基于硅通孔的电子元件堆叠的脉冲激光键合方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。专利技术概述本专利技术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。在本专利技术的优选实施例里，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)。在本专利技术的优选实施例里，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，本专利技术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。附图说明现通过范例并参考附图描述本专利技术的一些实施例，其中 图1是依照本专利技术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依次显示本专利技术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显示本专利技术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显示本专利技术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 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：史训清，马薇，谢斌，仲镇华，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]