热压键合期间用于保护tsv末端的保护层的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种保护贯穿衬底通孔(TSV)管芯不受键合损坏的方法(100)，该方法包括提供包含多个TSV管芯的衬底，该TSV管芯具有包含有源电路的顶侧、底侧和多个TSV。TSV包括从顶侧伸到从底侧延申出的凸出TSV末端的内部金属芯(101)。在所述底侧上包括在所述凸出TSV管芯之间和之上形成或施加保护层(102)。TSV管芯随着底侧向上与键合头接触而被顶侧向下键合到具有工件表面的工件上(104)。保护层通过防止键合头直接接触凸出TSV末端来减少键合工艺引起的损坏，该损坏包括TSV管芯翘曲。
【专利说明】热压键合期间用于保护TSV末端的保护层
【技术领域】
[0001]本发明公开的实施例涉及电子器件，并且更具体地涉及将集成电路(IC)管芯或晶圆组装到至少一个工件，该IC管芯或晶圆包括具有凸出的贯穿衬底通孔末端的多个管芯，以及产生的电子器件。
【背景技术】
[0002]如本领域已知的，贯穿衬底通孔(在本文中称作TSV)是从在IC管芯的顶侧半导体表面上形成的导电层级中的一个(例如，接触层级或后段制程(BEOL)金属互连层级中的一个)延伸到其底侧表面从而在IC管芯的整个厚度延伸的垂直电连接。贯穿衬底通孔在硅衬底情况下一般被称作穿透硅通孔。这种IC管芯被称作“TSV管芯”。垂直电路径相对于常规引线键合技术显著缩短，从而通常导致显著更快的器件操作。在一种布置方式中，TSV以凸出的TSV末端在TSV管芯的底侧上终止，例如从底侧衬底(例如，硅)表面凸出5到15μπι的距离。为了形成凸出的末端，使用一般包括研磨的工艺将TSV管芯通常以晶片的形式减薄以便暴露TSV并且形成末端，例如，减薄到25到100 μ m的管芯厚度。TSV管芯可以面朝上或者面朝下键合，并且可以从其两个侧面键合使得能够形成堆叠管芯器件。
[0003]在具有TSV的管芯区域中，由于TSV延伸TSV管芯的全部厚度，所以该管芯区域没有有源器件。TSV管芯上的TSV —般布置在覆盖相对小比例的TSV管芯区域的多个单独的TSV阵列中，因此TSV不会集中地接近从而均匀地覆盖TSV管芯的区域。TSV阵列内的TSV一般规则地相隔固定的间距。TSV阵列之外的区域或者无TSV区域产生由凸出的TSV被提升引起的不规则的底侧形貌，其中无TSV区域具有一致最低高度。
[0004]TSV末端可包括位于其上的金属盖，例如，包括含镍层的盖，该金属盖在焊料介导(mediate)接合到工件(例如，封装衬底或另一管芯或管芯叠层)的情况下充当覆盖锡基(Sn-based)焊料的金属间化合物(MC)阻挡层，以便避免或者至少延迟TSV的内部金属芯(例如，铜)的消耗而形成MC，这可能导致TSV的外部介电套管开裂，并导致TSV管芯上的故障(例如，漏泄或短路)。金属盖可显著提高TSV末端相对于无TSV区域的高度。
[0005]热压(TC)键合是一种常用IC组装方法，涉及使用由键合头施加的压力(例如，40到80N / cm2)和显著温度(例如，足以融化焊料的高温，如230到300°C)通过相互扩散穿过材料的边界来接合两种材料。TC键合工艺依靠压力向着待键合的衬底、晶圆或其他管芯上的对置焊盘推动支柱或TSV管芯或TSV晶圆的顶侧表面上的其他键合特征进而加热并且融化焊料。在将具有底侧TSV末端的薄TSV管芯(例如，厚度< IOOym) TC键合到衬底(例如，封装衬底、管芯或管芯叠层)期间，其中TSV管芯的顶侧键合到衬底上的焊盘，TC键合头开始直接接触远高于周围的无TSV区域凸出的TSV末端，从而实际上导致非分布均匀的压力施加于形成在管芯顶侧的键合。
【发明内容】
[0006]所公开的实施例关注于将薄TSV管芯或薄TSV晶圆(例如，厚度< 100 μ m)的顶侧(有源侧)TC键合到工件期间的事件，其中TSV管芯或TSV晶圆在其底侧上具有穿过其面积的无TSV区域。无TSV区域相对凸出TSV末端具有一致的最低高度导致非均匀分布的底侧形貌，这可能引起拾取问题，并且在后续的键合操作期间施加的基本非均匀分布的压力可能引起以下问题，包括管芯翘曲、TSV和所键合的顶侧表面之间的易碎低k电介质受到损坏以及TSV退出管芯底侧处的TSV介电套管开裂。
