專利名稱：晶片壓焊鍵合方法及其結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種晶片壓焊鍵合(wafer bonding)方法及其結構。
背景技術：
傳統的切割封裝方法為在半導體晶片完成制造后，通過切割將每一個芯 片從晶片上分離，然后對每一個芯片進行封裝并引線。隨著半導體技術朝著 更高技術節點的發展，半導體芯片的封裝技術也由原來的切割打線的封裝方 式逐漸發展為晶片級焊接封裝(wafer level package)。晶片級封裝方法則是 以整個晶片為封裝對象，在晶片完成制造后，直接將兩個或多個晶片壓焊鍵 合(wafer bonding )在一起。專利申請號為200410005400.8的中國專利公開了 一種晶片級封裝的方法及結構。圖1至圖10為現有一種多晶片壓焊鍵合工藝各 步驟相應的結構的剖面示意圖。
如圖1所示，首先提供一完成芯片制造的半導體晶片100，所述半導體晶 片100包含有硅基襯底101,在所述硅基襯底101上有器件區102，在所述器件 區的上形成有引線焊塊104,所述引線焊點104的材質為鋁。
如圖2所示，通過光刻刻蝕工藝在所述器件區102和硅基襯底101中形成連 接孔105，所述連接孔105的深度應不小于50um。
如圖3所示，在所述連接孔105的側壁形成介質層106，所述介質層106為 氧化硅或氮化硅，所述介質層106作為硅基襯底101和后續工藝中在連接孔105 中沉積的金屬材料的絕緣層。
如圖4所示，在所述連接孔105中和所述器件區102上沉積金屬層108，所 述金屬層108材質為銅。在沉積所述金屬銅之前需要先沉積阻擋層以阻止銅向 介質層106中的擴散。
如圖5所示，通過化學機械研磨進行平坦化，去除所述器件區102上的多 余的金屬銅，形成銅插塞108a。
如圖6所示，在所述銅插塞108a上形成焊料凸塊110。所述焊料凸塊110材 質可以是金、銀、錫中的一種或其組合。
如圖7所示，在所述半導體晶片100的器件區102的上表面粘貼一載片層 (carrier) 112，同時研磨所述硅基襯底101使其厚度減小，直至露出所述銅插 塞108a,如圖8所示。
如圖9所示，在所述硅基襯底101上露出的銅插塞108a的上表面形成焊料 凸塊IIO。
去除所述載片層112,將多個形成有銅插塞108a和焊料凸塊110的半導體 晶片100a， 100b, 100c， 100d按如圖IO所述的方式壓焊在一起，多個半導體晶 片通過焊料凸塊110連接在一起，每兩個半導體晶片之間填充有粘結劑112。
上述晶片鍵合方法通過在硅基襯底中形成連接插塞并通過研磨使晶片厚 度減小，在晶片的兩面形成焊料凸塊，將多個芯片的疊放在一起，多個芯片 之間通過焊料凸塊電連接。在上述工藝中，形成連接插塞108a的工藝受刻蝕 和沉積工藝的限制，連接孔105不能做的太深，形成的連接插塞108a的底部離 所述硅基襯底IOI的表面較遠，因而需要研磨去掉較厚硅基襯底101才能使連 接插塞108的底部露出，研磨后半導體基底100變的較薄。大約為100至150um, 這導致研磨晶片薄化的工藝變得難以控制，在晶片研磨趨于結束時，半導體 基底的厚度很薄，很容易使晶片破碎，而損壞整個晶片。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種晶片鍵合方法及其結構，以解決現有 晶片壓焊鍵合工藝中晶片容易破碎的問題。
為達到上述目的，本發明提供的一種晶片壓焊鍵合方法包括在第一半 導體晶片和第二半導體晶片的鈍化層中形成第一溝槽和第一連接孔，所述第 一連接孔底部露出引線焊塊；在所述第一溝槽和第一連接孔中填充第一金屬 材料，所述第一溝槽中的第一金屬材料形成第一連接焊塊；將所述第一半導 體晶片表面和第二半導體晶片表面粘合，其中所述第一半導體晶片、第二半 導體晶片表面相應位置的第一連接焊塊相接觸；將所述第二半導體晶片背面 村底減薄，并在該半導體晶片背面襯底中形成第二溝槽和貫穿該半導體晶片 襯底和器件層的第二連接孔，所述第二連接孔底部露出該半導體晶片的第一 連接焊塊；在所述第二連接孔側壁形成介質層，在所述第二溝槽和第二連接 孔中填充第二金屬材料，所述第二溝槽中的第二金屬材料形成第二連接焊塊。
所述第 一金屬材料和第二金屬材料為同種材質。
所述第一金屬材料和第二金屬材料為銅、鋁、金、銀、鉭、鈦、氮化鈦、 氮化鉭中的一種或其組合。
通過退火使所述第 一半導體晶片表面和第二半導體晶片表面粘合。
所述退火溫度為150至400度。
所述介質層為氧化硅。
該方法進一步包括在所述第二連接焊塊上形成焊料凸塊；在所述第一 半導體晶片背面襯底上形成第二連接焊塊，并在所述第二連接焊塊上形成焊料凸塊。
