专利名称：一种tsv芯片键合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及TSV(Thr0ugh Silicon Via，硅通孔)的芯片三维集成技术，具体涉及一种TSV键合层结构的设计，属于微电子技术领域。
背景技术：
如今的半导体工业界普遍认为，基于TSV的芯片三维集成技术，是可以使芯片继续沿着摩尔定律的蓝图向前发展的重要技术之一。对于TSV芯片的堆叠，目前普遍且可靠的方法之一是，微凸点(micro bump)间通过焊料进行金属间的键合，形成金属间化合物 (IMC)。IMC的熔点较高，可以再进行与另外一层芯片的键合。如图1所示，101和102为TSV芯片，103和104为导电通孔，105和106为导电微
凸点。一般的，105和106通过焊料107进行键合。键合需要一定的温度、压强和时间。键合温度下焊料107会变得松软，键合时在竖直方向上加一定压力并持续一定时间。如果微凸点表面不平、或者芯片表面上微凸点高度参差不齐、微凸点上焊料的量各不相同、工艺条件和环境稍有偏差，则在横向上可能产生力的分量，使两个芯片在键合过程中发生横向偏移，导致微凸点间键合的偏差。随着微凸点尺寸的减小，微凸点平整度、高度一致性及焊料适量性越来越难以控制，横向偏移发生的可能性变大。业界认为，将来通孔直径会缩小到 5微米左右，微凸点尺寸及间距将随之减小，微凸点间即使几个微米级的横向偏移也会成为影响整个叠层芯片可靠性的重要因素，其表现在电学和热力学特性上的改变。目前，解决上述问题的较为普遍的方法之一是把键合层的一对微凸点中的其中一个微凸点尺寸做大一点，从而即使有偏移，两个微凸点间还是可以完整地接触。但是，随着微凸点尺寸及节距的减小，尺寸较大的导电微凸点意味着键合层中两个相邻导电微凸点间距近一步减小，信号串扰及短路的可能性变大。而且在高密度TSV叠层芯片上微凸点的尺寸将会受到严格限制，由此看来，大小微凸点键合层结构并非是高密度TSV叠层芯片中防止横向偏移造成可靠性降低甚至器件失效的最佳方法之一。另外，尽管高精度的键合机会减少偏差，但必然带来成本上升问题。另外，随着芯片向三维发展，三层以上叠层芯片的散热成为举足轻重的问题。此时可能会在叠层芯片上引入微流道108和109，通过流体把叠层芯片中间层芯片产生的热量散出去。如图1所示，TSV芯片101和102键合时发生了横向偏移，从而导致了微流道凸点 110和111中的通孔偏离，造成微流道通路堵塞。若采用上面所述的大小导电微凸点的方法，则不能从根本上解决问题。尽管解决了电学上的完整接触问题，但没有解决微流道通路的偏差甚至堵塞带来的可靠性问题。至于通过增大110和111中的通孔尺寸的方法来解决微流道通路的堵塞问题，则不仅无法在根本上解决问题，而且如果发生了键合时的横向偏移，微流道通路肯定不会是直线通路，流体会在键合层微凸点中的通路上拐一个弯，这会带来另一个问题，就是流体的不畅通导致流体速度变慢，热量不能及时散去，热导致的流体气化问题变得严重，大量的气体堵在微凸点通孔周围，进而导致流体通道的堵塞，热量积聚在芯片，最终导致芯片失效。这是没有根本解决问题而带来的结果。另外，增大微流道通孔108或109的通孔尺寸，形成大小流道通孔连接，一定程度上避免通路堵塞的问题，但也不是最佳的解决办法。所以要在根本上解决芯片键合时发生的横向偏移问题。铜-铜直接键合也是未来发展趋势之一，铜_铜间的键合属于金属扩散键合，其不需要焊料， 但要求较高的压强。在高压强下，横向偏移发生的可能性变大。因此，本领域迫切需要一种TSV键合层结构来防止芯片在进行键合时发生横向偏移，提高对准精度，在根本上解决问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种新的TSV叠层芯片键合层结构，提高对准精度，从根本上解决横向偏移等问题。为了实现本发明的技术目的，本发明采用如下技术方案。 一种TSV芯片键合结构，如图2所示，所述键合结构包括第一芯片1和第二芯片2， 所述第一芯片1包括第一微凸点11和第一微凸点11周围的第一环绕结构12，所述第一环绕结构12的高度大于所述第一微凸点11的高度；所述第二芯片2包括第二微凸点21，所述第二微凸点21嵌入所述第一环绕结构12且所述第一环绕结构12限制所述第二微凸点 21的横向位移。如图2所示，所述第二芯片2还可包括第二环绕结构22以增强横向固定效果，所述第二环绕结构22的高度大于所述第二微凸点21的高度；在此情况下，所述第一环绕结构 12嵌入所述第二环绕结构22且所述第二环绕结构22限制所述第一环绕结构12的横向位移。