专利名称：一种硅通孔互连结构的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子封装领域，具体讲，涉及一种硅通孔互连(TSV)的制作方法。
背景技术：
基于硅通孔(Through Silicon Via，TSV)互连的三维集成技术可以提供垂直方向的电学信号互连，降低连线的寄生参数，提高系统的工作速度，降低功耗。另外，它还可以提供高密度的封装形式，减小微电子系统的面积、体积和重量，在便携式设备或对面积、体积和重量有苛刻要求的领域有广泛的应用前景。硅通孔互连的制作工艺，包括硅通孔刻蚀、硅通孔侧壁绝缘层淀积、硅通孔填充以及凸点制作等步骤。目前公开的技术方案中，硅通孔侧壁绝缘层沉积方法有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，电感耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-CVD)等。硅通孔填充方法有自底向上电镀铜填充(Bottom-up)、电镀铜保型填充(conformal)、化学气相沉积钨填充等。电镀填充硅通孔工艺过程会产生铜凸起(overloading)，公开的技术方案中一般采用类似集成电路制造工艺中的铜大马士革工艺的方法去除铜凸起。与集成电路制造工艺的铜大马士革工艺相比，硅通孔电镀铜填充产生的铜凸起在几微米至几十微米量级，这给铜平坦化工艺带来较大的技术挑战，一方面要求铜平坦化工艺提供较高的去除速率，另一方面要求铜平坦化工艺尽量降低对其下的钝化层或衬底硅层的损伤，而这两方面的需求是彼此矛盾的。另外，如何对种子层沉积工艺、电镀铜填充工艺等工艺在线监测对提高成品率、降低成本具有重要意义。
发明内容
针对现有硅通孔互连制作工艺中铜平坦化工艺面临的技术挑战、硅通孔互连制作工艺监测困难，本发明的目的在于提供一种硅通孔(Through Silicon Via, TSV)互连制作方法，如图1(a)所示，其步骤包括步骤1、提供一半导体晶圆，半导体晶圆一面已完成微电子电路制作。临时粘接硅晶圆正面至玻璃晶圆(硅晶圆正面指含有微电子电路芯片的一面)；步骤2、减薄、抛光硅晶圆背面至一定厚度。制作硅通孔刻蚀掩膜，制作硅通孔；步骤3、在硅晶圆背面沉积绝缘层、种子层；可以通过步骤1的玻璃晶圆，对种子层沉积效果进行监测；步骤4、制作电镀铜掩膜；电镀铜填充硅通孔，去除光刻胶、种子层。可以通过步骤 1的玻璃晶圆，对电镀铜填充效果进行监测；步骤5、临时粘接硅晶圆背面至另一辅助晶圆，剥离玻璃-硅晶圆。在暴露的硅晶圆正面制作重新布线层，电连接硅通孔互连与微电子电路芯片，制作焊盘。步骤6、剥离硅晶圆，分割微电子芯片。优选地，步骤4，电镀铜后电镀锡、或电镀银锡、或电镀镍锡，制作铜锡、或者铜银锡微凸点。
优选地，步骤6包含将2个或以上的微电子电路芯片垂直堆叠，一微电子电路芯片铜微凸点与另一微电子电路芯片焊盘键合。优选地，2个或2个以上的芯片堆叠之间存在高分子有机物填充。优选地，采用一种有机高分子材料临时粘接硅晶圆。优选地，采用机械减薄和化学机械抛光相结合的方法(CMP)减薄、抛光硅晶圆。本发明公开了一种硅通孔(Through Silicon Via,TSV)互连制作方法，如图1(b) 所示，其步骤包括步骤1-1、提供一半导体晶圆，一面已经完成微电子电路制作。在半导体晶圆正面制作盲孔。半导体晶圆正面指含有微电子电路芯片的一面。步骤1-2、沉积金属层至半导体晶圆正面，包括盲孔侧壁部分。图形化金属层，制作微电子芯片焊盘与盲孔侧壁之间的电连接。步骤1、临时粘接半导体晶圆正面至玻璃晶圆(半导体晶圆正面指含有微电子芯片的一面)。步骤2、减薄硅晶圆背面至一定厚度。制作硅通孔与半导体晶圆正面盲孔实现贯
