專利名稱：一種采用非對準鍵合工藝來制作tsv的電鍍方法
技術領域：
本發明涉及一種新穎的制作穿娃通孔(Through Silicon Via,TSV)所使用的電鍍方法，該方法操作十分簡便，成本低，具有較高的可靠性和實用性，屬于圓片級TSV三維堆疊式互連封裝技術領域。
背景技術：
為了滿足超大規模集成電路(VLSI)發展的需要，新穎的3D堆疊式封裝技術應運而生。它用最小的尺寸和最輕的重量，將不同性能的芯片和多種技術集成到單個封裝體中，是一種通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制造垂直電學導通，實現芯片之間互連的最新的封裝互連技術，與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術不同，所述的技術采用TSV(Through Silicon Via,穿娃通孔)代替了 2D_Cu互連,能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。因此，業內人士將TSV稱為繼引線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動焊(TAB)和倒裝芯片(FC)之后的第四代封裝技術。在制作TSV結構的過程中，電鍍工藝是最重要最復雜的一個環節，成本也占到了整個TSV工藝的40%以上。目前TSV電鍍主要有盲孔電鍍和通孔電鍍兩種方式。盲孔電鍍是刻蝕出沒有穿透晶圓的深孔，用PVD方法(物理氣相沉積)制作種子層，使種子層連續沉積到盲孔的側壁和底部，然后電鍍銅填充盲孔。盲孔電鍍的優點就是電鍍時間短，但對電鍍液的要求極高，對于每種不同形狀的盲孔，電鍍液的配方也是不相同的，工藝較為復雜且成本較高。通孔電鍍則是首先將深孔在晶圓上打穿后，在其底部制作好種子層，電鍍銅由下而上填充通孔而完成的。通孔電鍍工藝整體來說比較簡單，而且電鍍填充銅十分致密，可靠性較高，但缺點是底部種子層的制作較為復雜，電鍍時間長。目前由于受盲孔電鍍技術條件的限制，通孔電鍍是制造TSV的主要方式。通孔電鍍制作種子層的方法主要是采用晶圓背面電鍍堵孔，即晶圓背面濺射金屬后電鍍晶圓，以使金屬將通孔背面堵住，然后由下而上填充TSV。該方面可靠性差，每個孔被堵的程度不同，電鍍每個通孔時的進程也不一致，標準化較差，因此不利于產業化應用。最近，出現了一種裸支撐晶圓的新方法，是將TSV晶圓背面和一張裸晶圓上濺射一層Au，相互對準重合后進行Au-Au鍵合，中間的Au層作為種子層，從而可以實現電鍍銅填充TSV。由于鍵合了裸支撐晶圓，TSV晶圓的強度提高，在后續的工藝中不易破碎，可靠性提高，待工藝完成后，可以將裸支撐晶圓與TSV晶圓分離。目前這種采用裸支撐晶圓鍵合來電鍍TSV的方法，有一個主要問題是由于鍵合的兩張晶圓尺寸相同，鍵合時必須完全重合才能剛好放入電鍍的夾具中，因此兩張鍵合片之間的Au種子層作為鍵合介質被完全遮住，外接的陰極就不能與種子層連接而無法實現TSV電鍍。目前國外某些實驗室采用的是方法是將TSV晶圓的最外圈通過濕法腐蝕去除掉，然后與裸晶圓鍵合，由于TSV晶圓尺寸小于裸晶圓，因此可以露出裸晶圓最外圈上的Au層，然后與電鍍槽陰極相連接實現TSV的電鍍填充。但這種方法使得TSV晶圓尺寸發生了變化，對后續工藝產生不利影響，并且采用濕法腐蝕去除TSV晶圓最外圈所需要的時間過長，降低了生產效率。另一種方法是在裸晶圓上制作一個細長槽，把細長導線放入槽內固定，導線的一端在晶圓外側，然后裸支撐晶圓濺射Au層后與TSV晶圓的Au層鍵合，露出的導線與陰極相連進行電鍍填充。這種方法可靠性較差，工藝瑣碎，實驗階段可以采用，但不適用于標準化生產。于是，引導出本發明非對稱鍵合工藝的構思提供一種制作TSV的電鍍方法。

發明內容
