專利名稱：一種電路器件三維集成的方法
技術領域：
本發明涉及集成電路制造領域，特別涉及一種電路器件三維集成的方法。
背景技術：
電路器件，如集成電路、傳感器及MEMS (微電子機械系統， Micro-Electro-Mechanical System)等，在目前已發展到系統級芯片(SOC, System on a Chip )這一階段，采用系統級芯片的制作技術能在單芯片上實現系統的全部 功能，SOC發展中的一個難題是不同制作工藝的兼容問題，制作SOC的過程中 可能需要采用多種標準的制作工藝，但這些制造工藝的制造方法和采用的襯底 材料都不同，很難實施在同一個芯片上，即使襯底材料相同，在制造中也要考 慮各電路模塊的制造可行性。這一方面使得不能對SOC的各個電路模塊進行充 分的優化，另一方面在一個襯底上實現多個電路模塊，不僅需要增加掩模版數 量，且安排各電路模塊的制作順序也有很大的限制，增加了電路制造的成本、 限制了芯片性能的提高。
為了解決上述問題，可以使用電路器件三維互連的方式實現三維集成，電 路器件的三維互連是在平面電路基礎上，利用垂直平面的第三維來實現單個芯 片內多層電路器件的互連，即把一個大的平面電路劃分為若干邏輯上相關聯的 功能模塊分布在多個芯片層上，然后通過穿透襯底的三維垂直互連金屬線，將 多層芯片進行三維互連和集成。三維互連能夠實現不同功能、不同工藝的多個 電路器件的垂直集成，大幅度降低了電路器件的集成難度，且能提高了集成電 路速度、減少了芯片的功耗。三維互連可以集成多層不同工藝或不同村底材料 的電路器件，為提升SOC性能提供了良好的解決方案。
目前實現電路器件三維互連的技術主要包括基于盲孔的實現方式和基于通 孔的實現方式。基于盲孔的實現方式，在電路器件的襯底圓片上利用單面刻蝕 制作單面開口的盲孔，然后采用大馬士革電鍍的方式，向單面開口的盲孔中填
充金屬以實現三維互連。該方法中襯底圓片保持原來的厚度，在金屬填充好之后借助與輔助圓片4定合、并減薄制作有垂直互連線的襯底圓片，從而使得襯底 圓片填充的金屬線能夠穿透襯底形成三維互連。
基于通孔的實現方式，首先在電路器件的襯底圓片上制作通孔，然后以電 鍍方式在通孔中填充金屬，填充金屬時可以進行雙面操作，即在單面電鍍封住 通孔的開口后，利用自底向上電鍍的方式填充金屬材料。
在對現有技術進行研究后，發明人發現，基于盲孔的實現方式，由于只能 采用大馬士革電鍍，很容易使盲孔在開口處首先被封住，形成填充金屬線內部 的孔洞。為了保證三維互連的可靠性，在襯底上制作的盲孔不能過深，因此實 現襯底圓片三維互連的深寬比有很大限制。基于通孔的實現方式填充通孔時容
易，但是為了保"^正在襯底圓片上的可操作性，單層襯底圓片的厚度往往超過200
微米，雖然具有較高的深寬比，但同時限制了互連線密度的提高。
發明內容
本發明實施例提供了一種電路器件三維集成的方法，所述技術方案如下 一種電路器件三維集成的方法，所述方法包括 在帶有電路器件的第一襯底圓片的正面制造盲孔；
將所述第一襯底圓片的正面與輔助圓片進行鍵合，其中，所述輔助圓片上 與第 一襯底圓片鍵合的 一 面有電鍍用的金屬種子層；
將所述第一襯底圓片進行背面減薄處理，使所述盲孔開口形成通孔； 以所述輔助圓片上的所述金屬種子層為起點，釆用自底向上的電鍍方式在 所述通孔內填充導電金屬；
將第一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行4建合。 本發明實施例在將電路器件進行三維集成時，通過在電路器件的襯底圓片 上制造盲孔，并對盲孔開口形成通孔，利用輔助圓片釆用自底向上的電鍍方式 向通孔內填充金屬，避免了電鍍盲孔可能出現的孔洞和縫隙，實現了電路器件 高密度、高深寬比的三維集成，同時也降低了電路器件三維集成和互連的工藝 難度。
