制作TSV時采用的二次濕法腐蝕支撐晶圓分離的工藝制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種制作穿硅通孔(Through?Silicon?Via，TSV)時采用的二次濕法腐蝕晶圓的分離工藝，其特點在于首先將裸支撐晶圓進行第一次KOH濕法腐蝕到一定厚度后，通過濺射TiW和Au層，與TSV晶圓進行Au-Au鍵合。待TSV晶圓完成TSV電鍍填充后，對裸支撐晶圓進行第二次KOH濕法腐蝕去除，最后放入Au腐蝕液去掉鍵合介質(zhì)，獲得完整的TSV晶圓。該方法操作簡便，成本低，具有較高的可靠性和實用性。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
制作TSV時采用的二次濕法腐蝕支撐晶圓分離的工藝
本專利技術(shù)涉及一種制作穿硅通孔(ThroughSiliconVia，TSV)時采用的二次濕法腐蝕晶圓的分離工藝，該工藝操作十分簡便，成本很低，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(shù)介紹
為了滿足超大規(guī)模集成電路(VLSI)發(fā)展的需要，新穎的3D堆疊式封裝技術(shù)應(yīng)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(shù)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(xué)導(dǎo)通，實現(xiàn)芯片之間互連的最新的封裝互連技術(shù)，與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術(shù)不同，所述的封裝互連技術(shù)采用TSV(ThroughSiliconVia，穿硅通孔)代替了先前的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(yè)內(nèi)人士將TSV稱為繼引線鍵合(WireBonding)、載帶自動焊(TAB)和倒裝芯片(FC)之后的第四代封裝技術(shù)。通常，晶圓TSV結(jié)構(gòu)的制作方式主要為：(1)通孔制備。采用DRIE在晶圓上制備高深寬比的垂直Si通孔；(2)通孔電鍍。在通孔側(cè)壁上淀積SiO2絕緣層后，通過預(yù)先制作的金屬種子層電鍍金屬Cu使金屬充滿整個Si通孔；(3)化學(xué)機械拋光(CMP)。通孔電鍍后部分金屬Cu露出TSV，導(dǎo)致晶圓表面凹凸不平，采用CMP將過量的Cu研磨掉后繼續(xù)研磨晶圓可以獲得不同厚度TSV圓片；(4)圓片與圓片或芯片與圓片之間的精確對準后的鍵合工藝。上述TSV結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)需要經(jīng)過一系列的半導(dǎo)體制作工藝，即在只有幾百微米厚度的晶圓中制作TSV穿硅通孔，需要經(jīng)過光刻、DRIE、濺射、電鍍、PVD、CMP和鍵合等一系列工藝，導(dǎo)致晶圓應(yīng)力較大而容易破碎，因此制作工藝成本高、產(chǎn)率低。為了克服晶圓易碎導(dǎo)致產(chǎn)率低的難題，最近出現(xiàn)了一種鍵合裸支撐晶圓的新工藝，就是將一張裸晶圓與制作TSV的晶圓鍵合在一起，對TSV晶圓起到支撐保護的作用，這樣TSV晶圓再經(jīng)過一系列復(fù)雜工藝時因為強度的提高，大大減少了晶圓破碎現(xiàn)象的產(chǎn)生，待TSV制作完成后采用特殊工藝將裸支撐晶圓去除。在裸支撐晶圓鍵合方面，目前普遍采用Au-Au鍵合工藝，該工藝的優(yōu)點是Au-Au鍵合溫度低、強度高，并且鍵合介質(zhì)Au可以同時作為TSV電鍍時的種子層。