本發明還提供一種晶片壓焊鍵合方法，包括在第一半導體晶片和第二 半導體晶片的鈍化層中形成第一溝槽和第一連接孔，所述第一連接孔底部露 出引線焊塊；在所述第一溝槽和第一連接孔中填充第一金屬材料，所述第一 溝槽中的第一金屬材料形成第一連接焊塊；將所述第一半導體晶片和第二半 導體晶片的表面粘合，其中所述第一半導體晶片、第二半導體晶片表面相應 位置的第一連接焊塊相接觸；將所述第二半導體晶片背面襯底減薄，并在該 半導體晶片背面襯底中形成第二溝槽和貫穿該半導體晶片襯底和器件層的第 二連接孔，所述第二連接孔底部露出該半導體晶片的第一連接焊塊；在所述 第二連接孔側壁形成介質層，在所述第二溝槽和第二連接孔中填充第二金屬 材料，所述第二溝槽中的第二金屬材料形成第二連接焊塊；在所述第二半導 體晶片背面襯底上至少粘合一第三半導體晶片，其中所述第三半導體晶片表 面形成有第 一連接焊塊，所述第二半導體晶片背面的第二連接焊塊和第三半 導體晶片表面的相應位置的第一連接焊塊相接觸，在所述第三半導體晶片背 面襯底中形成第二連接焊塊，該第二連接焊塊通過第三半導體晶片第二連接 孔中的第二金屬材料與第三半導體晶片表面第 一連接焊塊連接。
所述第 一金屬材料和第二金屬材料為同種材質。
通過退火使所述第 一半導體晶片表面和第二半導體晶片表面粘合。
所述退火溫度為150至400度。
該方法進一步包括在所述第三半導體晶片的第二連接焊塊上形成焊料 凸塊；在所述第一半導體晶片背面襯底表面形成第二連接焊塊，并在所述第 二連接焊塊表面形成焊料凸塊。
相應的，本發明還一種晶片壓焊鍵合結構，包括第一半導體晶片；第
二半導體晶片；其中，所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面形成有第 一連接焊塊，所述第一連接焊塊通過鈍化層中第一連接插塞和引線焊塊連接；
所述第二半導體晶片背面村底上形成有第二連接焊塊；所述第二半導體晶片 表面的第一連接焊塊和背面襯底上的第二連接焊塊通過貫穿所述第二半導體 晶片襯底和器件層的第二連接插塞連接；所述第一半導體晶片表面和第二半 導體表面粘合，且所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面相應位置的第 一連接焊塊相接觸。
所述第 一連接焊塊和第二連接焊塊為銅。 在所述第二半導體晶片的第二連接焊塊上形成有焊料凸塊。 本發明還提供一種晶片壓焊鍵合結構，包括第一半導體晶片；第二半
導體晶片；和至少一第三半導體晶片；所述第一半導體晶片、第二半導體晶
片和第三半導體晶片表面形成有第一連接焊塊，所述第一連接焊塊通過鈍化
層中第一連接插塞和引線焊塊連接；所述第二半導體晶片和第三半導體晶片 背面襯底上形成有第二連接焊塊；所述第二半導體晶片和第三半導體晶片表 面的第一連接焊塊和背面襯底上的第二連接焊塊通過貫穿相應半導體晶片襯 底和器件層的第二連接插塞連接；所述第一半導體晶片表面和第二半導體表 面粘合，且所述第一半導體晶片表面、第二半導體晶片表面相應位置的第一 連接焊塊相接觸；所述第三半導體晶片層疊于所述第二半導體晶片背面襯底 上，所述第三半導體晶片表面的第一連接焊塊和第二半導體晶片背面襯底中 相應位置的第二連接焊塊相接觸。
所述第 一連接焊塊和第二連接焊塊為銅。 在所述第三半導體晶片的第二連接焊塊上形成有焊料凸塊。 所述第二半導體晶片中的第二連接插塞和第三半導體晶片中的第二連接
插塞呈直線排列或交錯排列。
在所述第一半導體晶片背面襯底上形成有第二連接焊塊，且所述第一半 導體晶片的第一連接焊塊和第二連接焊塊通過貫穿所述第一半導體晶片村底 和器件層的第二連接插塞與連接。
所述第一半導體晶片的第二連接插塞上形成有焊料凸塊。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明晶片壓焊鍵合方法首先將兩個半導體晶片表面相對(face toface)粘合，然后對其中一半導體晶片背面襯底進行研磨減薄，由于兩半導 體晶片粘合而使厚度增加，研磨減薄后整個粘合結構不會很薄，不會造成半 導體晶片破碎，使得半導體晶片研磨減薄工藝具有較大的冗余度，提高了工 藝控制能力。
半導體晶片在搬運過程中需通過真空吸附于機械手，薄的半導體晶片在 吸附過程中常常會變形，本發明的方法中由于在至少兩個半導體晶片粘合的 基礎上進行減薄，被減薄后的晶片粘合結構也不會變得很薄，搬運過程中不 會引起晶片的變形，更有利于晶片在各個機臺之間的搬運。
另外，被研磨減薄的半導體晶片的厚度越薄，其后續的刻蝕開口和填充 工藝就越簡單，由于薄的半導體晶片可以減小刻蝕開口的深度和填充工藝的 難度，本發明晶片鍵合方法允許使單一晶片厚度很薄，從而后續的刻蝕填充 工藝變得簡單可控。使整個壓焊鍵合工藝的冗余度增大。
