专利名称：基于硅通孔的电子元件堆叠的脉冲激光键合方法
技术领域：
本发明涉及一种基于硅通孔(TSV)的三维芯片堆叠的脉冲激光键合 方法。
背景技术：
随着电子产品，特别是便携式产品如移动电话的体积变得越来越小， 但同时必须能提供越来越多的功能，所以有必要集成多个功能芯片，而不 增加产品尺寸，保持一个较小的形状。在一个二维结构里增加电子元件数 目无法实现这些目标，所以三维封装正日益被采用，以便能够提供更强的 功能和更高的元件密度，但保持一个较小的形状。
在一个三维结构里，电子元件如半导体器件是一个多叠层结构制成 的。为了电连接不同层里的元件，硅通孔(TSV)技术可以被用来提供电 互连，并提供机械支撑。在TSV技术里，通孔是在硅芯片上制成，并且通 孔里填充满金属。然后，具有这些通孔的多个元件被堆叠和键合在一起。
现有技术
键合技术(bonding method)是制作叠层电子元件的一个重要方面。 理想的键合方法应该是可靠的且低成本的。传统的引线键合(wire bonding) 被用来在芯片之间建立电互连，但引线键合要求较大的平面尺寸(in-plane size),而这与最大化元件密度的目标不一致。TSV互连已经被提出作为引 线键合的一种替换方案， 一些方法，包括扩散键合(diffusion bonding)、 焊接(soldering)和粘胶键合(adhesive bonding),可以被用来键合含有 TSV的晶圆/芯片。
在扩散键合里， 一薄层金属键合层(例如，最好由铜制成，但也可能 是锡、铟、金、镍、银、钯、钯镍合金或钛)被制作到将被键合的半导体 元件的各个表面上。当在适当温度和压力条件下元件被集合在一起时，两
个金属键合层相互扩散以形成键合连接。扩散键合产生一个良好质量的可 靠键合连接，但此方法的缺点是要求两个半导体元件有非常好的共平面度， 并需要一个较高的键合温度。所以，实施此方法很困难且成本高。 一个扩
散键合的典型例子如US 7,157,787所述。
一个焊接方法的例子如US 6,577,013所述。在一个焊接方法里，焊料 被施加在将被堆叠的半导体元件上的通孔结合(junction)处上。焊接不要 求如扩散键合所需的高温，但仍然能产生一个良好可靠的键合连接。但是， 随着被堆叠的元件数目的增加，焊接并不适合。当每个新元件被增加到叠 层上时，焊接过程可能导致之前建立的焊点失效，从而破坏其可靠性。
粘胶键合是一种低成本的选择，在其中将被键合在一起的芯片表面上 制作一个粘胶层。 一个粘胶键合的例子如US 6,593,645所述。但是，虽然 粘胶键合是低成本的，且不会出现重大的制造问题，但是它提供一个较低 的键合强度，所以不适合高电流使用，也不可靠。
发明概述
本发明提供一种形成硅通孔的方法，并用该方法在两个堆叠的半导体
元件之间形成一个互连，包括
(a) 在每个所述的元件上形成一个硅通孔；
(b) 在每个所述的硅通孔中填充一个由第一种金属制备而成的金属
栓；
(c) 将一个所述元件堆叠到另一个所述元件上，使得所述的硅通孔对
齐；和
(d) 施加一个激光能量脉冲以在所述的金属栓之间形成一个键合。
第一种金属可以是Au, Cu， Sn， In， Ag, Ni， W和焊料中的一种。
在本发明的优选实施例里，在金属栓之间有第二种金属，当施加激光 脉冲能量到所述的第二种金属上时，通过扩散键合，在第二种金属和金属 栓之间的结合处就会形成金属间化合物(intermetallic compound)。
第二种金属可以是Sn, In, Au, Cu, Ag, Ni, W和焊料中的一种。
优选地，在每个金属栓和各个硅通孔的内表面之间有一个粘附层。优 选地，形成的每个硅通孔有一个内表面，其与元件表面的开口呈扩散状，
例如，扩散角度在2。到15°之间。粘附层的材料可以是TiW, TiN, TaN， Cr 或Ti。
优选地，在每个所述元件的上表面上有一层隔离层(isolation layer)。 优选地，也可以在通孔的侧壁上制备隔离层。隔离层可以是Si02、氮化硅、 聚酰亚胺或苯并环丁烯。在元件之间有一层聚合物(polymer)材料，例如， 聚酰亚胺或苯并环丁烯、环氧树脂、非导电粘附剂、或硅橡胶(silicon rubber)。
在本发明的优选实施例里，激光脉冲的能量在1J到70J之间。激光的 脉冲持续时间可以在lp至20ms之间，最佳工作状态下脉冲持续时间应 在lms至10ms之间。优选地，脉冲激光的能量可以由一个波长为1064nm 的Nd:YAG激光或其它高能量激光源提供。
