一种电路器件三维集成的方法 【技术领域】
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种电路器件三维集成的方法。
背景技术
电路器件，如集成电路、传感器及MEMS(微电子机械系统，Micro-Electro-Mechanical System)等，在目前已发展到系统级芯片(SOC，Systemon a Chip)这一阶段，采用系统级芯片的制作技术能在单芯片上实现系统的全部功能，SOC发展中的一个难题是不同制作工艺的兼容问题，制作SOC的过程中可能需要采用多种标准的制作工艺，但这些制造工艺的制造方法和采用的衬底材料都不同，很难实施在同一个芯片上，即使衬底材料相同，在制造中也要考虑各电路模块的制造可行性。这一方面使得不能对SOC的各个电路模块进行充分的优化，另一方面在一个衬底上实现多个电路模块，不仅需要增加掩模版数量，且安排各电路模块的制作顺序也有很大的限制，增加了电路制造的成本、限制了芯片性能的提高。
为了解决上述问题，可以使用电路器件三维互连的方式实现三维集成，电路器件的三维互连是在平面电路基础上，利用垂直平面的第三维来实现单个芯片内多层电路器件的互连，即把一个大的平面电路划分为若干逻辑上相关联的功能模块分布在多个芯片层上，然后通过穿透衬底的三维垂直互连金属线，将多层芯片进行三维互连和集成。三维互连能够实现不同功能、不同工艺的多个电路器件的垂直集成，大幅度降低了电路器件的集成难度，且能提高了集成电路速度、减少了芯片的功耗。三维互连可以集成多层不同工艺或不同衬底材料的电路器件，为提升SOC性能提供了良好的解决方案。
目前实现电路器件三维互连的技术主要包括基于盲孔的实现方式和基于通孔的实现方式。基于盲孔的实现方式，在电路器件的衬底圆片上利用单面刻蚀制作单面开口的盲孔，然后采用大马士革电镀的方式，向单面开口的盲孔中填充金属以实现三维互连。该方法中衬底圆片保持原来的厚度，在金属填充好之后借助与辅助圆片键合、并减薄制作有垂直互连线的衬底圆片，从而使得衬底圆片填充的金属线能够穿透衬底形成三维互连。
基于通孔的实现方式，首先在电路器件的衬底圆片上制作通孔，然后以电镀方式在通孔中填充金属，填充金属时可以进行双面操作，即在单面电镀封住通孔的开口后，利用自底向上电镀的方式填充金属材料。
在对现有技术进行研究后，发明人发现，基于盲孔的实现方式，由于只能采用大马士革电镀，很容易使盲孔在开口处首先被封住，形成填充金属线内部的孔洞。为了保证三维互连的可靠性，在衬底上制作的盲孔不能过深，因此实现衬底圆片三维互连的深宽比有很大限制。基于通孔的实现方式填充通孔时容易，但是为了保证在衬底圆片上的可操作性，单层衬底圆片的厚度往往超过200微米，虽然具有较高的深宽比，但同时限制了互连线密度的提高。
【发明内容】
本发明实施例提供了一种电路器件三维集成的方法，所述技术方案如下：
一种电路器件三维集成的方法，所述方法包括：
在带有电路器件的第一衬底圆片的正面制造盲孔；
将所述第一衬底圆片的正面与辅助圆片进行键合，其中，所述辅助圆片上与第一衬底圆片键合地一面有电镀用的金属种子层；
将所述第一衬底圆片进行背面减薄处理，使所述盲孔开口形成通孔；
以所述辅助圆片上的所述金属种子层为起点，采用自底向上的电镀方式在所述通孔内填充导电金属；
将第一衬底圆片的背面与带有电路器件的第二衬底圆片的正面进行键合。
本发明实施例在将电路器件进行三维集成时，通过在电路器件的衬底圆片上制造盲孔，并对盲孔开口形成通孔，利用辅助圆片采用自底向上的电镀方式向通孔内填充金属，避免了电镀盲孔可能出现的孔洞和缝隙，实现了电路器件高密度、高深宽比的三维集成，同时也降低了电路器件三维集成和互连的工艺难度。
【附图说明】
图1是本发明实施例提供的衬底圆片的示意图；
图2是本发明实施例1提供的电路器件三维集成的方法流程图；
图3是本发明实施例2提供的电路器件三维集成的方法流程图；
图4是本发明实施例2提供的制作了盲孔的衬底圆片的示意图；
图5是本发明实施例2提供的在盲孔内淀积了绝缘层及扩散阻挡层的衬底圆片的示意图；
图6是本发明实施例2提供的衬底圆片与辅助圆片键合后的示意图；
图7是本发明实施例2提供的进行了减薄处理后的衬底圆片的示意图；
图8是本发明实施例2提供的去除了通孔底部高分子聚合物的衬底圆片的示意图；
图9是本发明实施例2提供的在通孔内填充了金属的衬底圆片的示意图；
图10是本发明实施例2提供的在通孔上制作了金属凸点的衬底圆片的示意图；
图11是本发明实施例2提供的两层衬底圆片键合的示意图；
图12是本发明实施例2提供的去除了辅助圆片的两层衬底圆片键合的示意图；
图13是本发明实施例2提供的三层衬底圆片键合的示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种电路器件三维互连的方法，该方法能够将电路器件的衬底圆片进行高密度、高深宽比的三维垂直互连，有效的实现了电路器件的三维互连及三维集成。
