的润湿层采用的材料为Au、Pt或Pd。
14.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述将金属球通过印刷直接植入该盲孔中，是通过直接印刷或漏板印刷方式完成的。
15.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述在金属球的上方涂覆ー层助焊剂的步骤中，助焊剂是通过漏板印刷到金属球上的。
16.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述将钎料球置于该金属球之上的步骤中，钎料球是通过漏板印刷到金属球上的。
17.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，经高温回流后，钎料完全包覆在金属球的表面，并完全填满TSV孔，并在TSV的表面形成钎料凸点。
18.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在干，所述支撑基体为玻璃、陶瓷或半导体片，经过高温高压以及特别的临时键合胶或者光敏胶与硅片正面键合在一起。
19.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述对硅片背面减薄采用化学机械研磨的方法，研磨到以露出部分金属球为准。
20.根据权利要求19所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述硅片被减薄到300微米以下。
21.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述制作重新分布层和凸点，采用光刻、沉积和电镀エ艺。
22.根据权利要求9所述制备转接板结构的方法，其特征在于，所述拆掉该支撑基体采用高温高压、特殊的化学腐蚀剂或者光照。
23.ー种制备权利要求I所述转接板结构的方法，其特征在于，包括 在玻璃片上表面通过刻蚀形成盲孔； 在该盲孔的孔壁上制作扩散阻挡层和润湿层； 将金属球通过印刷直接植入该盲孔中； 在金属球的上方涂覆ー层助焊剂； 将钎料球置于该金属球之上； 高温回流，钎料熔化后润湿金属球，填满金属球和通孔之间的空隙，同时在表面形成凸点； 将玻璃片翻转，使凸点ー侧与支撑基体临时键合； 对玻璃片背面减薄直至露出硅孔中部分金属球； 制作重新分布层和凸点；以及拆掉该支 撑基体获得带有金属填充通孔的玻璃片。
全文摘要
本发明涉及晶圆级植球印刷填充通孔的转接板结构及其制作方法。本发明公开了一种转接板结构，包括垂直于该转接板表面的通孔；覆盖于该通孔的侧壁的至少一层绝缘层和一层金属层；嵌入于该通孔中的一个金属球或者金属球缺；覆盖于该通孔垂直方向一侧金属球或金属球缺表面的钎料，且该钎料高出转接板表面；以及形成于该转接板内部金属球缺表面与钎料之间以及钎料与转接板侧壁金属层之间的金属间化合物；其中，所述该转接板通孔垂直方向另一侧的金属平面与该转接板平面在同一水平面，并通过重新布线和凸点与外部连接。本发明同时公开了一种制备转接板结构的方法。本发明采用漏板印刷的方法将金属球或者纤料球来填充以及制作凸点的方法，避免传统方法填铜存在气泡空洞等问题，而且也消除了研磨抛光以及需要单独制作凸点等工艺。
文档编号H01L23/485GK102683309SQ20111006144
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者于大全, 王惠娟 申请人:中国科学院微电子研究所