圖l是本發明實施例提供的襯底圓片的示意圖；圖2是本發明實施例1提供的電路器件三維集成的方法流程圖； 圖3是本發明實施例2提供的電路器件三維集成的方法流程圖； 圖4是本發明實施例2提供的制作了盲孔的襯底圓片的示意圖； 圖5是本發明實施例2提供的在盲孔內淀積了絕緣層及擴散阻擋層的村底 圓片的示意圖6是本發明實施例2提供的襯底圓片與輔助圓片4建合后的示意圖； 圖7是本發明實施例2提供的進行了減薄處理后的襯底圓片的示意圖； 圖8是本發明實施例2提供的去除了通孔底部高分子聚合物的襯底圓片的 示意圖9是本發明實施例2提供的在通孔內填充了金屬的襯底圓片的示意圖； 圖10是本發明實施例2提供的在通孔上制作了金屬凸點的襯底圓片的示意
圖11是本發明實施例2提供的兩層襯底圓片4建合的示意圖12是本發明實施例2提供的去除了輔助圓片的兩層襯底圓片鍵合的示意
圖13是本發明實施例2提供的三層襯底圓片鍵合的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明 實施方式作進一步地詳細描述。 實施例1
本發明實施例提供了一種電路器件三維互連的方法，該方法能夠將電路器 件的襯底圓片進行高密度、高深寬比的三維垂直互連，有效的實現了電路器件 的三維互連及三維集成。
在本實施例中，首先以實現兩層電路器件的襯底圓片的三維互連為例進行
說明，圖1所示為本實施例所使用的襯底圓片Wl，該襯底圓片上包括了制作好 的電路器件，如集成電路、MEMS器件、或微傳感器等器件；該村底圓片Wl 上還包括多層金屬互連線12,以及金屬互連線12的層間介質層或者表面鈍化 層ll。其中，襯底圓片的材料可以是硅、應變硅、鍺硅、砷化鎵(GaAs)或者 絕緣體上硅(SOI )。在本實施例中，將襯底圓片集成了電路器件的一面稱為正面，另一面稱為 背面。在以下描述中，按照鍵合的層面關系，將襯底圓片分為第一襯底圓片和
第二村底圓片，其層面關系為第一村底圓片的背面與第二襯底圓片的正面進 行鍵合。在三維垂直互連的過程中，需要在第一襯底圓片上進行以下操作，以 實現第一襯底圓片和第二襯底圓片的三維垂直互連及三維集成。參見圖2，具體 操作如下
201:在第一襯底圓片的正面制造盲孔。
202:將該第一襯底圓片的正面與輔助圓片進行鍵合，其中，該輔助圓片上 與第一村底圓片鍵合的一面有電鍍用的金屬種子層。
具體的，可以利用高分子聚合物作為中間層的鍵合材料，將該第一層襯底 圓片的正面與輔助圓片的背面實現臨時鍵合。
203:將該第一襯底圓片進行背面減薄處理，使該盲孔開口形成通孔；
204:以該輔助圓片上的金屬種子層為起點，采用自底向上的電鍍方式在該 第 一村底圓片的通孔內填充導電金屬。
由于采用了自底向上的電鍍方式將導電金屬填充至通孔，導電金屬是從通 孔的底部填入，直至填充至通孔的開口處。因此，在填充的過程中，通孔可以 充分的被導電金屬填滿，不易產生空隙。
205:將第 一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行4建合。
由于第一通孔內填充有導電金屬，通過通孔內填充的金屬線，就可以實現 第 一襯底圓片與第二襯底圓片的電連接，再利用鍵合材料將兩襯底圓片進行鍵 合，就實現了兩襯底圓片的三維互連。
從上述制作過程可以看出，本發明實施例由于采用了自底向上的填充方式， 因此能夠允許在襯底圓片上制作較深的盲孔，提高了三維集成的深寬比；由于 對襯底材料進行了減薄處理，因此可以提高三維集成的密度。