另一个方面，本发明也可以扩展到互连两个半导体元件的硅通孔结 构，其中所述的硅通孔结构包括在所述半导体元件上形成的各个硅通孔， 所述的第一元件位于所述的第二元件之上，使得所述的第一元件上的硅通 孔叠加在所述的第二元件上的硅通孔之上，每个所述硅通孔都填充满一个 由第一种金属制成的金属栓，在第一种金属的所述金属栓之间有第二种金 属，通过扩散键合，在第一种金属的第一个和第二个金属栓和所述第二种 金属的结合处形成金属间化合物。
现通过范例并参考附图描述本发明的一些实施例，其中 图1是依照本发明一个实施例形成的硅通孔的截面图； 图2显示由如图1所示的硅通孔互连的多个叠层芯片；
图3到28依次显示本发明一个实施例通过硅通孔的方式连接的叠层
芯片的工艺步骤；和
图29显示本发明一个实施例形成多芯片叠层的工艺流程。
优选实施例子详述
图1显示本发明一个实施例子的通过硅通孔方法连接的两个硅芯片的 截面图。硅通孔为两个硅芯片IO之间提供电互连。每个芯片IO有一个硅 通孔50，其延伸穿过芯片10。每个硅通孔的内表面加工有一个粘附层70 (例如，由钛钨合金，铬，或钛制成)，以及一个隔离层20 (例如，由Si02 制成)，隔离层20也被制作在每个芯片的上表面上。两个芯片IO之间的空 间填充有一种聚合物键合材料90。聚合物材料90的合适材料包括聚酰亚 胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、非导电粘胶剂、或硅橡胶。
每个穿过芯片10的通孔填充满金属(如铜、金、锡、铟、银、镍、焊 料)，而形成一个金属栓，其与粘附层70粘接在一起。在填充各个通孔的 金属栓之间有一个键合金属100 (例如，锡、铟、铜、金、银、镍、钨或 焊料)，两种金属键合形成金属化合物(如Sn/Cu， Au/Sn, Sn/In, Sn/Ag, Sn/Ni，取决于选择的金属)。从本描述的其余部分将会发现，金属化合物 是通过施加脉冲激光能量到硅通孔通过扩散键合而形成的。而且还有一个 保护层60 (例如，Si02/Si3N4/Si02,PI，BCB)。
图2显示多个芯片怎样进行堆叠。在图2内，堆叠有六个芯片IO。芯 片10被聚合物材料90隔开。在每个芯片10的每端都至少有一个硅通孔 130，它的形成参照以下描述。通过使用一个芯片对齐固定装置160将芯片 10对齐，并且通过施加脉冲激光能量如所示激光源150和激光束140而形 成互相连接。
图3以SOI晶圆的形式显示制作叠层芯片的起始点。SOI晶圆包括三 层薄的元件层10 (大约100pm)、薄的Si02层20 (大约1.5pm)、以及 作为支撑的较厚的硅层(近似400pm)。图4显示通过等离子体增强化学 气相沉积(plasma enhanced chemical vapour deposition)在晶圆上沉积一 Si02层20，厚度为O.^m 士 500A。使用一种旋转涂胶方法光刻胶层30被
印制在SiO2层20上(图5)，然后被图案化(图6)，在SiO2层20上，第 一次蚀刻Si02层20而形成开口 40(图7)。再通过化学溶解除去光刻胶层， 第二层光刻胶30再被制作到SiO2层20 (图8)，然后再被图案化(图9)， 再通过深反应离子蚀刻(DRIE)在&02层20里形成通孔开口 40 (图10)。 DRIE步骤是在一个2°-15°的角度上执行两小时，使得通孔的内表面对开 口呈2°-15°的角度上扩散形成。这是非常有用的，因为在以下的步骤里， 开口的倾斜面便于粘附层的均匀沉积。
去除深反应离子蚀刻产生的残余物，然后，使用反应离子蚀刻将通孔 50底部的SiO2层20蚀刻掉(图ll)。然后，仍然使用DRIE将通孔50蚀 刻得更深一些，再通过化学溶解去除光刻胶30 (图12)。然后，使用等离 子体增强化学气相沉积技术(PECVD ) ， Si02/Si3N4/Si02薄层60 (3000A/4000A/3000A)被制作到表面上(图B)，接着，通过一种溅射方法 (sputtering method),Ti/W层70 (近似O.lpm到0.2lam)被制作到表面上(图 14)。然后，使用PECVD，沉积一薄层Si02 (0.5pm)到表面上(图15)， 接着，使用一种无掩膜蚀刻将Si02层的顶端层蚀刻掉，只留下在通孔50 侧壁上剩余的Si02层(图16)。剩余的Si02层有利于从下到上填充满金属 于孔内，从而避免只有部分填充。
