一种晶圆级键合结构及晶圆级键合方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种晶圆级键合结构及晶圆级键合方法。

背景技术：

在晶圆级封装领域中，需要对不同的晶圆键合在一起。

通常相对的两个晶圆采用键合金属层进行键合，晶圆与晶圆间的键合界面的侧部存在大量空腔结构，填充层无法填充，这样的缺陷会导致后续工艺出现质量问题，如硅刻蚀、晶圆减薄过程中，空腔结构中的负压或高压会导致硅片裂片或碎片等严重问题。

综上，现有技术中的晶圆级键合结构存在严重的碎片问题。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中晶圆级键合结构的碎片问题的缺陷，从而提供了一种晶圆级键合结构及晶圆级键合方法。

本发明提供一种晶圆级键合结构，包括：第一晶圆，所述第一晶圆具有第一键合面，所述第一键合面设置有第一导电结构；第二晶圆，所述第二晶圆具有第二键合面，所述第二键合面设置有第二导电结构，所述第二键合面上设置有填充层，所述填充层中具有位于部分所述第二导电结构上的凹槽；所述第一导电结构位于所述凹槽中且与所述第二导电结构连接；所述填充层与所述第一导电结构侧部的所述第一键合面接触。

进一步地，所述第一导电结构与所述第二导电结构中的至少一个为焊料层。

进一步地，所述第二导电结构为球下金属层；所述第一导电结构为微凸点、导电块、导电条或者导电回线。

进一步地，所述第一晶圆和所述第二晶圆通过所述填充层密封连接。

进一步地，所述填充层的材料包括光敏性聚合物材料。

进一步地，所述填充层的厚度为5微米～25微米。

本发明还提供一种晶圆级键合方法，用于形成本发明的晶圆级键合结构，包括如下步骤：提供第一晶圆，所述第一晶圆具有第一键合面，所述第一键合面设置有第一导电结构；提供第二晶圆，所述第二晶圆具有第二键合面，所述第二键合面设置有第二导电结构；在所述第二键合面上形成填充层，所述填充层中具有暴露出部分所述第二导电结构的凹槽；将所述第一导电结构置于所述凹槽中并与所述第二导电结构键合在一起，所述填充层与所述第一导电结构侧部的所述第一键合面接触。

进一步地，将所述第一导电结构与所述第二导电结构键合在一起的工艺包括热压键合工艺，在键合过程中，所述第一导电结构的材料回流填充满所述凹槽。

进一步地，在键合之前，所述凹槽宽度大于所述第一导电结构宽度；所述填充层的材料为塑性材料，在键合之前，所述第一导电结构的体积与所述凹槽的体积之差大于等于0且小于等于凹槽体积的10％。

进一步地，还包括：将所述第一导电结构与所述第二导电结构键合在一起之后，对所述填充层进行固化。

本发明具有如下优点：

1.本发明提供的晶圆级键合结构，由于第二晶圆上的第二键合面上设置有填充层，填充层可与第二导电结构侧部的第二键合面紧密接触；所述填充层中具有位于部分所述第二导电结构上的凹槽，第一导电结构位于凹槽中与第二导电结构连接，实现了第一导电结构和第二导电结构的电学连接。填充层与第一导电结构侧部的第一键合面接触，且填充层与第二导电结构侧部的第二键合面紧密接触，因此使得位于第二导电结构和第一导电结构的侧部的第一晶圆和第二晶圆之间被填充层填满，避免了第一晶圆和第二晶圆之间存在间隙，填充层在第一晶圆和第二晶圆之间能起到较好的支撑作用。因此使得第一晶圆和第二晶圆能承受外界较大的压力，避免第一晶圆和第二晶圆之间形变而发生碎片。

2.进一步，所述第一导电结构与所述第二导电结构中的至少一个为焊料层。第一导电结构与第二导电结构连接时，焊料层可以回流填充凹槽，使得凹槽被第一导电结构和第二导电结构的至少一种材料填充满。

3.所述第二导电结构为球下金属层；所述第一导电结构为微凸点、导电块、导电条或者导电回线。第一导电结构可选择多种导电结构均适用于本发明的晶圆级键合结构，提高了本发明的晶圆级键合结构的应用范围。

4.所述第一晶圆和所述第二晶圆通过所述填充层密封连接。密封连接的结构使第一晶圆和第二晶圆之间避免了间隙的存在，能有效防止后续工艺出现质量问题，如避免裂片或碎片等严重问题。