需要說明的是，本發明實施例的方法還可以用于制作多層襯底圓片，當需 要互連新的襯底圓片時，則需要去除第一襯底圓片上的輔助圓片，并在該第一 襯底圓片上制作互連焊盤；以供新的襯底圓片進行互連。此時，將新的襯底圓 片等同為201中的第一襯底圓片，將已鍵合的第一襯底圓片和第二襯底圓片當 做一個整體等同為205中的第二襯底圓片，按照201-205中的方法對新的襯底圓片進行處理后，將新的襯底圓片的背面鍵合到第一襯底圓片的正面，即實現了 新的村底圓片的三維互連。同理，按照上述方法重復進行鍵合，就可以實現多 層襯底圓片的4建合，此處不再贅述。
本發明實施例在將電路器件進行三維集成時，通過在電路器件的襯底圓片 上制造盲孔，并對盲孔開口形成通孔，利用輔助圓片采用自底向上的電鍍方式 向通孔內填充金屬，避免了電鍍盲孔可能出現的孔洞和縫隙，實現了電路器件 高密度、高深寬比的三維集成，同時也降低了電路器件三維集成和互連的工藝 難度。
實施例2
本發明實施例提供了一種電路器件三維集成的方法，該方法能夠將電路器 件的襯底圓片進行高密度、高深寬比的三維垂直互連，有效的實現了電路器件 的三維集成和三維互連。
在本實施例中，首先以實現兩層電路器件的襯底圓片的三維互連為例進行
說明，圖1所示為本實施例所使用的襯底圓片Wl，該襯底圓片上包括了制作好 的電路器件，如集成電路、MEMS器件、或微傳感器等器件；該襯底圓片Wl 上還包括多層金屬互連線12,以及金屬互連線12的層間介質層或者表面鈍化 層ll。其中，村底圓片Wl的材料可以是硅、應變硅、鍺硅、砷化鎵(GaAs) 或者絕緣體上硅(SOI )。
在本實施例中，將襯底圓片集成了電路器件的一面稱為正面，另一面稱為 背面。在以下描述中，按照鍵合的層面關系，將襯底圓片分為第一襯底圓片和 第二襯底圓片，其層面關系為第一襯底圓片的背面與第二村底圓片的正面進 行鍵合。在三維垂直互連的過程中，需要在第一襯底圓片上進行以下操作，以 實現第一襯底圓片和第二襯底圓片的三維垂直互連及三維集成。參見圖3，具體 操作如下
301:在第一襯底圓片的正面制造盲孔14。
具體的，制造盲孔14可采用以下方法反應離子深刻蝕、激光燒蝕、機械 加工等方法。以采用反應離子刻蝕法為例，在第一襯底圓片正面制造盲孔的過 程如下在第一襯底圓片Wl的表面鈍化層11之上淀積刻蝕保護層薄膜13，以 保護層薄膜13作為掩膜，利用反應離子刻蝕技術對表面鈍化層11進行干法刻蝕，再利用反應離子深刻蝕對襯底圓片Wl進行深刻蝕來制造盲孔14，如圖4
所示為制作了盲孔14的襯底圓片。其中，保護層薄膜13的材料可以是氮化 硅(SixNy)、氧化硅、鋁、光刻膠等材料。淀積刻蝕保護層薄膜13時可采用 低壓化學汽相淀積、等離子體增強化學汽相淀積、濺射、或者旋涂等方法。
另外，在制造了盲孔14以后，還可以在該第一層襯底圓片的正面向盲孔14 內淀積側壁絕緣層及擴散阻擋層15，以進行保護，在盲孔14內淀積了側壁絕緣 層及擴散阻擋層15的第一襯底原片如圖5所示。在本實施例中，淀積方法可以 為等離子增強化學汽相淀積，原子層淀積、濺射等方式；淀積的側壁絕緣層 的材料可以為但不限于氧化硅、氮化硅、高分子材料等；擴散阻擋層的材料可 以為但不限于氮化硅、氮化鈦、氮化鉭等材料。
302:利用高分子聚合物作為中間層Bl的鍵合材料，將該第一襯底圓片的 正面與輔助圓片Fl的背面實現臨時鍵合，其中，該輔助圓片Fl與第一襯底圓 片鍵合的一面有電鍍用的金屬種子層Fl 1 。