在本發明的晶片鍵合方法中，采用銅材質的連接焊塊將多個晶片連接， 避免了傳統技術中在每一 晶片表面形成焊料凸塊的繁瑣工藝，簡化了鍵合工 藝，降低了成本，并縮短了整個工藝的周期。
由于本發明方法中允許單一的晶片被研磨的很薄，同樣數目的晶片采用 本發明方法形成的晶片鍵合結構具有更薄的厚度，從而可節省空間，能夠更 加靈活的跟電路板焊接。
本發明還在晶片鍵合結構上下兩面均形成有焊料凸塊，切割后的芯片可 以從兩面向電路板焊接，可有效利用電路板的空間，具有較大的靈活性；另 外，由于電路板上相應的焊點受電性參數的影響，相鄰的焊點距離不能太靠 近，半導體晶片上的相應焊料凸塊的位置得跟隨電3各板上焊點的布局而布局， 使得晶片中芯片面積雖然在制造工藝中可以做的較小，但卻不得不在兩個相 鄰的連接焊塊之間保留較大的空間，浪費了晶片的面積，本發明的晶片鍵合 結構，在晶片鍵合結構的兩面分別形成焊料凸塊，使連接焊塊可靈活布局， 能夠節省芯片面積。
圖l至圖10為現有一種晶片4定合方法各步驟相應的結構的剖面示意圖11為本發明晶片鍵合方法的流程圖12至圖31為本發明晶片鍵合方法的實施例的各步驟相應的結構的剖 面示意圖32至圖37為本發明晶片鍵合結構的實施例的剖面示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖
對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
圖11為本發明晶片壓焊鍵合方法的流程圖。如圖11所示，首先提供第 一半導體晶片和第二半導體晶片，所述第一半導體晶片和第二半導體晶片已
經完成了芯片的制造，并在在半導體晶片晶片上形成了鈍化層。所述鈍化層 用于保護晶片上的半導體芯片及互連結構免受外部的潮氣、劃傷、及玷污的 影響。通過光刻和刻蝕工藝在所述第一半導體晶片和第二半導體晶片的鈍化 層中形成第一連接孔和第一溝槽，所述第一連接孔底部露出引線焊塊(S200 )。 所述引線焊塊與互連金屬層電連接。
在所述第一溝槽和第一連接孔中填充第一金屬材料，并通過化學機械研 磨去除所述鈍化層上多余的第一金屬材料(S210)。所述第一金屬材料可以是 銅、鋁、金、銀、鉭、鈦、氮化鈦、氮化鉭中的一種或其組合。填充的方法 可以是沉積或電鍍。所述第一溝槽中的第一金屬材料形成第一連接焊塊，所 述第一連接焊塊通過第一連接孔中的第一金屬材料與相應的引線焊塊連接。
將所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面粘合在一起(S220 )。其中 所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面相應位置的第一連接焊塊相接 觸。將所述兩半導體晶片表面接觸后在各自背面施加壓力，然后通過退火工 藝，使所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面粘合。
通過研磨和拋光減小所述第二半導體晶片背面襯底的厚度，使得所述第 二半導體晶片的厚度減小，然后通過光刻和刻蝕工藝在所述第二半導體晶片
襯底中形成第二溝槽，并形成貫穿該第二半導體晶片村底和器件層的第二連 接孔(S230 ),所述第二連接孔底部露出該第二半導體晶片的第一連接焊塊。
在所述第二連接孔側壁形成介質層，在所述第二溝槽和第二連接孔中填 充第二金屬材料，所述第二溝槽中的第二金屬材料形成第二連接焊塊(S240 )。 所述第二金屬材料和第一金屬材料為同種材料。所述介質層為氧化硅。在所 述第二連接焊塊上形成焊料凸塊。
本發明晶片壓焊鍵合方法將兩個半導體晶片表面相對粘合，然后對所述第二半導體晶片背面襯底進行研磨減薄，由于兩半導體晶片粘合而使厚度增 加，研磨減薄后整個鍵合結構也不會太薄，從而不會造成半導體晶片破碎。 另外，第二半導體晶片研磨后變得很薄，使刻蝕形成的第二連接孔深度減小， 刻蝕和填充沉積工藝會變得更加簡單，有助于形成較好的第二連接孔輪廊， 增強了工藝的冗余度。
下面結合實施例對所述晶片壓焊鍵合方法進行詳細的描述。
圖12至圖27為所述晶片壓焊鍵合方法的第一實施例的各步驟相應的結 構的剖面示意圖。如圖12所示，半導體晶片200包括襯底201和器件層203。 在所述半導體晶片200中形成有多個芯片202。所述芯片可以為存儲芯片、邏 輯芯片、圖像芯片、射頻芯片等，所述芯片上形成有多層互連層，所述多層 互連層與引線焊塊204連接。在所述半導體晶片表面形成有鈍化層(未示出)， 引線焊塊204位于所述鈍化層下面。
如圖13所示，通過光刻和刻蝕工藝在所述半導體晶片200的鈍化層中形 成溝槽206,所述溝槽206的深度小于所述鈍化層的厚度。