[0007]关于拾取问题，TSV管芯或TSV晶圆的底侧上暴露的TSV在真空拾取期间可能被损坏，这可能导致后续将TSV末端键合到另一工件的期间的弱键合完整性。另外，薄TSV管芯和TSV晶圆在键合期间遭受非均匀分布的压力时可能容易弯曲。这可能导致管芯内部键合后(post-bonding)翅曲从而引起在顶侧键合上的非均勻的拉应力，本发明人已经发现以上情况导致工件例如有机衬底的较低的键合收率，并且也可导致凸出TSV的“共面”退化，这可能在后续将集体TSV末端键合到具有标称共面键合表面的工件时产生问题。
[0008]所公开的实施例通过在TSV管芯底侧上的凸出TSV末端上方添加用于减少或消除TC键合到工件(例如，有机衬底)期间的损坏的保护层来解决上述末端损坏问题，其导致TC键合头在TC键合期间施加更均匀的压力。已经发现这种保护层消除或者至少显著减少TSV管芯的所键合的顶侧上以及后续将器件键合到TSV管芯的底侧TSV末端的TC键合所引发的开口。由于所公开的保护层在TSV管芯的底侧，因此没有丢失有源管芯区域。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是流程图，其示出根据示例实施例通过在凸出TSV末端之间和之上添加保护层来保护TSV管芯不受键合损坏的示例方法中的步骤，其中TSV管芯包括在TSV管芯的底侧上的凸出TSV末端。
[0010]图2是根据示例实施例的包括多个TSV的TSV管芯的简化剖视图，其中TSV包括凸出TSV末端，在TSV管芯的底侧上的凸出TSV末端之间和之上具有保护层。
[0011]图3示出根据示例实施例的示例受保护的堆叠管芯前体，其包括图2所示的TSV管芯键合到工件。
【具体实施方式】
[0012]图1示出根据示例实施例通过在凸出TSV末端之间和之上添加保护层来保护TSV管芯不受键合损坏的示例方法100中的步骤，其中TSV管芯包括在其底侧上凸出TSV末端。步骤101包括提供包含多个TSV管芯的衬底(例如，晶圆)，该TSV管芯具有包含有源电路的顶侧、底侧和多个TSV。
[0013]多个TSV均包括内部金属芯和延伸TSV管芯的全部厚度的外部介电套管，该外部介电套管从顶侧表面(一般耦合到接触层级或后段制程(BEOL)金属层(例如，M1、M2等)中的一个)延伸到从TSV管芯的底侧出现的凸出的TSV末端。在一个实施例中，从TSV管芯的底侧测量的凸出的TSV末端的长度是2到15μπι。在一个实施例中，TSV直径< 12μπι，例如，在一个特定实施例中为4到10 μ m。
[0014]在一个实施例中，内部金属芯可以包含Cu。其他导电材料可以用于内部金属芯。外部介电套管可以包含如下材料:例如氧化硅、氮化硅、掺磷硅酸盐玻璃(PSG)、氮氧化硅或某些化学气相淀积(CVD)的聚合物(例如聚对二甲苯)。外部介电套管通常是0.2μπι到5 μ m 厚。
[0015]在内部金属芯为铜和某些其他材料的情况下，在此称为“TSV阻挡层”的金属扩散阻挡层(例如耐熔金属或耐熔金属氮化物)一般被添加并且沉积在介电套管上。例如，TSV阻挡层材料可以包括如下材料:包括Ta、W、Mo、T1、Tiff, TiN, TaN, WN、TiSiN或TaSiN，该材料可以由物理气相淀积(PVD)或CVD来淀积。TSV阻挡层通常是100到500人厚。
[0016]TSV末端一般包括位于其上的金属盖,该金属盖至少包括第一金属层,该金属层包含不在内部金属芯中的金属。不含焊料的盖的金属层可被无电镀或电沉积(即，电镀)在凸出的TSV末端的远侧部分上。第一金属层至少与TSV末端的内部金属芯的最顶表面形成电接触。
