一种基于银纳米颗粒的转接板及封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体封装技术领域，特别涉及一种基于银纳米颗粒的转接板及封装结构。


背景技术：

2.如摩尔定律所述，在过去几十年内，微电子产业得以飞速发展，光刻线条尺寸不断得到优化，工艺节点日益缩小。但随着晶体管特征尺寸逐渐接近物理极限，量子效应和短沟道效应也逐渐显现，难以再令半导体芯片一直以这种方式来应对现代社会日益增长的数据处理需求。为解决这一问题，将互连维度扩展至三维的芯片堆叠技术应运而生。芯片堆叠技术可以有效缩短互连长度、提高芯片功能密度，被公认为是满足当今诸如人工智能、数据中心等中高端应用的性能需求的理想解决方案。
3.其中，芯片的键合是实现芯片三维集成应用的关键环节。传统的微凸点加底填胶的倒装贴片方式在面对超高密度互连需求时，会面临底填胶分布不均匀、回流时钎料融化和桥接的风险。而铜/介质混合键合技术能兼容铜-铜和介质-介质的混合互连，无需微凸点与底充胶，是实现高密度芯片集成的关键技术。其中高密度芯片集成通常是指互连节距≤10μm、和/或互连密度≥10000个/mm2的芯片集成。
4.但是，在铜/介质混合键合技术中，实现铜-铜键合的工艺温度较高，通常会超过400℃，这极易引起器件的损伤，因此亟需开发低温条件下的金属/介质混合键合技术。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的部分或全部问题，本实用新型第一方面提供一种基于银纳米颗粒的转接板，其包括：
6.第一晶圆，其包括：
7.第一介质层，其上设置有第一焊盘孔，所述第一焊盘孔贯穿所
8.述第一介质层；以及
9.第一银纳米层，其包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒填充于所述第一焊盘孔内，所述第一银纳米层的第一表面与所述第一介质层的第一表面齐平；以及
10.第二晶圆，其第一表面键合至所述第一晶圆的第一表面，且包括：
11.第二介质层，其上对应于所述第一焊盘孔位置处设置有第二焊
12.盘孔，所述第二焊盘孔贯穿所述第二介质层；以及
13.第二银纳米层，其包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒填充于所述第二焊盘孔内，所述第二银纳米层的第一表面与所述第二介质层的第一表面齐平。
14.进一步地，所述第一晶圆还包括第一金属层，其包括第一金属，所述第一金属填充所述第一焊盘孔内，所述第一金属层的第一表面与所述第一银纳米层的第二表面相连，第二表面与所述第一介质层的第二表面齐平。
15.进一步地，所述第一金属为铜、或铝、或其合金。
16.进一步地，所述第二晶圆还包括第二金属层，其包括第二金属，所述第二金属填充所述第二焊盘孔内，所述第二金属层的第一表面与所述第二银纳米层的第二表面相连，第二表面与所述第二介质层的第二表面齐平。
17.进一步地，所述第二金属为铜、或铝、或其合金。
18.进一步地，所述第一银纳米层的第二表面与所述第一介质层的第二表面齐平。
19.进一步地，所述第二银纳米层的第二表面与所述第二介质层的第二表面齐平。
20.基于如前所述的基于银纳米颗粒的转接板，本实用新型第二方面提供一种封装结构，其采用如前所述的转接板实现芯片之间的电互连和/或信号互连。
21.本实用新型提供的一种基于银纳米颗粒的转接板及封装结构，采用银纳米颗粒填充于焊盘孔作为互连金属的独特结构，进而可利用银纳米颗粒互连金属结构的高表面能降低键合温度，实现低温下(＜300℃)的金属-介质混合键合，这一温度远低于块体银熔点，因此能够有效避免对有源芯片造成破坏。此外，银纳米颗粒互连金属结构还具有良好的导热及导电性能。
附图说明
22.为进一步阐明本实用新型的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本实用新型的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本实用新型的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
23.图1示出本实用新型一个实施例的一种基于银纳米颗粒的转接板的结构示意图；
24.图2示出本实用新型又一个实施例的一种基于银纳米颗粒的转接板的结构示意图；
25.图3a-3d示出根据本实用新型的一个实施例形成基于银纳米颗粒的转接板的过程的剖面示意图；以及
26.图4a-4d示出根据本实用新型的又一个实施例形成基于银纳米颗粒的转接板的过程的剖面示意图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
28.在本实用新型中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
29.在本实用新型中，各实施例仅仅旨在说明本实用新型的方案，而不应被理解为限制性的。
30.在本实用新型中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
31.在此还应当指出，在本实用新型的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅
一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本实用新型的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
32.在此还应当指出，在本实用新型的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本实用新型中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
33.针对实现铜-铜互连的温度较高，容易对有源芯片造成破坏这一问题，本实用新型提供一种基于银纳米颗粒的转接板及封装结构，采用银纳米颗粒填充焊盘孔并作为互连金属，利用银纳米颗粒的高表面能降低键合温度，实现低温下(＜300℃)的金属-介质混合键合。下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。