如圖14所示，在所述溝槽206側壁、底部和所述鈍化層上沉積一停止層 208。所述停止層208可以是氮化硅，其形成的方法可以是物理氣相沉積或化 學氣相沉積。所述停止層208作為后續研磨工藝的停止監測層。
如圖15所示，通過光刻刻蝕工藝在所述溝槽206底部的鈍化層中形成第 一連接孔210，所述第一連接孔210的底部露出所述引線焊塊204。
如圖16所示，在所述第一連接孔210、第一溝槽206中和停止層208上 沉積第一金屬材料212,本實施例中所述第一金屬材料212為銅，其沉積的方 式為物理氣相沉積、化學氣相沉積或電鍍。由于銅易擴散，在沉積所述第一 金屬材料212之前，需要先沉積阻擋層，所述阻擋層材質可以是鉭、氮化鉭 中的一種或其組合。
如圖17所示，通過化學機械研磨去除所述停止層208上多余的銅，并保 留所述第一溝槽206中的金屬銅。所述第一溝槽206中的第一金屬材料212 形成第一連接焊塊207(在這里稱形成于半導體晶片表面的連接焊塊為第一連 接焊塊)，所述第一連接焊塊207通過所述第一連接孔210中的第一金屬材料 212形成的連接插塞211與所述引線焊塊204電連接，由于所述引線焊塊204 與所述半導體基底200中的多層互連結構電連接，因而所述第一連接焊塊207
與所述半導體基底200中的多層互連結構電連接。
如圖18所示，去除所述鈍化層上面和第一溝槽206側壁的停止層208。 在所述第一連接焊塊207側壁和所述第一溝槽206側壁之間形成縫隙205。去 除所述鈍化層上面的停止層208后，所述第一連接焊塊207的上表面高于所 述鈍化層的表面，這使得在兩個半導體晶片表面粘合時，相應的第一連接焊 塊能夠充分接觸，通過壓力可使所述第一連接焊塊207高出所述鈍化層表面 的部分被擠壓，使整個第一連接焊塊206發生形變而填滿整個第一溝槽206， 所述縫隙205是為容納所述第一連接焊塊207高出鈍化層部分而保留的預留 空間。
如圖19所示，按上述圖12至圖18所述的方法在第一半導體晶片200a 和第二半導體晶片200b表面分別形成第一連接焊塊207a和207b,所述第一 連接焊塊207a和207b分別和各自相應的引線焊塊電連接。將所述第一半導 體晶片200a和第二半導體晶片200b表面相對(face to face)放置，使所 述第一半導體晶片200a和第二半導體晶片200b表面相應的位置的第一連接 焊塊207a和207b接觸，在上述兩半導體晶片背面施加相向的壓力，并在150 至400度的溫度下進行退火，所述第一連接焊塊207a和第二連接焊塊207b 相互擠壓使得各自側壁的縫隙被填充，從而第一半導體晶片200a和第二半導 體晶片200b表面鈍化層充分接觸，在高溫的退火下所述兩鈍化層中的物質相 互擴散而熔為一體，使得所述第一半導體晶片200a和第二半導體晶片200b 表面粘合在一起，兩半導體晶片中的芯片通過各自的第 一連接焊塊互相電連 通。上述工藝僅把兩個半導體晶片中相應位置的芯片鍵合在一起，所述芯片 被切割后還需要被連接于電路板例如PCB板上。
如圖20所示，通過研磨和拋光工藝去除所述第二半導體晶片200b背面 襯底201b的一部分而使其厚度減小，使整個第二半導體晶片200b的厚度減 小，所述第二半導體晶片200b的厚度在允許的范圍內是越薄越好，因為后續 工藝中要在所述第二半導體晶片200b中刻蝕開口并填充其它材料，薄的半導 體晶片可以減小刻蝕的開口的深度和填充工藝的難度。由于在該步工藝中將 兩半導體晶片粘合在一起，增加了整體厚度，在研磨時可使所述第二半導體 晶片200b的厚度變得很薄，而不必擔心有芯片破碎，這克服了背景技術中提 到了研磨單一半導體晶片時，當厚度很薄時半導體晶片易碎的問題，提高了
對工藝控制能力；另外，薄的第二半導體晶片200b可使后續的刻蝕填充工藝 變得簡單可控。從而使得整個壓焊鍵合工藝的冗余度大大增大。
如圖21所示，通過光刻刻蝕的方法在所述第二半導體晶片200b背面襯 底201b中形成第二溝槽214b，所述第二溝槽214b的深度小于所述村底201b 的深度。
如圖22所示，在所述在所述第二溝槽214b側壁、底部和所述襯底201b 上形成一研磨停止層216b,所述研磨停止層216b作為后續研磨工藝的終點監 測層。如圖U所示，通過光刻刻蝕工藝形成貫穿所述第二半導體晶片襯底201b 和器件層203b的第二連"l妄孔218b,所述第二連4^孔218b的底部露出所述停 止層208b，繼續刻蝕所述第二連接孔218b底部的停止層208b，使得所述第 二半導體晶片200b的第一連接焊塊207b露出。由于前道工藝將所述第二半 導體晶片研磨的很薄，其厚度最小可達30um,因而很容易刻蝕生成所述第二 連接孔218b，第二連接孔218b較淺也使后道的填充工藝較為容易。填充后不 會留下縫隙。