第一襯底圓片與輔助圓片Fl鍵合后的結構圖如圖6所示，其中，中間層 Bl即鍵合襯底圓片與輔助圓片的一層鍵合材料。輔助圓片Fl上帶有金屬種子 層Fll的一面與第一襯底圓片的正面進行鍵合，金屬種子層Fll與第一襯底圓 片的正面通過鍵合材料鍵合在一起。其中，作為中間層的鍵合材料的高分子聚 合物，為可化學去除或可光敏變性的高分子 爻合物材料，包括但不限于光刻膠、 WaferBondTM、苯并環丁烯(BCB)、聚酰亞胺(PI)、聚二曱基硅氧烷(PDMS )、 聚曱基丙酸烯甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二亞曱 基乙烯(PET)、以及特富龍等材料。輔助圓片Fl其他部分的材料可以是但不限 于玻璃、不銹鋼、鈦、硅等。
303:對該第一襯底圓片進行背面減薄處理，使該盲孔14從背面開口，形 成通孔14。
具體的，參見圖7，對該第一襯底圓片進行減薄處理，即對圖6中所示第一 村底圓片Wl的背面進行減薄，使盲孔14從第一襯底圓片的背面開口形成通孔 14。其中，對襯底圓片的背面減薄可以采用機械研磨、化學機械拋光、化學腐 蝕、等離子刻蝕等方式或其組合的方式。
304:從該第一村底圓片背面將中間層Bl位于通孔底部的鍵合材料去除。 具體的，如圖8所示既為將第一襯底圓片Wl中的通孔14底部的中間層Bl的鍵合材料去除后的第一襯底圓片的結構圖，其中，去除中間層B1的鍵合
材料的方法可以是但不限于化學腐蝕、等離子刻蝕或二者結合的方式。
另外，還可以進一步從該襯底圓片的背面向通孔14內部淀積側壁絕緣層和 擴散阻擋層，以進行保護。進行淀積的方法與301中在盲孔14內進行淀積的方 法相同，此處不再贅述。
305:以該輔助圓片Fl上的金屬種子層Fll為起點，利用自底向上電鍍方 式在該第一層襯底圓片的通孔14內填充導電金屬。
具體的，參見圖9，由于通孔14在底部連通金屬種子層，以輔助圓片Fl 的金屬種子層Fll為起點，采用自底向上的電鍍方式將導電金屬填充至通孔14。 導電金屬是從通孔14的底部填入，直至填充至通孔14的開口處。因此，在填 充導電金屬的過程中，通孔14可以充分的被導電金屬填滿，不易產生空隙。填 充了導電金屬后的襯底圓片的結構圖如圖9所示。其中，填充的金屬包括但不 限于銅、鴒、金、鎳、鉻等可以電鍍的金屬，或其混合的合金。
306:在該第一層襯底圓片背面制作金屬凸點17，并將第一襯底圓片的背面 與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行鍵合。
具體的，如圖IO所示，在第一襯底圓片的背面，在填充了導電金屬的通孔 14的開口處，制作用于電連接第二襯底圓片的金屬凸點17。制作金屬凸點17 的金屬材料可以是但不限于銅、銀、錫、金、銦、鉛中的一種或幾種材料，或 上述材料的合金材料。金屬凸點17的制造方法可以是但不限于是電鍍、濺射等 方式。
第一襯底圓片與第二襯底圓片鍵合后的結構圖如圖ll所示。第一襯底圓片 的通孔14內填充的導電金屬與第二襯底圓片上的焊盤或導電板等能夠相互接 觸，由此實現了第一襯底圓片與第二襯底圓片的垂直電連接，再利用鍵合材料 將兩襯底圓片進行4建合，就實現了兩襯底圓片的三維互連。
之后，如圖12所示，可以再進一步去除第一村底圓片正面處的中間層Bl 和輔助圓片Fl，保留^t合后的第一襯底圓片與第二襯底圓片。
通過上述操作，就完成了兩層襯底圓片的垂直互連，如果還需要在第一襯 底圓片的正面再鍵合第三襯底圓片時，則通過在第 一襯底圓片的正面進行金屬 再布線，并在通孔14的開口處制作新的焊盤18,以供第三襯底圓片進行三維互 連和集成。然后，按照301-306中對第一襯底圓片進行處理的方法，對第三襯底圓片進行處理，在第三襯底圓片上制造通孔并填充金屬之后，就可以將第三襯 底圓片4建合到第 一襯底圓片上，由此就實現了三層村底圓片的垂直互連。