接着， 一层薄的光刻胶层30被制作到表面上，并使用光刻，图案化作 出通孔/互连的开口 (图17),然后使用溅射方法在通孔底部沉积有金属80, 如铜，(图18)，然后，使用电镀方法在孔内填充满相同的金属80 (图19)， 然后再抛光(图20)。接着，去除光刻胶层(图20)，然后使用湿蚀刻去除 Ti/W层(图21)。 一个聚合物层90 (例如，PI，BCB，环氧树脂，NCA或硅 橡胶)被制作在表面上，使用光刻实现并被图案化(图22)。然后，通过 电镀或溅射， 一个锡层100被沉积在铜互连上(图23)。接着，通过一个 粘胶层110,晶圆被连接到一个玻璃支架120上(图24)。然后，通过粘磨 和化学机械抛光(CMP)，硅晶圆被变薄到一个特定厚度(图25)，接着通 过RIE进一步变薄，直到触到Si02层20 (图26)。然后，蚀刻掉剩余的 Si02，Ti/W层而露出填充满金属的通孔(图27)。接着，切割晶圆，并移除 玻璃支架而获得单个的硅芯片(图28)。然后，可以堆叠两个或多个 硅芯片，使得各个硅通孔互连130相互叠加而互相接触。
在两个芯片被叠加在一起使得硅通孔互连在彼此之上之后，然后，在
硅通孔互连上使用脉冲激光将芯片键合在一起，如图2所示。使用脉冲激 光如Nd:YAG激光来单独加热每个硅通孔，使得通过扩散键合形成金属化 合物(图l)，通过中间金属(intermediatemetal)与金属栓结合在一起。
通常，使用的脉冲能量可从1J到70J，施加的脉冲时间可从lps到 20ms。例如，对于波长为1064nm的Nd:YAG激光，如果脉冲能量为3J， 波束直径为20pm，脉冲持续时间为大约lms时就可能满足加工直径从 20pm到200pm厚度从25|i到lOO(im的硅通孔的要求。
使用脉冲激光键合的优势是可以控制激光束尺寸以匹配通孔的尺寸。 这样可以规避因为不必要加热芯片的较大区域可能发生的对芯片和芯片上 的任何元件的损害风险。温度集中在将被键合的通孔上，而横向布置的其 它通孔和在将形成的键合下方的同一堆叠上的通孔不会感受到不利的高
温o
图29是描述使用本发明一个实施例子的一种制成多个叠层芯片的工 艺流程图。步骤l，提供具有制备在金属凸点(metal bump)上的TSV互 连的多个芯片。步骤2，利用一个固定装置来控制对齐，使至少两个芯片 对齐。步骤3，把脉冲激光源移到将形成TSV的位置之上。步骤4,施加 脉冲激光能量到互连位置，如步骤5所示，使其足够形成金属化合物以连 接两个芯片。然后，移动激光源到下一个互连位置(步骤6)，接着，重复 步骤3到6，直到完成所有互连，从而完成两个芯片的所有输入/输出互连 (步骤8)。接着，再堆叠一个芯片到该叠层上，重复步骤2到8，直到所 有芯片被叠加在一起。接着，把叠层芯片放置到一个烘箱内，进行一个后 固化(post-cure)(步骤10)。通常，每个单个键合所需的键合时间可能仅 仅是lms，从而总周期时间小于100ms。
至少在优选实施例里，本发明提供一种制作硅通孔的方法，具有许多 好处非常好的键合质量，并且键合温度适中；而且，键合温度可以被限 制在键合区域内，从而降低在键合过程期间由于产生的热应力对其它元件
造成损害的可能性；另外此方法允许多芯片叠加，制造过程简单可靠，并 具有非常高的产量，并且成本适中。
权利要求
1. 一种形成硅通孔的方法，以此在两个堆叠的半导体元件之间形成一个互连，包括(a)在每个所述元件上形成一个硅通孔；(b)在每个所述硅通孔内填充一个由第一种金属制成的金属栓；(c)堆叠一个所述元件在另一个所述元件上，使得所述的硅通孔对齐；和(d)施加激光脉冲能量以在所述两个金属栓之间形成一个键合。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述的金属栓之间有第二种金属， 当所述的激光脉冲能量施加在所述的两个金属栓上时，金属扩散就会产生， 金属间化合物就会在所述金属和所述金属栓之间的结合处形成。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括在每个所述金属栓和各个硅通 孔的内表面之间有一个粘附层。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述的硅通孔有一个内表面，该 内表面与该元件表面上的一个开口呈扩散状。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述内表面的扩散角度在2°和 15°之间。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中所述的粘附层材料包括TiW， TiN, TaN， Cr或Ti。