如圖24所示，在所述第二連接孔218b側壁形成介質層220b，所述介質 層220b是氧化硅。由于后續工藝需要在所述第二連接孔218b中填充金屬材 料，而所述第二半導體晶片200b的襯底201b為硅材料，具有導電性能，所 述第二半導體晶片200b的器件層203b中也有多層互連線曝露在所述第二連 接孔218b的側壁，需要在所述第二連接孔218b側壁形成介質層220b。其形 成方法為物理氣相沉積或化學氣相沉積，先在所述第二連接孔218b側壁、底 部和所述研磨停止層216b上沉積一層介質層材料，然后通過刻蝕去除所述研 磨停止層216b上面的介質層材料，而保留所述第二連接孔218b側壁的介質 層材料，形成介質層220b。
如圖25所示，在所述第二連接孔218b和第二溝槽214b中填充第二金屬 材料，并通過化學機械研磨進行平坦化。所述第二金屬材料為銅，形成第二 連接插塞219b和第二連接焊塊215b。在填充沉積銅之前，需要先沉積阻擋層 以防止銅擴散。所述第二連接插塞219b連通所述第二半導體晶片200b的第 二連接焊塊215b和第一連接焊塊207b。
如圖26所示，去除所述第二半導體晶片200b襯底201b表面的研磨停止 層216b。如圖27所示，在所述第二連接焊塊215b上形成焊料凸塊222b，所 述焊料凸塊222b的材質為金或其它導電性能良好的材料。
本發明將兩個半導體晶片表面相對鍵合在一起，再對所述第二半導體晶 片背面襯底進行研磨減薄，所述第二半導體晶片可以被研磨的很薄，而所述 第 一半導體晶片和研磨后第二半導體晶片作為 一個整體其厚度卻較大，這樣 不易造成半導體晶片破碎。另外，第二半導體晶片研磨后變得較薄，后續刻 蝕形成的第二連接孔時不必太深便可達到要求，使得刻蝕和填充沉積工藝變 得更加簡單，有助于形成較好的第二連接孔輪廓，增強了工藝的冗余度。
下面為本發明晶片壓焊鍵合方法的第二實施例。在第一半導體晶片200a 和第二半導體晶片M0b完成如圖19的粘合后，在第一半導體晶片200a和第 二半導體晶片200b背面襯底201a和201b中均形成第二連接焊塊。如圖28 所示，先完成在所述第二半導體晶片200b中形成第二連接插塞219b和第二 連接焊塊215b,然后再用和第一實施例同樣的方法在所述第一半導體晶片 200a中形成第二連接焊塊215a和第二連接插塞200a。所述第二連接焊塊 215a、 215b間隔排布。最后分別在所述第二連接焊塊215a和215b上分別形 成焊料凸塊222a和222b。本實施例形成的晶片4建合結構后切割的芯片可從兩 面焊接與電路板上，能夠較為靈活的設計電路板上焊點的位置，有助于節省 空間。
本發明還提供一種半導體晶片的鍵合方法，首先在兩個半導體晶片表面 完成粘合，并在其中一個半導體晶片背面形成外露的第二連接焊塊后，可繼 續將表面帶有第一連接焊塊的另一半導體晶片表面粘合于所述具有外露第二 連接焊塊的半導體晶片的背面，然后在該另 一半導體晶片背面繼續形成外露 的第二連接焊塊，并可繼續層疊半導體晶片。根據需要，可以依照所述方法 依次層疊更多半導體晶片為一體。
下面根據實施例來說明所述發明方法。在完成如圖26所示的第一半導體 晶片200a和第二半導體晶片200b的鍵合，并形成所述第二連接焊塊215b后， 繼續將表面形成有第一連接焊塊207c的第三半導體晶片200c粘合于所述第 二半導體晶片200b上。如圖29所示，所述第三半導體晶片200c表面的第一 連接焊塊207c和所述第二半導體晶片200b背面的第二連接焊塊215b相接觸。 然后減薄所述第三半導體晶片200c背面的襯底201c，并在所述第三半導體晶 片200c中形成第二連接插塞219c和第二連接焊塊215c,其形成工藝和前述
第二半導體晶片200b鍵合于所述第一半導體晶片200c表面，并形成第二連 接插塞219b、第二連^l妄焊塊215b相同。區別在于所述第二半導體晶片200b 表面粘合所述第一半導體晶片200a的表面，為兩表面相貼粘合(face to face),而所述第三半導體晶片200c表面是粘貼于所述第二半導體晶片200b 背面的。根據需要可繼續在所述第三半導體晶片背面粘合第四半導體晶片， 在第四半導體晶片背面粘合第五半導體晶片..，,.,本實施例以三半導體晶片鍵 合為例來說明本方法。接著，如圖30所示，在所述第三半導體晶片200c的 第二連接焊塊215c上形成焊料凸塊222c。
圖31為本發明方法的另一實施例相應的結構的剖面示意圖，本發明方法 可以將多個半導體晶片鍵合在一起，并在兩端的半導體晶片中形成外露的連 接焊盤，然后在該外露的連接焊盤上形成焊料凸塊。如圖31所示的三個半導 體晶片鍵合的結構示意圖，第一半導體晶片200a和第三半導體晶片200c在 整個鍵合結構的兩端，所述第一半導體晶片200a和第三半導體晶片200c中 分別形成第二連接焊塊215a和215c,然后分別形成焊料凸塊222a和222c。