裸支撐晶圓鍵合后，在TSV晶圓上經(jīng)過TSV電鍍和CMP工藝，然后制作各種金屬布線和焊盤等后續(xù)工藝，最后將裸支撐晶圓去除。目前普遍采用快速研磨的工藝將裸支撐晶圓從原始厚度400-700μm快速研磨至20-40μm，然后再采用干法減薄將剩余厚度的裸支撐晶圓去除，露出鍵合介質(zhì)Au層，然后繼續(xù)用干法刻蝕將Au層刻除得到TSV晶圓。這種方法的可靠性較差，快速研磨對晶圓的強度要求很高，TSV晶圓因為其特殊的穿硅結(jié)構(gòu)并且經(jīng)過了一系列復(fù)雜工藝后，強度很低，在快速研磨的過程中容易發(fā)生破碎。此外，干法刻蝕的成本極高，晶圓刻蝕20-40μm厚度會帶來生產(chǎn)成本的提高。在此工作基礎(chǔ)上，本專利技術(shù)的申請人擬提供一種制作TSV時采用的二次濕法腐蝕方法使晶圓分離的工藝，構(gòu)筑成本專利技術(shù)的構(gòu)思。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了解決裸支撐晶圓與TSV晶圓分離的操作和成本問題，本專利技術(shù)提出了一種可靠性高、成本低廉的制作TSV時采用的二次濕法腐蝕方法使支撐晶圓分離的工藝。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：將裸支撐晶圓進行第一次KOH濕法腐蝕工藝，KOH濃度為40％(質(zhì)量百分濃度)，晶圓的兩面同時腐蝕，厚度從初始厚度400-700μm減薄至150-200μm，接著在以刻蝕TSV的晶圓的背面和已經(jīng)經(jīng)過KOH腐蝕的裸支撐晶圓的一面分別先后濺射TiW層和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。兩片晶圓的Au面相對置于鍵合機中升溫加壓進行Au-Au鍵合；在裸支撐晶圓與TSV晶圓鍵合后，鍵合介質(zhì)Au同時可以作為TSV電鍍時的種子層，然后在TSV晶圓的正面經(jīng)過TSV電鍍填充和CMP工藝，最后制作各種金屬布線和焊盤等后續(xù)工藝。因為在制作這類后續(xù)工藝時必然會在TSV晶圓的正面沉積氧化硅或者氮化硅絕緣層，而KOH濕法腐蝕只能快速腐蝕單晶硅而對絕緣層的腐蝕速度極慢，所以在TSV晶圓的正面進行后續(xù)工藝時需進行第二次KOH濕法腐蝕，KOH濃度同樣為40％，由于裸支撐晶圓其中一面與TSV晶圓的背面進行了Au-Au鍵合，因此只有裸支撐晶圓的另一面可以被KOH濕法腐蝕。待裸支撐晶圓完全腐蝕掉后露出了鍵合介質(zhì)TiW/Au，然后放入Au腐蝕液去掉TiW/Au層，便可獲得完整的TSV晶圓。①本專利技術(shù)特征之一在于提出了兩次濕法腐蝕的方法，第一次KOH腐蝕是為了得到厚度盡可能薄并且能夠符合Au-Au鍵合強度要求的裸支撐晶圓，因為第一次KOH腐蝕是晶圓兩面同時腐蝕，腐蝕速率很快，因此得到厚度越薄的裸支撐晶圓在與TSV晶圓鍵合后進行第二次腐蝕所需要的腐蝕時間就會縮短，生產(chǎn)效率變會提高。②本專利技術(shù)特征之二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面上分別先后濺射一層TiW和Au層，厚度分別為40-60nm和150-250nm。③本專利技術(shù)特征之三在于從室溫升溫至250-300℃的時間為10-20min，峰值加壓保溫的時間為1.5-2h，鍵合壓力2500-3000mbar，峰值加壓保溫后緩慢冷卻至室溫。④本專利技術(shù)特征之四在于TSV的通孔為圓形，孔徑介于15-80μm之間。綜上所述，本專利技術(shù)提供的工藝簡便易于操作、工藝可靠性很高，并且由于濕法腐蝕的成本極低，適合工業(yè)化生產(chǎn)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高成品率且低成本的晶圓TSV制作工藝。