[0017]第一金属层一般可以是I到8 μ m厚。第一金属层可提供IMC块。第一金属层可以包括如下材料:例如，包括N1、Pd、T1、Au、Co、Cr、Rh、NiP、NiB、CoffP或CoP。在一个具体实施例中，第一金属层可包括厚度为3到8 μ m厚的电镀Cu的镀覆层。在一个实施例中，内部金属芯包括铜，并且TSV末端包含金属盖，该金属盖包含T1、N1、Pd和Au中的至少一种。第一金属层和TSV末端的远侧部分之间也可包括可选的金属阻挡层。例如，大约IkA到3kA的含Ti或Ta的层可被用作阻挡层。
[0018]金属盖可包含不同于第一金属层的不含焊料的第二金属层。第一和第二金属层的组合厚度可以是I U m到10 μ m。一种金属盖布置包含Ni / Au。
[0019]在步骤101中提供的衬底(例如，晶圆)也可包括在TSV末端之间的衬底底侧上的第一介电层，其通常在形成金属盖之前形成并被回蚀以便露出TSV末端。例如，在一个特定实施例中，TSV末端从TSV管芯的底侧表面延伸出约5 μ m,金属盖240增加TSV末端约5 μ m的高度，并且第一介电层约为3 μ m厚。在该特定实施例中，金属覆盖的TSV末端在第一介电层的上方凸出约7 μ m。
[0020]步骤102包括在TSV管芯的底侧上形成或施加保护层，该保护层包含在凸出的TSV末端的之间或之上。保护层可在凸出的TSV末端上方平坦化以提供大致平坦的表面。如本文所定义的，“大致平坦的表面”具有I μ m的最大高度范围。
[0021]在一个实施例中，保护层是包括在现有形貌的顶部纺制以遮盖其上方的掩盖层，其中现有形貌包括金属覆盖的TSV末端和上述TSV末端之间的第一介电层的上方。在以下描述的步骤105之后TSV管芯上剩余一部分保护层的实施例中，保护层通常是介电材料。用于保护层的一些示例性介电材料包括聚合物，例如，苯并环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)以及由感光前体材料形成的一些聚酰亚胺(PI)。因此，该实施例中保护层可包含与用于第一介电层的介电材料相同的介电材料，使得在需要的情况下在通过以下步骤105所述的部分回蚀暴露TSV末端之后，可以将保护层保留在衬底(例如，晶圆)上。该方法可选地可包括在可固化的保护层材料的情况下固化保护层，以便增大保护层在焊接之前(以下所述的步骤104)的刚度。
[0022]在另一个实施例中，保护层包括金属带，例如铝带。材料和厚度合适的金属带(例如，15到20 μ m厚的铝带)易于延展以便在金属覆盖的TSV末端的上方提供平坦化，并且可以将该金属带施加到或通过合适的粘结剂固定到衬底(例如，晶圆)的底侧，该衬底包括衬底(例如，晶圆)上的所有TSV管芯。
[0023]步骤103包括将衬底(例如，晶圆)分离为多个单一化TSV管芯。可使用传统的锯切技术。步骤104包括将单一化TSV管芯顶侧向下键合到工件表面，其底侧向上并与键合头接触。在一个实施例中，工件可包括有机衬底，例如衬底条。键合可包括涉及使用键合头施加的压力(例如，40到80N / cm2)的TC键合。如上所述，TSV末端的顶部上的保护层防止键合头直接接触凸出的TSV末端，从而通过将键合头接触区域“扩展”到TSV管芯的整个管芯底侧而非仅TSV末端的区域来减小施加在TSV末端的压力量值。
[0024]步骤105包括部分移除或全部移除保护层以暴露TSV末端用于后续键合。干蚀刻或灰化可用于该步骤。湿法蚀刻工艺也适合使用。如果在步骤105中使用蚀刻，蚀刻被设计成是高度选择性的，使得通常在TSV管芯和工件(例如，有机衬底)之间的底部填充剂在步骤105期间在其外露的周边不受损坏。在保护层包含金属带的实施例中，可通过不退化TSV管芯和工件之间的底部填充剂的合适的粘合剂去除工艺完全地移除金属带。
[0025]明显地，由于所公开的保护层被施加到TSV管芯而非施加到键合头，因此方法100可适用于任意TC键合机装置中。另外，所公开的保护层提供了键合头压力的分散，从而减少了 TSV管芯的TC键合所引导的翘曲，并且可消除或者至少显著地减少TSV的介电套管的开裂。