ο步骤3、在硅晶圆背面沉积铜种子层；可以通过步骤1的玻璃晶圆，对种子层沉积效果进行监测。步骤4、制作电镀铜掩膜；电镀铜填充硅通孔，去除光刻胶、种子层；可以通过步骤 1的玻璃晶圆，对电镀铜填充效果进行监测。步骤5、分离半导体晶圆与玻璃晶圆，分割微电子芯片。优选地，步骤1-2包含在半导体晶圆正面沉积钝化层，图形化钝化层工艺。优选地，步骤1-2半导体晶圆正面盲孔可以在半导体晶圆微电子电路芯片的互连钝化层；或穿通微电子电路芯片的互连钝化层至硅衬底一定深度；或穿通微电子电路芯片的互连钝化层和硅衬底。优选地，步骤3包含沉积阻挡层的工艺。优选地，步骤3包括硅通孔侧壁制作绝缘层工艺。优选地，步骤4，电镀铜后电镀锡，或电镀银锡，或电镀镍锡，制作铜锡、或者铜银锡、或者铜镍锡微凸点。优选地，步骤5包含将2个或以上的微电子电路芯片垂直堆叠，一微电子电路芯片铜微凸点与另一微电子电路芯片焊盘键合。优选地，临时粘接硅晶圆采用一种有机高分子材料。优选地，减薄硅晶圆采用机械减薄和化学机械抛光相结合的方法(CMP)。与现有技术相比，本发明的技术效果为该发明公开的技术方案免除铜平坦化工艺，同时方便进行种子层沉积效果、电镀填充效果监测，有效降低了工艺的技术难度，有利于提高成品率，降低工艺成本。
图1 (a)、图1 (b)为本发明硅通孔互连的制作方法流程图；图2(a) (h)为实施例一的制作方法流程图3(a) (h)为实施例二的制作方法流程图。
具体实施例方式实施例一本发明公开了一种硅通孔互连结构的制作方法，如图2所示，具体如下步骤一、提供一硅晶圆100，正面110已完成微电子电路制作，微电子电路芯片存在焊盘111。采用有机高分子材料112临时粘接硅晶圆正面至玻璃晶圆200(硅晶圆正面指含有微电子芯片的一面)。有机高分子材料旋涂在玻璃晶圆或硅晶圆正面，在50摄氏度至 150摄氏度预固化，在100摄氏度至250摄氏度，一定压力下键合。步骤二、在硅晶圆背面减薄硅晶圆至目标厚度约50微米至250微米。减薄可以采用机械减薄与化学机械抛光相结合的方法，亦可采用化学腐蚀(TMAH或Κ0Η)或刻蚀方法实现。光刻，旋涂光刻胶，采用透过玻璃晶圆观测的微电子电路的对准标记进行对准、曝光、显影，制作硅通孔刻蚀掩膜，深度反应离子刻蚀(DRIE)硅晶圆至硅晶圆微电子电路芯片的互连层(介质层)、表面钝化层，反应离子刻蚀硅晶圆微电子电路芯片的互连层、表面钝化层， 最后去除光刻胶，形成硅通孔101，如图2-(a)。步骤三、在硅晶圆背面等离子体增强化学气相沉积二氧化硅(SiO2),形成晶圆背面、硅通孔侧壁以及底部的绝缘层102，如图2(b)所示。然后溅射钛钨金属层(TiW)JH (Cu) 形成阻挡层、电镀种子层103，如图2-(c)所示。绝缘层亦可采用其他半导体工艺常用绝缘材料，沉积方法可以采用物理气相沉积或其他半导体薄膜沉积技术。阻挡层、种子层亦可采用其他材料，沉积方法可以采用半导体薄膜沉积技术如ALD等。步骤四、在硅晶圆背面旋涂光刻胶，或热压干膜，光刻曝光、显影，制作电镀铜掩膜 120，如图2-(d)所示。电镀铜保型填充硅通孔，形成带微凸点的铜金属柱104。在104上电镀锡形成微凸点焊接层105。去除光刻胶120、微凸点周围的种子层、阻挡层103，如图2-(e) 所示。电镀铜掩膜亦可以喷涂液体光刻胶，或热压粘贴光敏薄膜实现。电镀铜填充硅通孔之后，亦可以电镀其他金属焊接材料，如银锡合金等，制备焊接层105。步骤五、临时粘接硅晶圆背面至另一辅助晶圆300，剥离玻璃晶圆200。反应离子刻蚀硅通孔底部绝缘层102，暴露硅通孔互连(TSV)的103层；亦可以采用其他湿法腐蚀方法去除硅铜孔底部绝缘层102，如图2-(f)。制作重新布线层，硅通孔互连与微电子芯片实现电互连，制作该重新布线层的焊盘。重新布线层金属层可以采用铝、铜等金属，绝缘层可以采用二氧化硅、氮化硅、BCB、PI等绝缘材料。步骤六、剥离硅晶圆300，分割硅晶圆，分离微电子电路芯片，如图2_(g)所示。硅晶圆的分割可以采用机械分割、或激光分割，亦可采用半导体行业其他常用分割技术。步骤七、逐层堆叠微电子芯片，微凸点105与微电子芯片正面通过重新布线层的焊盘热压键合。下填充有机物至堆叠的微电子芯片之间，如图2-(h)。