本發明的目的在于提供一種采用非對準鍵合工藝來制作TSV的電鍍方法，本發明旨在解決電鍍TSV時種子層與陰極互連的問題，本發明利用了晶圓具有的上、下兩條平行切邊的特殊結構，提出了一種TSV晶圓與裸支撐晶圓非對準鍵合的工藝。本發明的技術方案是:在整個晶圓當中有上、下兩個平行切邊，該切邊的作用是在半導體工藝中便于固定晶圓和對準操作。電鍍晶圓所采用的引線夾具是在晶圓周圍均勻分布的四個夾具，用于固定電鍍時的晶圓并且作為陰極與晶圓的種子層實現電學互連，四個夾具與晶圓中心距離相等，且相鄰的引線夾具與晶圓中心的連線互成90度，以保證電鍍時電流密度在鍵合晶圓上均勻分布。該發明內容是在TSV晶圓與裸支撐晶圓Au-Au鍵合時，放棄過去采用的兩片晶圓完成重合的對準鍵合，改為將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉90度，另一片不動，然后兩片晶圓的帶有金層的面相對，其圓心重合后進行Au-Au鍵合。鍵合后的晶圓正面有兩條平行的切邊，背面也有兩條平行的切邊，并且正面與背面的切邊是相互垂直的。每片晶圓的兩個切邊處露出了另一片晶圓的金種子層，用銅導電膠帶分別貼住露出的四個部位的種子層，然后四個膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具便可以與這四個導電膠帶接觸實現TSV電鍍填充。綜上所述，本發明的特征在于:①所述的非對準鍵合工藝是利用晶圓帶有兩條平行切邊的結構特點，將TSV晶圓與支撐晶圓帶有金層的面相對、圓心重合但晶圓不重合后進行Au-Au鍵合。鍵合后用銅導電膠帶與電鍍引線夾具連接實現TSV電鍍填充；②所述的方法是采用裸支撐晶圓和TSV晶圓非重合的Au-Au鍵合以露出種子層的方法，具體步驟是:(I)在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一面上分別先后濺射一層Tiff和Au層；(2)將TSV晶圓的Au層面與裸支撐晶圓的Au層面相對并且完全重合，然后將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉90度，另一片不動，可以觀察到每片晶圓的兩個切邊位置露出了另一片晶圓的Au種子層，并且保證了電流密度在鍵合晶圓中均勻分布，然后在保證圓心重合后置于鍵合機中升溫加壓進行Au-Au鍵合；(3)用銅導電膠帶分別貼住露出的四個切邊部位的種子層，然后導電膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具與導電膠帶接觸實現TSV電鍍填充。待電鍍完成后，將導電膠帶撕掉去除。③所述的在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一面上分別先后濺射一層TiW和Au層，TiW層的作用是增加粘附力，Au層是用于進行Au-Au鍵合以及作為TSV電鍍Cu時的種子層，厚度分別為40-60nm和150_250nm ；
④所述的非對準鍵合，是將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉90度，另一片不動，然后在保證圓心重合后金層面相對進行Au-Au鍵合；⑤所述的裸支撐晶圓與TSV晶圓在鍵合機中進行升溫加壓鍵合的工藝參數是從室溫升溫至250-300°C，鍵合壓力2500 3000mbar，峰值加壓保溫后緩慢冷卻至室溫；⑥從室溫升溫至250-300°C的時間為10_20min，峰值加壓保溫的時間為1.5_2h ；⑦采用的銅導電膠帶的厚度厚度為0.01-0.03mm ；⑧TSV的通孔為圓形，孔徑介于15-80 μ m之間。本發明的有益效果:該發明工藝極為簡單而能夠實現高質量、高效率的晶圓TSV電鍍填充效果，可操作性強，適合于工業化生產，不僅降低制作晶圓TSV的工藝成本，而且提高了晶圓TSV電鍍填充的成品率。


圖1是裸支撐晶圓和TSV晶圓正面的俯視圖。圖2是TSV晶圓與裸支撐晶圓鍵合后的鍵合片俯視圖。圖3是鍵合片電鍍填充TSV時的截面構造圖。
具體實施例方式為了能使本發明的優點和積極效果得到充分體現，下面結合附圖和實施例對本發明進一步地說明。在圖1中，在已經刻蝕出TSV102的TSV晶圓101的背面和裸支撐晶圓201的一面上分別先后濺射一層TiW和Au厚度分別為50nm和200nm。TiW層的作用是增加粘附力，使Au層更加牢固地粘附在晶圓上，而Au層是用于提供Au-Au鍵合以及作為TSV電鍍Cu時的