优选地，所述第二微凸点的横截面为正方形，所述第一环绕结构的横截面为带间隔的圆形或正方形。为了限制第二微凸点的横向位移(也就是第二芯片相对于第一芯片的横向位移)，第二微凸点和第一环绕结构应当具有相吻合的尺寸，使第二微凸点正好嵌入第一环绕结构。因此，两者之间可以存在线接触或者面接触，保证第二微凸点只能在很小的范围内活动或者完全不能活动。优选地，所述第一环绕结构的横截面为正方形，所述第二环绕结构的横截面为带间隔的圆形或正方形。同样，为了限制第一环绕结构的横向位移(也就是第一微凸点的横向位移，或者说第一芯片相对于第二芯片的横向位移)，第二环绕结构和第一环绕结构应当具有相吻合的尺寸，使第一环绕结构及其内部的第一微凸点正好嵌入第二环绕结构。因此， 两个环绕结构之间可以存在线接触或者面接触，保证第一环绕结构只能在很小的范围内活动或者完全不能活动。优选地，所述第二环绕结构可以在横向上向外拓展，进而覆盖芯片表面；即所述第二环绕结构可以是位于所述第二芯片表面的带有空心中部的材料层，所述空心中部容纳所述第一环绕结构，限制所述第一环绕结构的横向位移。优选地，所述第一微凸点和所述第二微凸点可以具有相同的横截面形状和尺寸。优选地，所述第一微凸点和所述第二微凸点电连接，且各自和所述芯片内的通孔电连接，即第一微凸点和第一芯片内的通孔电连接，第二微凸点和第二芯片内的通孔电连接，由此构成一个可以导电的芯片键合结构。
优选地，所述第一微凸点和所述第二微凸点相连，且各自具有空心的中部，由此在整个键合结构内部形成一个密封的流道，用于散热流体的流通。此外，所述第一芯片和/或第二芯片表面可以包括多个微凸点，可以在其中的几个微凸点上设置上述嵌入结构，由此实现两个芯片之间的横向固定；也可以在所述第一芯片和第二芯片的其它表面上通过上述嵌入结构增加更多的芯片，即芯片键合结构由三个以上的芯片组成，但它们均不脱离本发明的权利要求保护范围。和现有技术相比，本发明的优势在于有助于实现芯片键合之前的精确对准接触； 防止芯片在进行键合过程中发生横向偏移。
图1表示现有技术中两个TSV芯片键合时发生的横向偏移的示意图；图2表示本发明芯片键合结构的组装示意图；图3表示相邻芯片上的键合结构在横向上彼此固定的俯视示意图；图4表示一个TSV芯片及芯片上的微凸点和环绕结构示意图；图5表示本发明实施例的TSV芯片键合结构示意图；图6表示本发明实施例的TSV芯片键合结构示意图；图7表示本发明实施例的TSV芯片键合结构示意图；图8表示本发明实施例的TSV芯片键合结构示意图；图9表示本发明实施例的TSV芯片键合结构示意图；图10、图11为TSV叠层芯片及芯片间的键合层相邻两个芯片表面上的微凸点和环绕结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细描述本发明的具体实施例。需要说明的是，下面所讨论的具体实施例仅仅是在特定环境中的特定实施例，并非对本发明的范围限制。为了更好的说明本发明中叠层芯片中的每层硅芯片的结构特性，附图中的都是减薄后的硅芯片，叠层的一般工艺过程为，DRIE刻孔硅芯片、电镀填充、芯片临时键合到玻璃、减薄、永久键合到硅芯片、 与玻璃解键合。本发明可以用在其他半导体芯片上，所示的环绕结构和微凸点优选为正方形和圆形的，但也可以是其他任何形状，另外实施例中的尺寸是为了更好的说明发明内容， 并非实际比例。本发明中的金属微凸点间的键合可以是Cu-Sn键合，也可以是Cu-Cu键合， 金属微凸点可以与TSV导电通孔直接接触，也可以通过RDURedistribution Layer)的方式与导电通孔形成电学连接。TSV芯片上的一个面或者两个面都可以有RDL层。此外需要说明的是，本发明权利要求所述的“第一芯片，，和“第二芯片，，具有相对的含义，旨在便于描述。在具体实施例中，所述的“第一芯片”既可以是权利要求所述的“第一芯片”也可以是“第二芯片”，并不影响技术方案的实质内容。在下面的实施例中，一些关键结构的参数信息为单个芯片的厚度约为30μπι 200μπι;通孔直径约为5μπι 20μπι;微凸点尺寸约为5μπι 30μπι;微凸点高度约为 3 μ m 20 μ m ；环绕结构高度为5 μ m 40 μ m。如图3a和b所示，201表示第一芯片表面上的环绕结构，202表示第二芯片表面上的微凸点的结构，其形状大小根据201的结构而确定。图中可以看出，环绕结构201可以在横向上卡住微凸点202，从而防止在键合过程中芯片可能发生的横向位移。在图3a中，201 和202之间存在线接触，即在202的每一个侧面上，201的曲面的两个端部将侧面抵住，形成两个线接触。在图3b中，201和202之间存在面接触，即在202的每一个侧面上，201的内表面与之接触，形成和图3a相比更好的固定效果。