7. 根据权利要求1所述的方法，还包括在每个所述元件的上表面和通 孔的内壁上有一个隔离层。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述的隔离层材料包括Si02, SiN， 聚酰亚胺，或苯并环丁烯。
9. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述元件之间提供一个聚合 物材料。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述的聚合物材料包括聚酰亚胺、苯并环丁烯、环氧树脂、非导电粘附剂、或硅橡胶。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲激光的能量在1J和70J 之间。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述激光的脉冲时间在lps和 20ms之间。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述激光的脉冲时间可在lms 和10ms之间。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述激光可以是波长为1064nm 的Nd:YAG激光。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中第一种金属可以是Au, Cu， Sn, In， Ag， Ni,W和焊料中的一种。
16. 根据权利要求2所述的方法，其中第二种金属可以是Sn， In, Cu, Au: Ag, Ni，W和焊料中的一种。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述的硅通孔填充满金属之 前，所述硅通孔的底部制备有一层氧化硅(Si02)，它会在硅通孔被填充满 之后被去除。
18. —个互连两个半导体元件的硅通孔结构，其中所述的硅通孔结构 包括在所述半导体元件上形成的各个硅通孔，并且所述的第一元件位于所 述的第二元件的上方，使得所述的第一元件上的硅通孔叠加在所述的第二 元件的硅通孔上，每个所述的硅通孔被填充满一个由第一种金属制成的金 属栓，在第一种金属的所述金属栓之间有第二种金属，并且在第一种金属 的第一个和第二个金属栓和所述第二种金属的结合处上通过扩散键合形成 金属间化合物。
19. 根据权利要求18所述的硅通孔结构，其中所述硅通孔的内表面有 一个粘附层。
20. 根据权利要求19所述的硅通孔结构，其中粘附层可以由TiW,TiN, TaN, Cr或Ti制成。
21. 根据权利要求19所述的硅通孔结构，其中所述的硅通孔的内表面 与元件上表面上形成的开口呈扩散状。
22. 根据权利要求21所述的硅通孔结构，其中内表面的扩散角度是在 2°到15。之间。
23. 根据权利要求18所述的硅通孔结构，其中至少第二个元件的上表 面有一层隔离层。
24. 根据权利要求23所述的硅通孔结构，其中隔离层材料可以是Si02， SiN,聚酰亚胺，或苯并环丁烯。
25. 根据权利要求18所述的硅通孔结构，其中两个元件之间有一种聚 合物材料。
26.根据权利要求25所述的硅通孔结构，其中聚合物材料包括聚酰亚胺，苯并环丁烯，环氧树脂，非导电粘附剂，或硅橡胶。
全文摘要
本发明描述了一种制作硅通孔结构的方法，利用脉冲激光能量，该硅通孔结构可以用来在两个堆叠半导体元件之间形成一个互连。具体地，在每个半导体元件上形成至少一个硅通孔，而每个硅通孔都填充满一个由第一种金属形成的金属栓。然后，一个半导体元件被叠加在另一个半导体元件上，使得硅通孔对齐，并且施加脉冲激光能量到硅通孔，从而在两个金属栓之间形成一个键合。
文档编号H05K1/00GK101379892SQ200880000126
公开日2009年3月4日 申请日期2008年9月8日 优先权日2008年3月27日
发明者仲镇华, 史训清, 斌 谢, 薇 马 申请人:香港应用科技研究院有限公司