5.所述填充层的材料包括光敏性聚合物材料。光敏性聚合物材料具有较好的感光性，分辨率较高，容易精确控制成型，且具有黏着性好的特点。由于填充层的黏着性较好，因此提高了第一晶圆和第二晶圆的键合强度。

6.所述填充层的厚度为5微米～25微米。5微米～25微米厚度的填充层可以充分接触第一键合面和第二键合面，同时可以避免键合结构尺寸过大，使键合结构的集成度更高。

7.本发明提供的晶圆级键合方法，在第一晶圆与第二晶圆键合之前，先在第二晶圆的第二键合面上形成填充层，所述填充层中具有位于部分所述第二导电结构上的凹槽。第一导电结构放置于凹槽中与第二导电结构键合连接，实现了第一导电结构和第二导电结构的电学连接。填充层与第一导电结构侧部的第一键合面接触，且填充层与第二导电结构侧部的第二键合面紧密接触，因此使得位于第二导电结构和第一导电结构的侧部的第一晶圆和第二晶圆之间被填充层填满，避免了第一晶圆和第二晶圆之间存在间隙，填充层在第一晶圆和第二晶圆之间能起到较好的支撑作用。因此使得第一晶圆和第二晶圆能承受外界较大的压力，避免第一晶圆和第二晶圆之间形变而发生碎片。

8.在键合之前，所述第一导电结构的体积与所述凹槽的体积之差大于等于0且小于等于凹槽体积的10％。第一导电结构的体积不小于凹槽的体积，使晶圆级键合结构在形成过程中，第一导电结构可以充满凹槽，使第一导电结构与第二导电结构的键合处无间隙连接。由于所述填充层具有一定的塑性，且第一导电结构的体积与所述凹槽的体积之差小于凹槽体积的10％，因此能保证第一导电结构不会溢出所述凹槽，第一导电结构可以刚好充满凹槽或略微挤压凹槽。

在键合之前，所述凹槽宽度大于所述第一导电结构宽度。这样的设计可以使第一导电结构与第二导电结构键合时，第一导电结构可以顺利的置于凹槽内。

9.将所述第一导电结构与所述第二导电结构键合在一起的工艺包括热压键合工艺，在键合过程中，对第一导电结构的材料和填充层进行加热，使得所述第一导电结构的材料回流填充满所述凹槽，使第一导电结构与第二导电结构的键合处无间隙连接。采用热压键合工艺，在键合过程中，还可以对填充层进行加热，起到对填充层预固化的作用，预固化可以使第一晶圆和第二晶圆黏着在一起。

10.将所述第一导电结构与所述第二导电结构键合在一起之后，对所述填充层进行固化。固化后的填充层能够有一定的强度，提高了晶圆级键合结构的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1和图2为形成图3晶圆级键合结构的中间结构示意图。

图3为本发明一实施例晶圆级键合结构的结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的晶圆级键合方法的流程图；

附图标记说明：

1、第一晶圆；2、第一键合面；3、导电柱；4、第一导电结构；5、第二晶圆；6、第二键合面；7、第二导电结构；8、凹槽；9、填充层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供一种晶圆级键合结构，请参考图3，包括：第一晶圆1，所述第一晶圆1具有第一键合面2，所述第一键合面2设置有第一导电结构4；第二晶圆5，所述第二晶圆5具有第二键合面6，所述第二键合面6设置有第二导电结构7，所述第二键合面6上设置有填充层9，所述填充层9中具有位于部分所述第二导电结构7上的凹槽8(参考图2)；所述第一导电结构4位于所述凹槽8中且与所述第二导电结构7连接；所述填充层9与所述第一导电结构4侧部的所述第一键合面2接触。

所述第一晶圆1可以为单层晶圆或多层晶圆(2.5d或3d集成的相关产品)。

所述第二晶圆5可以为单层晶圆或多层晶圆(2.5d或3d集成的相关产品)。

第一导电结构4设置于第一键合面2上，所述第一导电结构4凸出于第一键合面2，第一导电结构4可以有一个或者多个，第一导电结构4可根据晶圆键合实际需求设计合理的大小和形状。所述第一导电结构4与所述第二导电结构7中的至少一个为焊料层。

第一导电结构4设置在导电柱3上。导电柱3为铜柱。在本实施方式中，第一导电结构4为焊料层，第二导电结构7为球下金属层(underbumpmetalization，简称ubm)。焊料层的材料主要是可以回流的焊料金属，如sn、snag、snagcu或snpb等，焊料层在加热时处于熔融状态，具有流动性，通过焊料的回流融化使第一导电结构4与第二导电结构7连接时在连接面实现无间隙连接。

