[发明专利]半导体晶片的复合粘接方法及相关的三维集成器件

说明书

本申请公开了一种在不使用用于热压缩的专用工具的情况下执行两个半导体晶片的复合粘接的方法。根据本文公开的技术，可以将要结合在一起的半导体晶片放置在烤箱中，简单地保持一个在另一个之上，而无需在它们之间施加除自身重量以外的任何额外压缩。使用特殊类型的热固性材料，即固化时会收缩的硅氧烷聚合物，已经获得了这一出色的结果。在这些硅氧烷聚合物中，SC‑480型硅氧烷聚合物，SC‑200、SC‑300、SC‑400、SC‑500、SC‑700、SC‑800系列的硅氧烷聚合物及其混合物是特别合适的。

技术领域

本公开涉及半导体晶片之间的粘接，更具体地，涉及用于键合两个半导体晶片的复合粘接方法以及相关的三维集成器件，特别是集成的光学传感器。

背景

晶片粘接技术对于实现三维IC结构越来越重要。在晶片粘接中，将两个半导体晶片粘接在一起以形成三维堆叠。在需要两种不同晶片类型的应用中，这种方法可以在一个封装中提供具有两个功能性器件的单个器件。

在一个特定的应用中，CMOS图像传感器，包括图像传感器阵列的基板粘合到电路晶片上，从而提供3D IC系统，该系统在与传感器阵列相同的板区域上包括实现图像传感器所需的所有电路，可在单个封装的集成电路器件中提供完整的图像传感解决方案。用于堆叠两个半导体晶片的晶片粘接技术通常包括两种方法：纯介电粘接或金属粘接，以及复合粘接。纯介电粘接仅通过薄的裸片或晶片在整个表面上粘接就可以保证机械稳定性。但是，该方法将电互连的选项限制为“后通孔”方法。在金属粘接的情况下，电互连是粘接的主要功能，但是薄裸片的机械稳定化也需要在不需要电互连的区域中引入虚拟金属化。

与以前的技术相比，使用金属/电介质图案化层的复合晶片粘接方法涉及将用于直接电互连的金属粘接，以及用于机械粘接强度的电介质粘接结合。到目前为止，两种主要方法已获得专利，一种方法是使用嵌入SiO₂中的金属和嵌入聚合物层中的金属：

1.金属/SiO₂(齐珀超尼克斯(Ziptronix)直接粘接互连方法)；

2.金属/聚合物(BCB)(金属/粘合剂，通过首次3D粘接)。

复合晶片粘接方法在本领域中是众所周知的。以下文献提供用于实现两个半导体晶片之间的复合粘接的通用技术的教程公开：

-US2007/0207592；

-US2015/0294963；

-US2002/0074670；

-US2017/0062366；

-文章“使用部分固化的苯并环丁烯进行三维集成的粘性晶片粘接(AdhesiveWafer Bonding Using Partially Cured Benzocyclobutene for Three-DimensionalIntegration)”Frank Niklaus等人,J.Electrochem.Soc.2006,153卷,第4期,G291-G295；

-Jian-Qiang Lu,J.Jay McMahon,和Ronald J.Gutmann的“混合金属/聚合物晶片粘接平台”章节，发表于《晶片粘接手册》第一版，由Peter Ramm编辑，(2012)威利-VCH出版社有限公司及两合公司(Wiley-VCH Verlag GmbHCo.KgaA)。

根据这些技术，将苯并环丁烯(BCB)或另一种热固性聚合物树脂的粘合剂层沉积在待粘合在一起的两个半导体晶片的相应晶片上。堆叠半导体晶片，以使至少一部分粘合剂层彼此抵靠；当晶片处于压缩载荷下时，将粘合剂层固化以使它们彼此之间很好地粘合。这些已知技术相当费力，因为为了使粘合剂层粘合在一起以互连两个晶片，它们需要使用专用于热压的工具，这在当前的复合粘接技术中实际上被认为是强制性的。