相應的，本發明還提供一種晶片壓焊鍵合結構。圖32為本發明晶片鍵合 結構的第一實施例的剖面示意圖。如圖32所示，第一半導體晶片200a和第 二半導體晶片200b表面表面粘合在一起，在所述第一半導體晶片200a形成 有第一連接焊塊207a，所述第二連接焊塊表面形成有第一連接焊塊207b,所 述第一連接焊塊207a、 207b分別與各自半導體晶片中的引線焊塊204a、 204b 連通。所述第一半導體晶片200a和第二半導體晶片200b粘合時，所述第一 半導體晶片200a和第二半導體晶片200b表面相應位置的第一連接焊塊相接 觸。在所述第二半導體晶片背面襯底201b上形成有第二連接焊塊215b，所述 第二連接焊塊215b通過貫穿所述第二半導體晶片200b的襯底201b和器件層 203b的第二連接插塞220b與所述第二半導體晶片200b的第一連接焊塊207b 連接。所述第一連接焊塊200a和第二連接焊塊200b材質為銅。在所述第二 半導體晶片200b的第二連接焊塊215b上形成有焊料凸塊222b，所述焊料凸 塊222b材質為金，所述焊料凸塊222b用于將上述晶片鍵合結構切割的芯片 層疊結構焊接到電路板上。
圖33為本發明晶片鍵合結構的第二實施例的剖面示意圖。如圖33所示, 第一半導體晶片200a和第二半導體晶片200b表面^l定合在一起，所述第一半
導體晶片200a和第二半導體晶片200b表面相應位置的的第一連接焊塊相接 觸，如圖33所示的第一連接焊塊207a和207b表面相接觸。在所述第一半導 體晶片200a、第二半導體晶片200b中分別形成有第二連接插塞219a、 219b 和第二連接焊塊215a、 215b。在所述第一半導體晶片200a的第二連接焊塊 215a上形成有焊料凸塊222a,在所述第二半導體晶片200的第二連接焊塊 215b上形成有焊料凸塊222b。該晶片鍵合結構切割后的芯片可以從兩面向電 路板焊接，能夠有效利用電路板的空間，具有較大的靈活性；另外，由于電 路板上相應的焊點受電性參數的影響，相鄰的焊點距離不能太近，半導體晶 片上的相應焊料凸塊的位置不得不跟隨電路板上焊點的位置而布局，這使得 晶片中芯片面積雖然在制造工藝中可以做的較小，但也不得不在兩個相鄰的 連接焊塊之間預留較大的空間，浪費了晶片的面積，采用如圖33的晶片鍵合 結構，在鍵合結構的兩面分別形成焊料凸塊，這可以靈活布局連接焊塊，從 而能夠節省芯片面積。
另外，本發明還提供一種晶片壓焊鍵合結構，在兩個半導體晶片表面粘 合的結構上，還可以層疊多個半導體晶片。所述表面粘合的半導體晶片通過 其表面的第一連接焊塊點連接。在其中 一半導體晶片背面襯底上形成有第二 連接焊塊，多個表面帶有第一連接焊塊的半導體晶片表面可依次形成于所述 具有外露的第二連接焊塊的半導體晶片背面，形成多個晶片層疊的鍵合結構。
下面根據實施例來說明所述晶片壓焊鍵合結構。本實施例以三個晶片鍵 合結構為例來進行說明。如圖34所示，第一半導體晶片200a和第二半導體 晶片200b表面表面粘合在一起，在所述第一半導體晶片200a表面形成有第 一連接焊塊207a，所述第二連接焊塊表面形成有第一連接焊塊207b,所述第 一連接焊塊207a、 207b分別與各自半導體晶片中的引線焊塊連通。所述第一 半導體晶片200a和第二半導體晶片200b粘合時，所述第一半導體晶片200a 和第二半導體晶片200b表面相應位置的第一連接焊塊相接觸。在所述第二半 導體晶片背面襯底201b上形成有第二連接焊塊215b,所述第二連接焊塊215b 通過貫穿所述第二半導體晶片200b的襯底201b和器件層203b的第二連接插 塞220b與所述第二半導體晶片200b的第一連接焊塊207b連接。所述第一連 接焊塊200a和第二連接焊塊200b材質為銅。在所述第二半導體晶片200b上 繼續粘合表面具有第一連接焊塊207c的第三半導體晶片200c，所述第三半導
體晶片MOc表面粘合于所述第二半導體晶片200b背面襯底201b上，所述第 三半導體晶片200c的第一連接焊塊207c和所述第二半導體晶片200b相應位 置的第二連接焊塊H5b相接觸。在所述第三半導體晶片200c中形成有第三 連接插塞219c和第二連接焊塊215c。根據需要還可以在所述第三半導體晶片 200c上繼續層疊粘合第四半導體晶片，在第四半導體晶片上粘合第五半導體
晶片......，本實施例僅以三半導體晶片來說明本發明晶片鍵合結構。
在所述
第二連接焊塊215c上形成有焊料凸塊222c。