附圖說明圖1是經(jīng)過第一次KOH濕法減薄后的裸支撐晶圓的截面示意圖，虛線部分為裸支撐晶圓中已被濕法腐蝕掉的部分。圖2是通過裸支撐晶圓與TSV晶圓Au-Au鍵合完成TSV電鍍后的截面示意圖。圖3是經(jīng)過第二次KOH濕法腐蝕去除裸支撐晶圓后的TSV晶圓的截面示意圖。圖4是通過Au腐蝕液去除TiW/Au鍵合層后的TSV晶圓的截面構(gòu)造圖。具體實施方式為了能使本專利技術(shù)的優(yōu)點和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)進一步地說明。在圖1中，裸支撐晶圓101放入KOH腐蝕溶液中，厚度減薄至150-200μm。如果第一次濕法腐蝕后的裸支撐晶圓的最終厚度越薄，第二次濕法腐蝕的效率會越高，但晶圓厚度太薄在Au-Au鍵合時容易發(fā)生破碎，150-200μm的晶圓厚度是能夠保證Au-Au鍵合所要求的最薄厚度范圍。在圖2中，將已經(jīng)刻蝕出TSV202的TSV晶圓201的背面和裸支撐晶圓101的一面上分別先后濺射一層TiW和Au102厚度分別為50nm和200nm。TiW層很薄，其作用是增加粘附力，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。然后進行TSV電鍍填充，并完成TSV晶圓正面的CMP工藝。在圖3中，TSV晶圓正面在進行后續(xù)金屬布線和焊盤制作的過程中會沉積絕緣層203，然后將鍵合晶圓放入KOH溶液中進行第二次腐蝕，鍵合晶圓中只有裸支撐晶圓的一面會發(fā)生濕法腐蝕，直至裸支撐晶圓去除露出TiW/Au層為止。在圖4中，將TSV晶圓放入Au腐蝕液中去除TiW/Au層。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種制作穿硅通孔時采用的二次濕法腐蝕使支撐晶圓分離的工藝方法，其特點在于首先將裸支撐晶圓進行第一次KOH濕法腐蝕到一定厚度后，通過濺射TiW和Au層，與TSV晶圓進行Au?Au鍵合；待TSV晶圓完成TSV電鍍填充后，對裸支撐晶圓進行第二次KOH濕法腐蝕去除，最后放入Au腐蝕液去掉鍵合介質(zhì)，獲得完整的TSV晶圓。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種制作穿硅通孔時采用的二次濕法腐蝕使支撐晶圓分離的工藝方法，其特點在于，首先將裸支撐晶圓進行第一次KOH濕法腐蝕到厚度為150-200μm后，通過在已刻蝕TSV的晶圓的背面和已經(jīng)過KOH腐蝕的裸支撐晶圓的一面分別先后濺射TiW和Au層，然后將兩片晶圓的Au面進行Au-Au鍵合；再在TSV晶圓的正面進行TSV電鍍填充，鍵合介質(zhì)Au同時作為TSV電鍍時的種子層，待TSV晶圓完成TSV電鍍填充后，對裸支撐晶圓進行第二次KOH濕法腐蝕去除，最后放入Au腐蝕液去掉鍵合介質(zhì)，獲得完整的TSV晶圓。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于具體步驟是：(1)將裸支撐晶圓放入KOH溶液中進行第一次KOH濕法腐蝕工藝，晶圓的兩面同時腐蝕，厚度減薄至150-200μm；(2)在已刻蝕TSV的晶圓的背面和已經(jīng)過KOH腐蝕的裸支撐晶圓的一面分別先后濺射TiW和Au層，Au-Au面對準置于鍵合機中升溫加壓進行Au-Au鍵合；鍵合溫度為250-300℃；(3)裸支撐晶圓...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳驍，羅樂，湯佳杰，徐高衛(wèi)，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：