[发明专利]制作TSV时采用的二次湿法腐蚀支撑晶圆分离的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种制作穿硅通孔(Through Silicon Via，TSV)时采用的二次湿法腐蚀晶圆的分离工艺，该工艺操作十分简便，成本很低，具有较高的可靠性和实用性，属于圆片级TSV三维堆叠式互连封装技术领域。

背景技术

为了满足超大规模集成电路(VLSI)发展的需要，新颖的3D堆叠式封装技术应运而生。它用最小的尺寸和最轻的重量，将不同性能的芯片和多种技术集成到单个封装体中，是一种通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制造垂直电学导通，实现芯片之间互连的最新的封装互连技术，与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，所述的封装互连技术采用TSV(Through Silicon Via，穿硅通孔)代替了先前的2D-Cu互连，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，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，业内人士将TSV称为继引线键合(Wire Bonding)、载带自动焊(TAB)和倒装芯片(FC)之后的第四代封装技术。

通常，晶圆TSV结构的制作方式主要为：(1)通孔制备。采用DRIE在晶圆上制备高深宽比的垂直Si通孔；(2)通孔电镀。在通孔侧壁上淀积SiO₂绝缘层后，通过预先制作的金属种子层电镀金属Cu使金属充满整个Si通孔；(3)化学机械抛光(CMP)。通孔电镀后部分金属Cu露出TSV，导致晶圆表面凹凸不平，采用CMP将过量的Cu研磨掉后继续研磨晶圆可以获得不同厚度TSV圆片；(4)圆片与圆片或芯片与圆片之间的精确对准后的键合工艺。

上述TSV结构的实现需要经过一系列的半导体制作工艺，即在只有几百微米厚度的晶圆中制作TSV穿硅通孔，需要经过光刻、DRIE、溅射、电镀、PVD、CMP和键合等一系列工艺，导致晶圆应力较大而容易破碎，因此制作工艺成本高、产率低。为了克服晶圆易碎导致产率低的难题，最近出现了一种键合裸支撑晶圆的新工艺，就是将一张裸晶圆与制作TSV的晶圆键合在一起，对TSV晶圆起到支撑保护的作用，这样TSV晶圆再经过一系列复杂工艺时因为强度的提高，大大减少了晶圆破碎现象的产生，待TSV制作完成后采用特殊工艺将裸支撑晶圆去除。在裸支撑晶圆键合方面，目前普遍采用Au-Au键合工艺，该工艺的优点是Au-Au键合温度低、强度高，并且键合介质Au可以同时作为TSV电镀时的种子层。裸支撑晶圆键合后，在TSV晶圆上经过TSV电镀和CMP工艺，然后制作各种金属布线和焊盘等后续工艺，最后将裸支撑晶圆去除。目前普遍采用快速研磨的工艺将裸支撑晶圆从原始厚度400-700μm快速研磨至20-40μm，然后再采用干法减薄将剩余厚度的裸支撑晶圆去除，露出键合介质Au层，然后继续用干法刻蚀将Au层刻除得到TSV晶圆。这种方法的可靠性较差，快速研磨对晶圆的强度要求很高，TSV晶圆因为其特殊的穿硅结构并且经过了一系列复杂工艺后，强度很低，在快速研磨的过程中容易发生破碎。此外，干法刻蚀的成本极高，晶圆刻蚀20-40μm厚度会带来生产成本的提高。在此工作基础上，本发明的申请人拟提供一种制作TSV时采用的二次湿法腐蚀方法使晶圆分离的工艺，构筑成本发明的构思。

发明内容

为了解决裸支撑晶圆与TSV晶圆分离的操作和成本问题，本发明提出了一种可靠性高、成本低廉的制作TSV时采用的二次湿法腐蚀方法使支撑晶圆分离的工艺。

本发明的技术方案是：将裸支撑晶圆进行第一次KOH湿法腐蚀工艺，KOH浓度为40％(质量百分浓度)，晶圆的两面同时腐蚀，厚度从初始厚度400-700μm减薄至150-200μm，接着在以刻蚀TSV的晶圆的背面和已经经过KOH腐蚀的裸支撑晶圆的一面分别先后溅射TiW层和Au层，TiW层的作用是增加粘附力，Au层是用于进行Au-Au键合以及作为TSV电镀Cu时的种子层。两片晶圆的Au面相对置于键合机中升温加压进行Au-Au键合；在裸支撑晶圆与TSV晶圆键合后，键合介质Au同时可以作为TSV电镀时的种子层，然后在TSV晶圆的正面经过TSV电镀填充和CMP工艺，最后制作各种金属布线和焊盘等后续工艺。因为在制作这类后续工艺时必然会在TSV晶圆的正面沉积氧化硅或者氮化硅绝缘层，而KOH湿法腐蚀只能快速腐蚀单晶硅而对绝缘层的腐蚀速度极慢，所以在TSV晶圆的正面进行后续工艺时需进行第二次KOH湿法腐蚀，KOH浓度同样为40％，由于裸支撑晶圆其中一面与TSV晶圆的背面进行了Au-Au键合，因此只有裸支撑晶圆的另一面可以被KOH湿法腐蚀。待裸支撑晶圆完全腐蚀掉后露出了键合介质TiW/Au，然后放入Au腐蚀液去掉TiW/Au层，便可获得完整的TSV晶圆。