如图3c和d所示，203、204表示第一芯片表面上的微凸点和环绕结构，205表示第二芯片表面上的环绕结构，图中可以看出微凸点203、环绕结构204与环绕结构205在横向上依次卡住。在图3c中，205分别和203及204之间存在线接触。在图3d中，205分别和 203及204之间存在面接触。通过图3a_d可知，微凸点和环绕结构的横截面都不拘泥于特定的形状，既可以是圆形的，也可以正方形的，甚至其它形状；两者之间的接触形式既可以是线接触，也可以是面接触，或者可能的其它接触方式，但其核心点都在于通过一个环绕结构在横向上将微凸点固定，还可以通过另一个环绕结构将该环绕结构横向固定。在具体进行键合前的对准接触操作时，可以在两个芯片接触后，对上面的芯片加上适度的横向力，若其不移动就说明已经实现了精确的对准，若其移动则说明没有精确对准，要重新进行对准接触操作。通过这样的结构以及操作方式有助于实现精确的对准接触， 在第一步就可以减少横向对准偏移。而且更重要的是在下一步的键合过程当中可以防止发生横向偏移。如图4a所示，TSV芯片中301表示衬底，过渡层302为氧化层，303为防扩散层。 302可以用PECVD或LPCVD淀积形成，303则可以用PVD或ALD方法形成。304表示填满导电材料的通孔，可以用电镀方法填充。305和306分别为芯片表面的钝化层，可以用PECVD 或LPCVD淀积形成，或者旋涂后加热固化形成。307和308为芯片一表面上的微凸点和环绕结构，309为芯片另一表面上的微凸点。303防扩散层优选为Ti、W, 304中的导电材料优选为Cu。钝化层305和306可以是氧化硅、氮化硅、BCB或PI等有机物。微凸点307和309 可以通过先溅射种子层再电镀形成，优选为Cu。若308为金属，则可以先溅射或MOCVD淀积种子层，再电镀形成，然后在表面还可以淀积氧化硅或氮化硅等钝化层；若308为有机聚合物，则可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积有机物。有机物的淀积方法一般是，旋涂后在烘箱里加热固化。然后用等离子体刻蚀的方法来图形化，比如BCB、PI等材料。其过渡层是可以增强有机物粘附强度的有机物。需要说明的是，图中导电微凸点直接与通孔接触， 微凸点还可以通过与器件互联层的顶层金属层接触、通过与RDL层接触来跟通孔形成电学连接。图中微凸点309周围也可以有环绕结构。在以下的附图中，通孔及过渡层和图4a的情况相同，即通孔304，氧化层302和防扩散层303。如图4b所示，硅衬底311中，312为第一表面钝化层，313为RDL层，314为钝化层，315为导电微凸点，316为环绕结构。第二表面上317为钝化层，318为导电微凸点，319为环绕结构。其中312和317可以通过PECVD或LPCVD淀积形成，或者旋涂后加热固化形成。 313可以通过溅射或MOCVD淀积种子层后再电镀形成，313材料优选为Cu。314可以为氧化物、氮化物，可以通过PECVD或LPCVD淀积形成，另外314也可以是有机物，如BCB等。315、 318可以通过先溅射或MOCVD淀积种子层然后再电镀形成。若316、319为非金属，不妨为有机聚合物，则可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成；若316、319为金属，则可以先溅射或MOCVD淀积种子层再电镀形成，然后可以在表面淀积钝化层。如图5所示，a为纵向剖面图，b为横向剖面图，其中401为第一 TSV芯片硅衬底， 402为钝化层，403为导电微凸点，404为环绕结构。405为第二 TSV芯片硅衬底，406为钝化层，407为导电微凸点。键合层结构408包括了键合层中第一芯片上的微凸点403、环绕结构404和第二芯片上的微凸点407。其中402和406可以通过PECVD或LPCVD淀积形成， 或者旋涂后加热固化形成。403和407可以通过先溅射或MOCVD淀积种子层然后再电镀形成。若404为非金属，不妨为有机聚合物，则可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成；若404为金属，则可以先溅射或MOCVD淀积种子层再电镀形成，然后可以在404表面淀积钝化层。从图中408可以看出，环绕结构404在横向上卡住了微凸点407，防止键合时发生的横向偏移。 如图6所示，a为纵向剖面图，b为横向剖面图，其中501为第一 TSV芯片硅衬底， 502为钝化层，503为导电微凸点，504为环绕结构。505为第二 TSV芯片硅衬底，506为钝化层，507为导电微凸点，508为环绕结构。