作为本实施方式的可替换实施方式，第一导电结构为球下金属层，第二导电结构为焊料层，第一导电结构和第二导电结构可以实现电连接。

所述第一导电结构4为微凸点、导电块、导电条或者导电回线。所述第一导电结构4可以多种导电结构均适用于本发明的晶圆级键合结构，提高了本发明的晶圆级键合结构的应用范围。

所述填充层9具有光敏性特性和一定的塑性，填充层9与第一导电结构4侧部的第一键合面2接触，所述填充层9的厚度为5微米～25微米，如5微米、10微米、15微米或者25微米，5微米～25微米厚度的填充层可以充分接触第一键合面2和第二键合面6，同时可以避免键合结构尺寸过大，使键合结构的集成度更高。

在一个具体的实施例中，所述填充层9的材料包括光敏性聚合物材料，光敏性聚合物材料具有较好的感光性，分辨率较高，容易精确控制成型，且具有黏着性好的特点。例如，填充层9的材料可以是聚酰亚胺，聚酰亚胺可以使第一晶圆1和第二晶圆5黏着在一起，提高了第一晶圆1和第二晶圆5的键合强度。

由于第二晶圆5上的第二键合面6上设置有填充层9，填充层9可与第二导电结构7侧部的第二键合面6紧密接触；所述填充层9中具有位于部分所述第二导电结构7上的凹槽8，第一导电结构4位于凹槽8中与第二导电结构7连接，实现了第一导电结构4和第二导电结构7的电学连接。填充层9与第一导电结构4侧部的第一键合面2接触，且填充层9与第二导电结构7侧部的第二键合面6紧密接触，因此使得位于第二导电结构7和第一导电结构4的侧部的第一晶圆1和第二晶圆5之间被填充层9填满，避免了第一晶圆1和第二晶圆5之间存在间隙，填充层9在第一晶圆1和第二晶圆5之间能起到较好的支撑作用。因此使得第一晶圆1和第二晶圆5能承受外界较大的压力，避免第一晶圆1和第二晶圆5之间形变而发生碎片。

在一个具体的实施例中，所述第一晶圆1和所述第二晶圆5通过所述填充层9密封连接。填充层9紧贴第一晶圆1和第二晶圆5，形成无间隙结构。

密封连接的结构使第一晶圆1和第二晶圆5之间避免了间隙的存在，能有效防止后续工艺出现质量问题，如裂片或碎片等严重问题。

本发明另一实施例还提供一种晶圆级键合方法，请参考图4，包括如下步骤：

s1：提供第一晶圆，所述第一晶圆具有第一键合面，所述第一键合面设置有第一导电结构；

s2:提供第二晶圆，所述第二晶圆具有第二键合面，所述第二键合面设置有第二导电结构；

s3:在所述第二键合面上形成填充层，所述填充层中具有暴露出部分所述第二导电结构的凹槽；

s4：将所述第一导电结构置于所述凹槽中并与所述第二导电结构键合在一起，所述填充层与所述第一导电结构侧部的所述第一键合面接触。

请参考图1，提供第一晶圆1，第一晶圆1具有第一键合面2，第一键合面2设置有第一导电结构4；提供第二晶圆5，第二晶圆5具有第二键合面6，第二键合面6设置有第二导电结构7；在第二键合面6上形成填充层9，填充层9中具有暴露出部分第二导电结构7的凹槽8。

请参考图2，将第一导电结构4置于所述凹槽8中。

请参考图3，第一晶圆1与第二晶圆5键合在一起，填充层9与第一导电结构4侧部的第一键合面2接触。

第一晶圆1参照前述实施中的第一晶圆1，第二晶圆5参照前述实施例中的第二晶圆5。第一导电结构4的材料参照前述实施例中的第一导电结构4的材料，第二导电结构7的材料参照前述实施例中的第二导电结构7的材料。所述填充层9的材料和厚度参照前述实施例的内容。

通过涂覆等方式把填充层9覆盖在第二键合面6上，填充层9的厚度约5微米～25微米，在实际情况中，根据需求选择填充层9的厚度，可以保证填充层9同时接触第一键合面2和第二键合面6即可，因填充层9具有光敏性特性，可通过局部曝光的方法去除第二导电结构7上方的部分填充层9，形成凹槽8露出部分第二导电结构7。