所述晶片壓焊鍵合結構的第二實施例如圖35所示，上述實施例中三晶片 鍵合結構中，在所述第一半導體晶片200a中形成有第二連接插塞219a和第 二連接焊塊215a，在所述第二連接焊塊215a上形成有焊料凸塊222a，即多 個半導體晶片鍵合，并在兩端的晶片上具有焊料凸塊結構。
為避免不同芯片中的第二連接插塞在一條直線上造成應力集中，晶片鍵 合結構中不同晶片中的第二連接插塞可以交錯排布。如圖36和圖37中，第 二連接插塞219b和219c交錯排列，可避免形成的晶片4定合結構中應力過大。
本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何 本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和 修改，因此本發明的保護范圍應當以本發明權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1、一種晶片壓焊鍵合方法，包括在第一半導體晶片和第二半導體晶片的鈍化層中形成第一溝槽和第一連接孔，所述第一連接孔底部露出引線焊塊；在所述第一溝槽和第一連接孔中填充第一金屬材料，所述第一溝槽中的第一金屬材料形成第一連接焊塊；將所述第一半導體晶片表面和第二半導體晶片表面粘合，其中所述第一半導體晶片、第二半導體晶片表面相應位置的第一連接焊塊相接觸；將所述第二半導體晶片背面襯底減薄，并在該半導體晶片背面襯底中形成第二溝槽和貫穿該半導體晶片襯底和器件層的第二連接孔，所述第二連接孔底部露出該半導體晶片的第一連接焊塊；在所述第二連接孔側壁形成介質層，在所述第二溝槽和第二連接孔中填充第二金屬材料，所述第二溝槽中的第二金屬材料形成第二連接焊塊。
2、 如權利要求1所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于所述第一金屬 材料和第二金屬材料為同種材質。
3、 如權利要求2所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于所述第一金屬 材料和第二金屬材料為銅、鉛、金、銀、鉭、鈦、氮化鈦、氮化鉭中的一種 或其組合。
4、 如權利要求l所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于通過退火使所 述第 一半導體晶片表面和第二半導體晶片表面粘合。
5、 如權利要求4所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于所述退火溫度 為150至400度。
6、 如權利要求l所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于所述介質層為 氧化硅。
7、 如權利要求1所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于該方法進一步 包括在所述第二連接焊塊上形成焊料凸塊。
8、 如權利要求1所述晶片壓焊鍵合方法，其特征在于該方法進一步包 括在所述第一半導體晶片背面襯底上形成第二連接焊塊，并在所述第二連 接焊塊上形成焊料凸塊。
9、 一種晶片壓焊鍵合方法，包括在第一半導體晶片和第二半導體晶片的鈍化層中形成第一溝槽和第一連接孔，所述第一連接孔底部露出引線焊塊；在所述第一溝槽和第一連接孔中填充第一金屬材料，所述第一溝槽中的 第 一金屬材料形成第 一連接焊塊；將所述第一半導體晶片和第二半導體晶片的表面粘合，其中所述第一半 導體晶片、第二半導體晶片表面相應位置的第一連接焊塊相接觸；將所述第二半導體晶片背面襯底減薄，并在該半導體晶片背面襯底中形 成第二溝槽和貫穿該半導體晶片襯底和器件層的第二連接孔，所述第二連接孔底部露出該半導體晶片的第一連接焊塊；在所述第二連接孔側壁形成介質層，在所述第二溝槽和第二連接孔中填 充第二金屬材料，所述第二溝槽中的第二金屬材料形成第二連接焊塊；在所述第二半導體晶片背面襯底上至少粘合一第三半導體晶片，其中所 述第三半導體晶片表面形成有第一連接焊塊，所述第二半導體晶片背面的第 二連接焊塊和第三半導體晶片表面的相應位置的第一連接焊塊相接觸，在所 述第三半導體晶片背面襯底中形成第二連接焊塊，該第二連接焊塊通過第三 半導體晶片第二連接孔中的第二金屬材料與第三半導體晶片表面第 一連接焊 塊連接。
10、 如權利要求9所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于所述第一金 屬材料和第二金屬材料為同種材質。
11、 如權利要求9所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于通過退火使 所述第 一半導體晶片表面和第二半導體晶片表面粘合。