键合层结构509包括了键合层中第一芯片上的 503、504和第二芯片上的507、508。其中502和506可以通过PECVD或LPCVD淀积形成，或者旋涂后加热固化形成。503和507可以通过先溅射或MOCVD淀积防扩散层然后再电镀形成。若504和508为非金属，不妨为有机聚合物，则可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成；若504和508为金属，则可以先溅射或MOCVD淀积种子层再电镀形成，然后可以在表面淀积钝化层。从图中509可以看出，第一芯片上的503、504和第二芯片上的508可以在横向上彼此固定住。需要说明的是，根据具体情况，导电微凸点周围还可以有更多个环绕结构。如图7所示，a为纵向剖面图，b、c为横向剖面图，其中511为第一 TSV芯片硅衬底，512为钝化层，513为导电微凸点。514为环绕结构，其可以看作是图6中504的向外扩展，在511芯片表面上各个环绕结构扩展成为一体，如图7 (c)所示。515为第二 TSV芯片硅衬底，516为钝化层，517层可以与514进行键合以提高整个键合结构的键合强度，518为导电微凸点，519为环绕结构，键合层结构520包括了键合层中第一芯片上的513、514和第二芯片上的518、519。其中512和516可以通过PECVD或LPCVD淀积形成，或者旋涂后加热固化形成。513和518可以通过电镀或者先溅射或MOCVD淀积防扩散层然后再电镀形成。 514、517可以为有机物或者钝化物质，优选有机物，可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成，并且514和517间可以进行键合。若519为非金属，不妨为有机聚合物，则可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成；若519为金属，则可以先溅射或MOCVD淀积种子层再电镀形成，然后可以在表面淀积钝化层。从图中520可以看出，第一芯片上的513、 514和第二芯片上的519可以在横向上彼此固定住。如图8所示，a为纵向剖面图，b为横向剖面图，其中601为第一 TSV芯片硅衬底， 602为微流道通孔，603和604分别为第一、第二过渡层，605为钝化层，606为微流道凸点， 607为环绕结构。608为第二 TSV芯片硅衬底，609为微流道通孔，610和611分别为第一、 第二过渡层，612为钝化层，613为微流道凸点，614为环绕结构。键合层结构615包括了键合层中第一芯片上的606、607和第二芯片上的613、614。微流道通孔侧壁的第一过渡层可以是氧化硅，可用PECVD或LPCVD淀积形成；第二过渡层可以是金属，如Ti，可以用PVD或ALD淀积形成。钝化层605、612可以用PECVD或LPCVD淀积形成，或者旋涂后加热固化形成。微流道凸点606和613优选为有机聚合物，可直接旋涂淀积再固化，然后等离子体刻蚀形成。环绕结构607和614优选为有机聚合物，则可以直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成。旋涂时会有一部分有机物渗入到通孔，固化后进行等离子体刻蚀时，图形化完成之后再刻蚀掉通孔中残留的有机物。从图中615可以看出，第一芯片上的606、607和第二芯片上的614可以在横向上彼此固定住。另外，也可以用图5中408的键合层结构，即只用一个环绕结构卡住另一芯片的微凸点。如图9所示，a为纵向剖面图，b为横向剖面图。621为第一 TSV芯片硅衬底，622 为微流道通孔，623和624分别为第一、第二过渡层，625为钝化层，626为微流道凸 点。627 为环绕结构，其可以看作是图8中607的向外扩展。628为第二 TSV芯片硅衬底，629为微流道通孔，630和631分别为第一、第二过渡层，632为钝化层，633为过渡层，634为微流道凸点，635为环绕结构。633层可以与627进行键合以提高整个键合结构的键合强度。键合层结构636包括了键合层中第一芯片上的626、627和第二芯片上的634、635。微流道通孔侧壁的第一过渡层可以是氧化硅，可用PECVD或LPCVD淀积形成；第二过渡层可以是金属， 如Ti，可以用PVD或ALD淀积形成。钝化层625、632可以用PECVD或LPCVD淀积形成，或者旋涂后加热固化形成。633、626和634优选为有机聚合物，可直接旋涂淀积再加热固化，然后等离子刻蚀形成。环绕结构627和635优选为有机聚合物，则可用同样方法直接淀积或者先淀积过渡层然后再淀积形成。