種子層。在圖2中，將TSV晶圓的IOlAu層面與裸支撐晶圓201的Au層面相對后，將兩片晶圓完全重合，然后將其中一片晶圓以圓心為中心旋轉90度，另一片不動，可以觀察到鍵合片其中一面的TSV晶圓的兩個切邊103、104以及露出的裸支撐晶圓的金層202，同時也可以觀察到鍵合片另一面的裸支撐晶圓的切邊203、204，以及露出的TSV晶圓的金層。在保證圓心重合后進行Au-Au鍵合。鍵合過程為:抽真空至，升溫至250-300，加壓，保溫1.5-2h后,冷卻至室溫。在圖3中，用厚度為0.02mm的銅導電膠帶301分別貼住露出的四個部位的種子層，然后四個膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具401便可以與這四個導電膠帶301接觸實現TSV電鍍填充。待電鍍完成后，將導電膠帶301撕掉去除。
權利要求
1.一種采用裸支撐晶圓非對準鍵合工藝來制作TSV方法，其特征在于所述的非對準鍵合工藝是利用晶圓帶有兩條平行切邊的結構特點，將TSV晶圓與支撐晶圓帶有金層的面相對、圓心重合但晶圓不重合后進行Au-Au鍵合；鍵合后用銅導電膠帶與電鍍引線夾具連接實現TSV電鍍填充。
2.如權利要求1所述的電鍍方法，其特征在于是采用裸支撐晶圓和TSV晶圓非重合的Au-Au鍵合以露出種子層的方法，具體步驟是: (1)在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一個面上分別先后濺射一層Tiff和Au層； (2)將TSV晶圓的Au層面與裸支撐晶圓的Au層面相對并且完全重合，然后將任意一片晶圓以圓心為中心旋轉90度,另一片不動，每片晶圓的兩個切邊位置露出了另一片晶圓的Au種子層，使電流密度在鍵合晶圓中均勻分布，然后在保證圓心重合后置于鍵合機中升溫加壓進行Au-Au鍵合； (3)用銅導電膠帶分別貼住露出的四個切邊部位的種子層，然后導電膠帶引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具與導電膠帶接觸實現TSV電鍍填充；待電鍍完成后，將導電膠帶撕掉去除。
3.按權利要求2所述的方法，其特征在于所述的在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一個面上分別先后濺射一層TiW和Au層的厚度分別為40-60nm和150_250nm。
4.按權利要求2所述的方法，其特征在于所述的裸支撐晶圓與TSV晶圓在鍵合機中進行升溫加壓鍵合的工藝參數是從室溫升溫至250-300°C，鍵合壓力2500 3000mbar，峰值加壓保溫后緩慢冷卻至室溫。
5.按權利要求2所述的方法，其特征在于從室溫升溫至250-300°C的時間為10_20min，峰值加壓保溫的時間為1.5-2h。
6.按權利要求2所述的工藝方法，其特征在于采用的銅導電膠帶的厚度厚度為0.01-0.03_。
7.按權利要求2所述的工藝方法，其特征在于TSV的通孔為圓形，孔徑介于15-80μ m之間。
全文摘要
本發明涉及一種采用非對準鍵合工藝來制作TSV的電鍍方法，其特征是利用晶圓帶有兩條平行切邊的特點，將TSV晶圓與支撐晶圓帶有金層的面相對、圓心重合但晶圓不重合后進行Au-Au鍵合。鍵合后用銅導電膠帶與電鍍引線夾具連接實現TSV電鍍填充。其工藝步驟為在已刻蝕出TSV的TSV晶圓的背面和裸支撐晶圓的一面上分別先后濺射一層TiW和Au層；將TSV晶圓的Au層面與裸支撐晶圓的Au層面相對并且完全重合，然后將其中一片晶圓以圓心為中心旋轉90度，另一片不動，然后在保證圓心重合后升溫加壓進行Au-Au鍵合。然后用銅導電膠帶分別貼住露出的四個切邊部位的種子層，引到鍵合晶圓的正面，電鍍引線夾具導電膠帶接觸實現TSV電鍍填充，并將導電膠帶撕掉去除。
文檔編號H01L21/60GK103199026SQ20121000629
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者陳驍, 羅樂, 湯佳杰, 徐高衛 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所