[0026]图2是根据示例实施例的包括多个TSV216的TSV管芯200的简化剖视图，其中TSV216包括凸出的TSV末端217，保护层213(b)在第一介电层231(a)的上方并且在TSV管芯的底侧210上凸出的TSV末端217之间和之上。凸出的TSV末端217被示为在远侧末端端部217 (a)上具有金属盖240。
[0027]TSV管芯200包括衬底205，该TSV管芯200包含顶侧表面207和底侧表面210，顶侦U表面207包括有源电路209。例如，在TSV管芯200上的有源电路被配置为提供IC电路功能，例如，逻辑功能。。示出的连接器208描绘顶侧表面207上的TSV216到有源电路209的耦合。到有源电路209的连接是可选的，因为TSV可以简单地通过衬底205提供穿透管芯连接，而不用连接到有源电路209 (例如，连接到附在TSV管芯200的底侧210的器件)。
[0028]TSV216包括外部介电套管221和内部金属芯220以及在外部介电套管221和内部金属芯220之间的金属扩散TSV阻挡层222。TSV216从顶侧表面207延伸到从底侧表面210出现的凸出的TSV末端217。保护层231(b)被示为在凸出的TSV末端217上方的平坦层。例如，在一个特定的实施例中，TSV末端端部217(a)从底侧表面210延伸出约5 μ m，金属盖240增加TSV末端217约5 μ m的高度，保护层231 (b)的厚度在10到15 μ m的范围内并且第一介电层231(a)约为3μπι厚。在该特定的实施例中，保护层231 (b)超出TSV末端217的金属盖240约3到8 μ m。
[0029]图3示出根据示例实施例的包括键合到工件(示出为衬底300)的的TSV管芯200(图2所示)的示例受保护堆叠管芯前体300。具有封装TSV末端的受保护堆叠管芯前体300使得在航运这些单元时TSV末端受到损坏的风险降低。TSV管芯200的顶侧207向下键合到衬底330上的焊盘337，衬底330被示出为封装衬底(例如，有机衬底)。封装衬底可包含较薄(例如，< 350 μ m)的陶瓷衬底或有机衬底。封装衬底通常被提供为衬底板(或条)。组装可包括TC键合。
[0030]TSV管芯200被示出包括利用焊料326被覆盖的支柱325。在TSV管芯200和封装衬底330之间示出底部填充剂328。封装衬底330被示出包括含有多个焊料球331的球栅阵列(BGA)。[0031]图3中示出的受保护堆叠管芯前体300可用于形成包括将堆叠管芯前体300TC键合到工件的堆叠管芯器件(例如，系统级封装(SIP))。在TSV管芯200的底侧210上的保护层231 (b)被部分移除或全部移除从而暴露TSV末端217用于后续键合。顶部IC管芯可组装在TSV管芯200的暴露的TSV末端217上。在一个实施例中，顶部IC管芯包括存储器管芯，并且TSV管芯200包括逻辑管芯。
[0032]在另一个实施例中，顶部管芯包括IC管芯叠层，该IC管芯叠层包括多个彼此键合的堆叠IC管芯。如上所述，TSV管芯200在通过上述保护层提供的TC键合之后的翘曲减少，也可减少随着顶部管芯组装在凸出TSV末端由于共面损失造成的故障。随后可以包覆成型，然后分离以便形成多个堆叠管芯器件。当工件包含封装衬底时，方法可进一步包括在分离之前将焊料球的BGA附连到工件的底部。
[0033]在具有半导体表面的衬底上形成的有源电路包括电路元件，该电路元件一般可包括晶体管、二极管、电容器和电阻器，以及使各种电路元件互联从而提供IC电路功能的信号线和其他电导体。如本文所使用的，“提供IC电路功能”是指来自IC(例如，可包括专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器、射频芯片、存储器、微控制器和片上系统或它们的组合)的电路功能。所公开的实施例可并入多个工艺流程以便形成多种器件和相关产品。半导体衬底可包括在其中的各种元件和/或在其上的层。这些可包括阻挡层、其他介电层、器件结构、有源元件和无源元件(包括源区、漏区、位线、基部、发射器、集热器、导电线、导电通孔等)。另外，公开的实施例可用在多种半导体器件制造工艺中，包括双极、CM0S、BiCM0S和MHMS工艺。