參見圖13所示為采用上述方法實現三層襯底圓片三維互連的結構示意圖。
其中，Wl為第一襯底圓片，W2為處于最底部的第二襯底圓片，W3為處于最 頂層的第三襯底圓片；16、 36分別表示在襯底圓片Wl、 W3上制作的三維互連 銅柱；17、 37分別表示在襯底圓片Wl、 W3的背面制作的金屬凸點；18、 28、 38分別表示村底圓片Wl、 W2、 W3正面的用于鍵合或封裝的焊盤；19、 29分 別表示在襯底圓片W1、 W2正面的鍵合層。
以上實現了三層襯底圓片的三維互連。能夠想到的是，本發明實施例的方 法還可以用于多層襯底圓片的三維互連。當需要鍵合新的村底圓片時，則需要 去除第三襯底圓片上的輔助圓片，并在該第三襯底圓片上制作互連焊盤；以供 新的襯底圓片進行互連。此時，將新的襯底圓片等同為301中的第一襯底圓片， 將已鍵合的所有的襯底圓片當做一個整體等同為306中的第二襯底圓片，按照 301-306中的方法對將新的襯底圓片進行處理，將新的襯底圓片的背面鍵合到第 三襯底圓片的正面，即實現了新的襯底圓片的鍵合。同理，按照上述方法重復 進行鍵合，就可以實現多層襯底圓片的鍵合，此處不再贅述。
從上述制作過程可以看出，本發明實施例提供的技術方案具有如下優點 采用先深刻蝕制作盲孔，后減薄制作通孔的方式，不會引起橫向鉆蝕，不同尺 寸和不同位置處的刻蝕速度差異也不會影響后續工藝的進行；由于輔助圓片的 支撐作用，最終可以使單層襯底圓片很薄，有利于實現襯底圓片高密度的三維 集成互連。另外，由輔助圓片提供電鍍用的金屬種子層，在向通孔填充金屬時， 金屬種子層將通孔的一端封閉，直接采用自底向上的電鍍方式進行填充，因此 前期能夠允許在襯底圓片上制作較深的盲孔，提高了三維集成的深寬比；并且 自底向上的電鍍方式避免了電鍍盲孔出現的孔洞和縫隙現象，降低了工藝難度， 縮短了加工時間。
本發明實施例在將電路器件進行三維集成時，通過在襯底圓片上制造盲孔， 并對襯底圓片進行減薄使盲孔形成通孔，利用輔助圓片釆用自底向上的電鍍方 式向通孔內填充金屬，避免了電鍍盲孔可能出現的孔洞和縫隙，實現了電路器 件高密度、高深寬比的三維互連，同時也降低了電路器件三維集成和互連的工 藝難度。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的 精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護范圍之內。
權利要求
1、一種電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述方法包括在帶有電路器件的第一襯底圓片的正面制造盲孔；將所述第一襯底圓片的正面與輔助圓片進行鍵合，其中，所述輔助圓片上與第一襯底圓片鍵合的一面有電鍍用的金屬種子層；將所述第一襯底圓片進行背面減薄處理，使所述盲孔開口形成通孔；以所述輔助圓片上的所述金屬種子層為起點，采用自底向上的電鍍方式，在所述通孔內填充導電金屬；將所述第一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行鍵合。
2、 根據權利要求1所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述將 第一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行4定合，包括在所述第 一襯底圓片背面的通孔處制作金屬凸點，利用所述金屬凸點將所 述第 一村底圓片與第二襯底圓片進行電連接；利用鍵合材料將所述第 一襯底圓片的背面與第二襯底圓片的正面進行鍵合。