实施例二本发明公开了一种硅通孔互连结构的制作方法，如图3所示，具体如下步骤一、提供一硅晶圆100，正面110已完成微电子电路芯片制作，微电子电路芯片存在焊盘111。在晶圆正面制作盲孔。蒸发金属层铜、或铝至半导体晶圆正面，包括盲孔侧壁部分。利用蒸发技术台阶保型覆盖差的技术特征，盲孔侧壁将沉积部金属，而底部、底部侧壁无金属覆盖。图形化铜金属层，制作微电子芯片焊盘111与盲孔侧壁之间的电连接 114，如图3_(a)所示。图形化方法可以采用湿法腐蚀或者剥离的方法实现。半导体晶圆正面盲孔可以在半导体晶圆微电子电路芯片的互连钝化层；或穿通微电子电路芯片的互连钝化层至硅衬底一定深度；或穿通微电子电路芯片的互连钝化层和硅衬底。盲孔制作方法可以采用反应离子刻蚀硅晶圆表面微电子电路芯片的表面钝化层、互连层和深度反应离子刻蚀硅晶圆微电子电路芯片的互连层下的硅衬底结合进行；亦可采用激光打孔等其他方法实现。步骤二、在硅晶圆正面沉积绝缘层二氧化硅120，刻蚀二氧化硅制作窗口，暴露盲孔周围以及侧壁的金属层，形成焊盘。然后采用有机高分子材料112临时粘接硅晶圆正面至玻璃晶圆(硅晶圆正面指含有微电子芯片的一面)。有机高分子材料旋涂在玻璃晶圆或硅晶圆正面，在50摄氏度至150摄氏度预固化，在100摄氏度至250摄氏度，一定压力下键合，如图3-(b)所示。步骤三、在硅晶圆背面减薄硅晶圆至目标厚度约50微米至250微米。减薄可以采用机械减薄与化学机械抛光相结合的方法，亦可采用化学腐蚀(TMAH或Κ0Η)或刻蚀方法实现。在硅晶圆背面旋涂光刻胶，采用透过玻璃晶圆观测的对准标记进行对准、曝光，显影，制作硅通孔刻蚀掩膜，深度反应离子刻蚀(DRIE)硅晶圆、反应离子刻蚀硅晶圆正面微电子电路芯片的互连层，直至与硅晶圆正面盲孔贯通，形成硅通孔101，去除光刻胶，如图3-(c)。步骤四、在硅晶圆背面等离子体增强化学气相沉积二氧化硅(SiO2)。然后制作光刻胶掩膜，反应离子刻蚀硅通孔底部(即靠近硅晶圆正面的那一端)、底部侧壁氧化层(即有114层的侧壁部分)，去除光刻胶，形成晶圆背面、硅通孔侧壁绝缘层102，如图3-(d)所示。然后溅射钛钨金属层(TiW)J^ (Cu)形成阻挡层、电镀种子层103。绝缘层亦可采用其他半导体工艺常用绝缘材料，沉积方法可以采用物理气相沉积。阻挡层、种子层亦可采用其他材料，沉积方法可以采用半导体薄膜沉积技术如ALD等。步骤五、在硅晶圆背面光刻，制作电镀铜掩膜120，如图3_(e)所示。电镀铜保型填充硅通孔，形成带微凸点的铜金属柱104。电镀锡形成微凸点焊接层105，如图3-(f)所示。 去除光刻胶120、微凸点周围的种子层、阻挡层103，如图3-(g)所示。电镀铜掩膜可以旋涂或喷涂液体光刻胶，亦可以粘贴光敏薄膜实现。电镀铜填充硅通孔之后，亦可以电镀其他金属焊接材料，如银锡合金等。步骤六、剥离硅晶圆，分割硅晶圆，分离微电子电路芯片，如图3_(g)所示。硅晶圆的分割可以采用机械分割、或激光分割，亦可采用半导体行业其他常用分割技术。步骤七、逐层堆叠微电子芯片，微凸点105与微电子电路芯片正面的焊盘键合。下填充有机物400至堆叠的微电子芯片之间，如图3-(h)所示。
权利要求
1.一种硅通孔互连结构的制作方法，其步骤为1)在硅晶圆正面粘接一玻璃晶圆；所述硅晶圆包括制备有微电子电路的正面以及与该正面相对的背面；2)将所述硅晶圆背面减薄至目标厚度，并制备所述硅晶圆的硅通孔；3)在所述硅晶圆背面依次沉积绝缘层、种子层；4)在所述硅晶圆背面制作电镀掩膜，电镀导电材料填充硅通孔，在所述硅晶圆背面硅通孔对应位置形成凸点；然后在凸点上制作焊盘，并暴露出凸点周围的绝缘层；5)将所述硅晶圆背面粘接到一晶圆上，剥离所述玻璃晶圆；在所述硅晶圆正面，刻蚀掉硅通孔底部所沉积的绝缘层，制作一重新布线层电连接硅通孔中所沉积的种子层与所述微电子电路，并制作所述重新布线层的焊盘。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于制备所述硅晶圆的硅通孔的方法为在所述硅晶圆正面光刻，旋涂光刻胶，通过所述玻璃晶圆观测微电子电路的对准标记进行对准、曝光、显影，制作硅通孔刻蚀掩膜，制备所述硅晶圆的硅通孔。