旋涂时会有一部分有机物渗入到通孔，固化后进行等离子体刻蚀时，图形化完成之后再刻蚀掉通孔中残留的有机物。从图中636可以看出，第一芯片上的626、627和第二芯片上的635可以在横向上彼此固定住。如图10所示，TSV叠层芯片701包括硅衬底702和703、省略结构704和705以及导电通孔。704和705可以是硅基板、TSV芯片或者是同质、异质的TSV叠层芯片。702和 703间的键合层结构为图6中所示的509，702和704间的键合层结构为图7中所示的520， 703和705间的键合层结构为图5中所示的408。需要说明的是各个TSV叠层芯片的键合层结构可以按照408、509和520，以及其他类似结构的任意排列。如图11所示，TSV叠层芯片801包括硅衬底802和803、省略结构804和805以及导电通孔和微流道通孔。804和805可以是硅基板、TSV芯片或者是同质、异质的TSV叠层芯片。802和803,802和804,803和805金属微凸点间的键合层结构分别为图6、图7、图5 中所示的509、520、408。802和803、803和805微流道通孔间的键合层结构为图8中所示的615，802和804微流道通孔间的键合层结构为图9中所示的636。
权利要求
1.一种TSV芯片键合结构，所述键合结构包括第一芯片和第二芯片，其特征在于，所述第一芯片包括第一微凸点和第一微凸点周围的第一环绕结构，所述第一环绕结构的高度大于所述第一微凸点的高度；所述第二芯片包括第二微凸点，所述第二微凸点嵌入所述第一环绕结构且所述第一环绕结构限制所述第二微凸点的横向位移。
2.如权利要求1所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第二芯片还包括第二环绕结构，所述第二环绕结构的高度大于所述第二微凸点的高度；所述第一环绕结构嵌入所述第二环绕结构且所述第二环绕结构限制所述第一环绕结构的横向位移。
3.如权利要求1或2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第二微凸点的横截面为正方形，所述第一环绕结构的横截面为带间隔的圆形或正方形。
4.如权利要求2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一环绕结构的横截面为正方形，所述第二环绕结构的横截面为带间隔的圆形或正方形。
5.如权利要求2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一环绕结构的横截面为正方形，所述第二环绕结构为位于所述第二芯片表面的带有空心中部的材料层，所述空心中部容纳所述第一环绕结构。
6.如权利要求1或2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一微凸点和所述第二微凸点具有相同的横截面形状和尺寸。
7.如权利要求1或2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一微凸点和所述第二微凸点电连接，且各自和所述芯片内的通孔电连接。
8.如权利要求1或2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一微凸点和所述第二微凸点相连，且各自具有空心的中部。
9.如权利要求1或2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一微凸点和所述第二微凸点各自由金属或有机聚合物制成。
10.如权利要求2所述的TSV芯片键合结构，其特征在于，所述第一环绕结构和所述第二环绕结构各自由金属或有机聚合物制成。
全文摘要
本发明公开了一种TSV芯片键合结构，属于微电子技术领域。所述键合结构包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片包括第一微凸点和第一微凸点周围的第一环绕结构，所述第一环绕结构的高度大于所述第一微凸点的高度；所述第二芯片包括第二微凸点，所述第二微凸点嵌入所述第一环绕结构且所述第一环绕结构限制所述第二微凸点的横向位移。所述第二芯片还可包括第二环绕结构，所述第一环绕结构嵌入所述第二环绕结构且所述第二环绕结构限制所述第一环绕结构的横向位移。本发明可用于半导体器件的制造等领域。
文档编号H01L23/48GK102157459SQ20111006394
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者崔卿虎, 朱韫晖, 缪旻, 金玉丰, 马盛林 申请人:北京大学