12、 如權利要求11所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于所述退火溫 度為150至400度。
13、 如權利要求9所述的晶片壓焊鍵合方法，其特征在于該方法進一 步包括在所述第三半導體晶片的第二連接焊塊上形成焊料凸塊。
14、 如權利要求9所述晶片壓焊鍵合方法，其特征在于該方法進一步 包括在所述第一半導體晶片背面襯底表面形成第二連接焊塊，并在所述第 二連接焊塊表面形成焊料凸塊。
15、 一種晶片壓焊鍵合結構，包括 第一半導體晶片； 第二半導體晶片；其中，所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面形成有第一連接焊塊，所述第 一連接焊塊通過鈍化層中第 一連接插塞和引線焊塊連接； 所述第二半導體晶片背面襯底上形成有第二連接焊塊； 所述第二半導體晶片表面的第 一連接焊塊和背面襯底上的第二連接焊塊通過貫穿所述第二半導體晶片襯底和器件層的第二連接插塞連接；所述第一半導體晶片表面和第二半導體表面粘合，且所述第一半導體晶片和第二半導體晶片表面相應位置的第一連接焊塊相接觸。
16、 如權利要求15所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于所述第一連 接焊塊和第二連接焊塊為銅。
17、 如權利要求16所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于在所述第二 半導體晶片的第二連接焊塊上形成有焊料凸塊。
18、 一種晶片壓焊鍵合結構，包括 第一半導體晶片；第二半導體晶片；和至少一第三半導體晶片；所述第一半導體晶片、第二半導體晶片和第三半導體晶片表面形成有第 一連接焊塊，所述第 一連接焊塊通過鈍化層中第 一連接插塞和？ 1線焊塊連接； 所述第二半導體晶片和第三半導體晶片背面襯底上形成有第二連接焊塊；所述第二半導體晶片和第三半導體晶片表面的第一連接焊塊和背面村底 上的第二連接焊塊通過貫穿相應半導體晶片襯底和器件層的第二連接插塞連接；所述第一半導體晶片表面和第二半導體表面粘合，且所述第一半導體晶 片表面、第二半導體晶片表面相應位置的第一連接焊塊相接觸；所述第三半導體晶片層疊于所述第二半導體晶片背面襯底上，所述第三 半導體晶片表面的第一連接焊塊和第二半導體晶片背面襯底中相應位置的第二連接焊塊相接觸。
19、 如權利要求18所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于所述第一連 接焊塊和第二連接焊塊為銅。
20、 如權利要求18所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于在所述第三半導體晶片的第二連接焊塊上形成有焊料凸塊。
21、 如權利要求18所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于所述第二半 導體晶片中的第二連接插塞和第三半導體晶片中的第二連接插塞呈直線排列或交錯排列。
22、 如權利要求18所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于在所述第一 半導體晶片背面襯底上形成有第二連接焊塊，且所述第 一半導體晶片的第一 連接焊塊和第二連接焊塊通過貫穿所述第一半導體晶片村底和器件層的第二 連接插塞與連接。
23、 如權利要求22所述的晶片壓焊鍵合結構，其特征在于所述第一半 導體晶片的第二連接插塞上形成有焊料凸塊。
全文摘要
一種晶片間三維互連的方法，包括首先將兩半導體晶片面對面粘合，再將其中一片進行背面減薄并完成晶片之間三維互連，然后在完成互連的半導體晶片背面再進行面對背粘合并減薄、互連，然后重復面對背粘合、減薄、互連工藝，將多個半導體晶片表面順次層疊。本發明還提供一種晶片間的三維互連結構，兩半導體晶片表面相對粘結，在其中一半導體晶片背面襯底中形成有第二連接焊塊，多個半導體晶片順次層疊于所述具有第二連接焊塊的半導體晶片襯底之上。本發明方法在鍵合中不會引起晶片破損，形成的半導體晶片鍵合結構能夠節省半導體晶片上的芯片面積。
文檔編號H01L21/60GK101197297SQ20061011916
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月5日 優先權日2006年12月5日
發明者毛劍宏, 王津洲, 高大為, 河 黃 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司