[0034]本公开涉及的领域中的技术人员将认识到所描述的实施例可作出修改，并且在所声明的本发明的范围之内，许多其他实施例也是可能的。
【权利要求】
1.一种保护贯穿衬底通孔即TSV管芯不受键合损坏的方法，该方法包括: 提供包含多个贯穿衬底通孔即TSV管芯的衬底，所述TSV管芯具有包含有源电路的顶侧、底侧和多个TSV，所述多个TSV每个都包括从所述顶侧伸到从所述底侧延伸出的凸出的TSV末端的内部金属芯； 在所述底侧上包括在所述凸出的TSV管芯之间和之上形成或施加保护层；以及 将所述TSV管芯顶侧向下键合到工件，同时所述底侧向上与键合头接触，其中所述保护层防止所述键合头与所述凸出的TSV管芯直接接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述键合之前将所述衬底分离为多个所述TSV管芯。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述TSV末端包括位于其上的金属盖，所述金属盖包括含有至少一个不在所述内部金属芯中的金属的金属层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括有机衬底。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护层是使所述TSV管芯的所述底侧大致平坦化的掩盖层。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 在所述键合之后移除所述保护层的至少一部分以便暴露所述多个TSV末端，以及 在所述暴露之后将具有键合特征的顶部管芯键合到所述TSV管芯上的所述多个TSV末端。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述移除包括干蚀刻。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述保护层包括旋装工艺，以及在所述旋装工艺之后的至少一个固化工艺。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件在所述键合期间安装到载体晶圆上。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述内部金属芯包括铜并且所述TSV末端包括位于其上的金属盖，所述金属盖包括钛、镍、钯和金中的至少一种。
11.一种受保护的堆叠管芯前体，其包括: 包含工件表面的工件，所述工件表面上面有多个接触焊盘； 包含衬底的贯穿衬底通孔即TSV管芯，所述TSV管芯具有包括有源电路的顶侧、在所述顶侧上的键合特征、底侧和多个TSV，所述多个TSV管芯包括从所述顶侧伸到从所述底侧延伸出的凸出的TSV末端的内部金属芯；以及 所述TSV管芯的所述底侧上的保护层从所述凸出的TSV末端上方延展； 其中所述TSV管芯的键合特征被键合到所述工件表面上的所述多个接触焊盘。
12.根据权利要求11所述的受保护的堆叠管芯前体，其中所述TSV末端包括位于其上的金属盖，所述金属盖包括含有不在所述内部金属芯中的金属的至少一个金属层。
13.根据权利要求11所述的受保护的堆叠管芯前体，其中所述工件包括有机衬底。
14.根据权利要求11所述的受保护的堆叠管芯前体，其中所述保护层是使所述TSV管芯的所述底侧大致平坦化的掩盖层。
15.根据权利要求11所述的受保护的堆叠管芯前体，其中所述内部金属芯包括铜并且所述TSV末端包括位于其上的金属盖，所述金属盖包括钛、镍、钯和金中的至少一种。
【文档编号】H01L21/768GK103718286SQ201280037713
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月1日 优先权日:2011年6月1日
【发明者】J·A·韦斯特 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司