34.图1示出本实用新型一个实施例的一种基于银纳米颗粒的转接板的结构示意图。如图所示，一种基于银纳米颗粒的转接板包括第一晶圆与第二晶圆。其中所述第一晶圆的第一表面键合至所述第二晶圆的第一表面。
35.如图1所示，所述第一晶圆包括第一介质层111、第一银纳米层112以及第一金属层113。所述第一介质层111上设置有第一焊盘孔114，所述第一焊盘孔114贯穿所述第一介质层111。所述第一银纳米层112包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒填充于所述第一焊盘孔114内，使得所述第一银纳米层112的第一表面与所述第一介质层111的第一表面齐平。所述第一金属层113包括第一金属，所述第一金属填充所述第一焊盘孔114内，使得所述第一金属层113的第一表面与所述第一银纳米层112的第二表面相连，第二表面则与所述第一介质层111的第二表面齐平。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，所述第一晶圆也可不包括第一金属层113，即如图2所示，所述第一焊盘孔114完全由银纳米颗粒填满，使得所述第一银纳米层112的第二表面与所述第一介质层111的第二表面齐平。在本实用新型的一个实施例中，所述第一金属层113采用的材质为铜、铝或其合金等金属。在本实用新型的又一个实施例中，所述第一金属层113的厚度大于所述第一银纳米层112的厚度。优选地，所述第一银纳米层112的厚度为1微米。
36.如图1所示，所述第二晶圆包括第二介质层121、第二银纳米层122以及第二金属层123。所述第二介质层121上对应于所述第一焊盘孔114的位置处设置有第二焊盘孔124，所述第二焊盘孔124贯穿所述第二介质层121。所述第二银纳米层122包括银纳米颗粒，所述银纳米颗粒填充于所述第二焊盘孔124内，使得所述第二银纳米层122的第一表面与所述第二介质层121的第一表面齐平。所述第二金属层133包括第二金属，所述第二金属填充所述第二焊盘孔124内，使得所述第二金属层123的第一表面与所述第二银纳米层122的第二表面相连，第二表面则与所述第二介质层121的第二表面齐平。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，所述第二晶圆也可不包括第二金属层123，即如图2所示，所述第二焊盘孔124完全由银纳米颗粒填满，使得所述第二银纳米层122的第二表面与所述第二介质层121的第二表面齐平。在本实用新型的一个实施例中，所述第二金属层123采用的材质为铜、铝或其合金等金属。在本实用新型的又一个实施例中，所述第二金属层123的厚度大于所述第二银纳米层122的厚度。优选地，所述第二银纳米层122的厚度为1微米。
37.应当理解的是，在本实用新型的其他实施例中，也可使得所述第一焊盘孔完全由银纳米颗粒填满，而所述第二焊盘孔内的上下两部分别填充有第二金属及银纳米颗粒。或
者使得所述第二焊盘孔完全由银纳米颗粒填满，而所述第一焊盘孔内的上下两部分别填充有第一金属及银纳米颗粒，只要保证所述第一晶圆与第二晶圆相键合的一侧填充的是银纳米颗粒即可，即在所述第一晶圆与第二晶圆键合时，是银纳米颗粒与银纳米颗粒键合，以达到降低键合温度的目的。
38.图3a-3d示出根据本实用新型的一个实施例形成如图1所示的转接板的过程的剖面示意图。如图所示，如图1所示的转接板的形成包括：
39.首先，如图3a所示，在第一介质层利用大马士革工艺制备铜互连线及待键合的第一焊盘孔，采用第一金属填充所述第一焊盘孔，所述第一金属填充顶部距离所述第一介质层的第一表面留有一定厚度的余量，例如约为1μm，其中，填充的金属可以是铜、铝、或其合金等；
40.接下来，如图3b所示，进行银纳米颗粒填充，填充的方法可以是磁控溅射或者浆料刮涂后烘干，此时，所述第一焊盘孔中和所述第一介质层的第一表面均覆盖有银纳米颗粒，且所述第一焊盘孔已经被银纳米颗粒填满；
41.接下来，如图3c所示，利用化学机械抛光技术，将所述第一介质层和第一焊盘孔表面多余的银纳米颗粒研磨干净，获得低粗糙度的第一介质层键合表面，以及与所述第一介质层高度较为接近的金属高度，至此形成第一晶圆；以及
42.最后，如图3d所示，通过相同的工艺形成第二晶圆，并利用混合键合技术，对第一、第二晶圆进行键合。键合过程可以包括等离子体激活、水洗或者湿气处理引入亲水基团、对准、键合作业和退火处理等过程。退火过程中，可以施加适当的压力。
43.图4a-4d示出根据本实用新型的一个实施例形成如图2所示的转接板的过程的剖面示意图。如图所示，如图2所示的转接板的形成包括：
44.首先，如图4a所示，在第一介质层利用大马士革工艺制备互连线及待键合的第一焊盘孔，其中，所述互连线可以是铜、铝、或其合金等制成；
45.接下来，如图4b所示，进行银纳米颗粒填充，填充的方法可以是磁控溅射或者浆料刮涂后烘干，此时，所述第一焊盘孔中和所述第一介质层的第一、第二表面均覆盖有银纳米颗粒，且所述第一焊盘孔已经被银纳米颗粒填满；
46.接下来，如图4c所示，利用化学机械抛光技术，将所述第一介质层和第一焊盘孔表面多余的银纳米颗粒研磨干净，获得低粗糙度的第一介质层键合表面，以及与所述第一介质层高度较为接近的金属高度，至此形成第一晶圆；以及
47.最后，如图4d所示，通过相同的工艺形成第二晶圆，并利用混合键合技术，对第一、第二晶圆进行键合。键合过程可以包括等离子体激活、水洗或者湿气处理引入亲水基团、对准、键合作业和退火处理等过程。退火过程中，可以施加适当的压力。
48.基于如前所述的基于银纳米颗粒的转接板，本实用新型还提供一种封装结构，其采用如前所述的转接板实现芯片之间的电互连和/或信号互连。
49.采用银纳米颗粒填充焊盘孔并作为互连金属，利用银纳米颗粒的高表面能，使得其在远低于块体银熔点的温度下即可实现上下晶圆的金属键合互连，并且键合金属有优秀的导热、导电性能。
50.尽管上文描述了本实用新型的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变
型和改变而不背离本实用新型的精神和范围。因此，此处所公开的本实用新型的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。