3、 根據權利要求1所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述將 所述第一襯底圓片的正面與輔助圓片進行^t合，包括利用高分子聚合物作為鍵合材料，將所述第一村底圓片與輔助圓片帶有金 屬種子層的一面進行鍵合，所述鍵合材料為可化學腐蝕或光敏變性的高分子聚 合物材料。
4、 根據權利要求3所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述在 所述通孔內填充導電金屬之前，還包括將位于通孔底部的鍵合材料去除。
5、 根據權利要求1所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述將所述第一襯底圓片的正面與輔助圓片進行鍵合之前，還包括在所述第一襯底圓片正面向盲孔內淀積側壁絕緣層及擴散阻擋層； 所述將第 一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行鍵合之前，還包括從所述第一襯底圓片的背面向通孔內部淀積側壁絕緣層及擴散阻擋層。
6、 根據權利要求1所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述將 第 一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行鍵合之后，還 包括去除所述輔助圓片，并在所述第一襯底圓片上制作互連焊盤； 在帶有電路器件的第三襯底圓片的正面制造盲孔；將所述第三襯底圓片的正面與新的輔助圓片進4亍#;合，其中，所述新的輔 助圓片上與第三襯底圓片4建合的一面有電鍍用的金屬種子層；將所述第三襯底圓片進行背面減薄處理，使所述第三襯底圓片上的盲孔開 口形成通孔；以所述新的輔助圓片上的所述金屬種子層為起點，采用自底向上的電鍍方 式在所述第三襯底圓片上的通孔內填充導電金屬；將所述第三村底圓片的背面與第 一村底圓片的正面進行4建合。
7、 根據權利要求1所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述將 所述第一襯底圓片進行背面減薄處理，包括釆用機械研磨、化學機械拋光、化學腐蝕或反應離子刻蝕的方式，以及任 意組合方式對所述第一襯底圓片背面進行減薄。
8、 根據權利要求1所述的電路器件三維集成的方法，其特征在于，所述在 帶有電路器件的第一襯底圓片的正面制造盲孔，包括利用反應離子深刻蝕技術，或激光燒蝕技術，或機械加工技術在第一襯底 圓片正面制造盲孔。
全文摘要
本發明公開了一種電路器件三維集成的方法，所述方法包括在帶有電路器件的第一襯底圓片的正面制造盲孔；將第一襯底圓片的正面與輔助圓片進行鍵合，將所述第一襯底圓片進行背面減薄處理，使所述盲孔開口形成通孔；以所述輔助圓片上的金屬種子層為起點，采用自底向上的電鍍方式在所述通孔內填充導電金屬；將第一襯底圓片的背面與帶有電路器件的第二襯底圓片的正面進行鍵合。本發明實施例在將電路器件三維集成時，在電路器件的襯底圓片上制造盲孔并開口形成通孔，利用輔助圓片采用自底向上的電鍍方式向通孔內填充金屬，避免了電鍍盲孔可能出現的孔洞和縫隙，實現了高密度、高深寬比的三維互連，同時也降低了三維集成和互連的工藝難度。
文檔編號H01L21/02GK101645401SQ20091009240
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月10日 優先權日2009年9月10日
發明者劉理天, 宋崇申, 徐向明, 王喆垚 申請人:清華大學