由于采用涂覆等方式把填充层9覆盖在第二键合面6上，因此填充层9的厚度均一性较好，形成填充层9的工艺简单，且不会破坏第二导电结构7。

请参考图2，在键合之前，所述第一导电结构4的体积与所述凹槽8的体积之差大于等于0且小于等于凹槽8体积的10％，如2％、4％、5％、7％、9％、10％。第一导电结构4的体积不小于凹槽8的体积，使晶圆级键合结构在形成过程中，第一导电结构4可以充满凹槽8，使第一导电结构4与第二导电结构7的键合处无间隙连接。由于所述填充层9具有一定的塑性，且第一导电结构4的体积与所述凹槽8的体积之差小于凹槽8体积的10％，因此能保证第一导电结构4不会溢出所述凹槽8，第一导电结构4可以刚好充满凹槽8或略微挤压凹槽8。

请参考图2，在键合之前，所述凹槽8宽度大于所述第一导电结构4宽度。这样的设计可以使第一导电结构4与第二导电结构7键合时，第一导电结构4可以顺利的置于凹槽8内。具体地，在形成凹槽8前先确认第一导电结构4的宽度，再根据第一导电结构4的宽度合理的选择掩膜版或曝光量，通过局部曝光的方法露出部分第二导电结构7，形成宽度大于第一导电结构4宽度的凹槽8。

通过晶圆级键合对准机把第一晶圆1和第二晶圆5键合，具体地，把第一导电结构4和第二导电结构7对准后，再压合第一晶圆1和第二晶圆5，使第一晶圆1和第二晶圆5密封连接在一起。填充层9与第一导电结构4侧部的第一键合面2接触。

本实施例的晶圆级键合方法，在第一晶圆1与第二晶圆5键合之前，先在第二晶圆5的第二键合面6上形成填充层9，所述填充层9中具有位于部分所述第二导电结构7上的凹槽8。第一导电结构4放置于凹槽8中与第二导电结构7键合连接，实现了第一导电结构4和第二导电结构7的电学连接。填充层9与第一导电结构4侧部的第一键合面2接触，且填充层9与第二导电结构7侧部的第二键合面6紧密接触，因此使得位于第二导电结构7和第一导电结构4的侧部的第一晶圆1和第二晶圆5之间被填充层9填满，避免了第一晶圆1和第二晶圆5之间存在间隙，填充层9在第一晶圆1和第二晶圆5之间能起到较好的支撑作用。因此使得第一晶圆1和第二晶圆5能承受外界较大的压力，避免第一晶圆1和第二晶圆5之间形变而发生碎片。

在一个具体的实施例中，将所述第一导电结构4与所述第二导电结构7键合在一起的工艺包括热压键合工艺，第一导电结构4的体积比凹槽8的体积大0％～10％，且填充层9在固化前具有一定的塑性，第一导电结构4的材料在加热后呈熔融状态，第一导电结构4可以刚好充满凹槽8或略微挤压凹槽8，在键合过程中，第一导电结构4的材料回流填充满凹槽8。

采用热压键合工艺，可以使第一导电结构4与第二导电结构7键合时，同时对第一导电结构4的材料和填充层9进行加热，在键合过程中，对第一导电结构4的材料进行加热，使得所述第一导电结构4的材料回流填充满所述凹槽8，使第一导电结构4与第二导电结构7的键合处无间隙连接。采用热压键合工艺，在键合过程中，还可以对填充层9进行加热，起到对填充层9预固化的作用，预固化可以使第一晶圆1和第二晶圆5黏着在一起。

本实施例中，所述热压键合工艺的参数主要包括：压力、温度和时间，压力的设定需结合具体键合结构进行确定；为确保焊料层能够呈熔融状可以回流，温度的设定通常高于260℃；键合时间通常在5分钟～30分钟。

在一个具体的实施例中，将所述第一导电结构4与所述第二导电结构7键合在一起之后，对所述填充层9进行固化。具体地，把晶圆级键合结构置于烤箱内，根据填充层9材料的性质，施加合理的温度，例如，针对低温固化的聚酰亚胺，固化温度通常在200℃～300℃，固化45分钟～75分钟，针对高温固化的聚酰亚胺，固化温度通常在300℃～350℃，固化45分钟～75分钟。

固化后的晶圆级键合结构能够有一定的强度，提高了键合结构的稳定性。

本实施例中，所述热压键合工艺采用的温度高于260℃，对所述填充层9进行固化采用的温度为200℃，因为热压键合的时间较短，在热压键合过程中填充层9还没有完全固化，这样具有对填充层9进行预固化的好处，预固化可以使第一晶圆1和第二晶圆5黏着在一起。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。