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤3)中，通过所述玻璃晶圆对所述种子层的沉积过程进行监测。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于在所述绝缘层与种子层之间沉积一阻挡层。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤4)中，通过所述玻璃晶圆对所述电镀导电材料填充硅通孔过程进行监测。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于将所述硅晶圆分割为若干微电子芯片，通过微电子芯片中凸点上的焊盘与重新布线层的焊盘热压键合，逐层堆叠分割后的微电子芯片。
7.一种硅通孔互连结构的制作方法，其步骤为1)在硅晶圆正面制作盲孔，所述硅晶圆包括制备有微电子电路的正面以及与该正面相对的背面；然后在所述硅晶圆正面和所述盲孔侧壁制备一金属层，电连接所述盲孔侧壁与微电子电路；2)在所述硅晶圆正面沉积绝缘层，刻蚀所述绝缘层，暴露盲孔开口周围以及侧壁的金属层，形成焊盘；然后在所述硅晶圆正面粘接一玻璃晶圆；3)将所述硅晶圆背面减薄至目标厚度，在所述硅晶圆背面盲孔对应位置进行刻蚀直至与盲孔贯通，制备所述硅晶圆的硅通孔；4)在所述硅晶圆背面沉积绝缘层，去除沉积在硅通孔底部及底部侧壁金属层上的绝缘层；然后在所述硅晶圆背面电镀种子层；5)在所述硅晶圆背面制作电镀掩膜，电镀导电材料填充硅通孔，在所述硅晶圆背面硅通孔对应位置形成凸点；然后在凸点上制作焊盘，并暴露出凸点周围的绝缘层；6)剥离所述玻璃晶圆。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述盲孔的底部位于所述硅晶圆微电子电路芯片的互连钝化层；或穿通微电子电路芯片的互连钝化层至硅衬底设定深度。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于采用台阶保型覆盖的蒸发方法制备所述金属层。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述步骤4)中，通过所述玻璃晶圆对所述种子层的沉积过程进行监测；所述步骤幻中，通过所述玻璃晶圆对所述电镀导电材料填充硅通孔的过程进行监测。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于在所述绝缘层与种子层之间沉积一阻挡层。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于将所述硅晶圆分割为若干微电子芯片，通过微电子芯片中凸点上的焊盘与步骤幻所形成的焊盘热压键合，逐层堆叠分割后的微电子-H-* I I心片ο
全文摘要
本发明公开了一种硅通孔互连结构的制作方法，属于微电子封装领域。本方法为1)在硅晶圆正面粘接一玻璃晶圆；2)将所述硅晶圆背面减薄至目标厚度，并制备所述硅晶圆的硅通孔；3)在所述硅晶圆背面依次沉积绝缘层、种子层；4)在所述硅晶圆背面制作电镀掩膜，电镀导电材料填充硅通孔，形成凸点；然后在凸点上制作焊盘，并暴露出凸点周围的绝缘层；5)将所述硅晶圆背面粘接到一晶圆上，剥离所述玻璃晶圆；在所述硅晶圆正面，刻蚀掉硅通孔底部所沉积的绝缘层，制作一重新布线层电连接硅通孔中所沉积的种子层与所述微电子电路，并制作所述重新布线层的焊盘。本发明便于种子层沉积效果、电镀填充效果监测，降低了工艺的技术难度，提高成品率。
文档编号H01L21/768GK102270603SQ20111023026
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者孙新, 朱蕴晖, 王贯江, 缪旻, 金玉丰, 陈兢, 马盛林 申请人:北京大学