在本实施例中，首先以实现两层电路器件的衬底圆片的三维互连为例进行说明，图1所示为本实施例所使用的衬底圆片W1，该衬底圆片上包括了制作好的电路器件，如集成电路、MEMS器件、或微传感器等器件；该衬底圆片W1上还包括：多层金属互连线12，以及金属互连线12的层间介质层或者表面钝化层11。其中，衬底圆片的材料可以是硅、应变硅、锗硅、砷化镓(GaAs)或者绝缘体上硅(SOI)。
在本实施例中，将衬底圆片集成了电路器件的一面称为正面，另一面称为背面。在以下描述中，按照键合的层面关系，将衬底圆片分为第一衬底圆片和第二衬底圆片，其层面关系为：第一衬底圆片的背面与第二衬底圆片的正面进行键合。在三维垂直互连的过程中，需要在第一衬底圆片上进行以下操作，以实现第一衬底圆片和第二衬底圆片的三维垂直互连及三维集成。参见图2，具体操作如下：
201：在第一衬底圆片的正面制造盲孔。
202：将该第一衬底圆片的正面与辅助圆片进行键合，其中，该辅助圆片上与第一衬底圆片键合的一面有电镀用的金属种子层。
具体的，可以利用高分子聚合物作为中间层的键合材料，将该第一层衬底圆片的正面与辅助圆片的背面实现临时键合。
203：将该第一衬底圆片进行背面减薄处理，使该盲孔开口形成通孔；
204：以该辅助圆片上的金属种子层为起点，采用自底向上的电镀方式在该第一衬底圆片的通孔内填充导电金属。
由于采用了自底向上的电镀方式将导电金属填充至通孔，导电金属是从通孔的底部填入，直至填充至通孔的开口处。因此，在填充的过程中，通孔可以充分的被导电金属填满，不易产生空隙。
205：将第一衬底圆片的背面与带有电路器件的第二衬底圆片的正面进行键合。
由于第一通孔内填充有导电金属，通过通孔内填充的金属线，就可以实现第一衬底圆片与第二衬底圆片的电连接，再利用键合材料将两衬底圆片进行键合，就实现了两衬底圆片的三维互连。
从上述制作过程可以看出，本发明实施例由于采用了自底向上的填充方式，因此能够允许在衬底圆片上制作较深的盲孔，提高了三维集成的深宽比；由于对衬底材料进行了减薄处理，因此可以提高三维集成的密度。
需要说明的是，本发明实施例的方法还可以用于制作多层衬底圆片，当需要互连新的衬底圆片时，则需要去除第一衬底圆片上的辅助圆片，并在该第一衬底圆片上制作互连焊盘；以供新的衬底圆片进行互连。此时，将新的衬底圆片等同为201中的第一衬底圆片，将已键合的第一衬底圆片和第二衬底圆片当做一个整体等同为205中的第二衬底圆片，按照201-205中的方法对新的衬底圆片进行处理后，将新的衬底圆片的背面键合到第一衬底圆片的正面，即实现了新的衬底圆片的三维互连。同理，按照上述方法重复进行键合，就可以实现多层衬底圆片的键合，此处不再赘述。
本发明实施例在将电路器件进行三维集成时，通过在电路器件的衬底圆片上制造盲孔，并对盲孔开口形成通孔，利用辅助圆片采用自底向上的电镀方式向通孔内填充金属，避免了电镀盲孔可能出现的孔洞和缝隙，实现了电路器件高密度、高深宽比的三维集成，同时也降低了电路器件三维集成和互连的工艺难度。
实施例2
本发明实施例提供了一种电路器件三维集成的方法，该方法能够将电路器件的衬底圆片进行高密度、高深宽比的三维垂直互连，有效的实现了电路器件的三维集成和三维互连。
在本实施例中，首先以实现两层电路器件的衬底圆片的三维互连为例进行说明，图1所示为本实施例所使用的衬底圆片W1，该衬底圆片上包括了制作好的电路器件，如集成电路、MEMS器件、或微传感器等器件；该衬底圆片W1上还包括：多层金属互连线12，以及金属互连线12的层间介质层或者表面钝化层11。其中，衬底圆片W1的材料可以是硅、应变硅、锗硅、砷化镓(GaAs)或者绝缘体上硅(SOI)。
在本实施例中，将衬底圆片集成了电路器件的一面称为正面，另一面称为背面。在以下描述中，按照键合的层面关系，将衬底圆片分为第一衬底圆片和第二衬底圆片，其层面关系为：第一衬底圆片的背面与第二衬底圆片的正面进行键合。在三维垂直互连的过程中，需要在第一衬底圆片上进行以下操作，以实现第一衬底圆片和第二衬底圆片的三维垂直互连及三维集成。参见图3，具体操作如下：
301：在第一衬底圆片的正面制造盲孔14。
具体的，制造盲孔14可采用以下方法：反应离子深刻蚀、激光烧蚀、机械加工等方法。以采用反应离子刻蚀法为例，在第一衬底圆片正面制造盲孔的过程如下：在第一衬底圆片W1的表面钝化层11之上淀积刻蚀保护层薄膜13，以保护层薄膜13作为掩膜，利用反应离子刻蚀技术对表面钝化层11进行干法刻蚀，再利用反应离子深刻蚀对衬底圆片W1进行深刻蚀来制造盲孔14，如图4所示为制作了盲孔14的衬底圆片。其中，保护层薄膜13的材料可以是：氮化硅(SixNy)、氧化硅、铝、光刻胶等材料。淀积刻蚀保护层薄膜13时可采用：低压化学汽相淀积、等离子体增强化学汽相淀积、溅射、或者旋涂等方法。
另外，在制造了盲孔14以后，还可以在该第一层衬底圆片的正面向盲孔14内淀积侧壁绝缘层及扩散阻挡层15，以进行保护，在盲孔14内淀积了侧壁绝缘层及扩散阻挡层15的第一衬底原片如图5所示。在本实施例中，淀积方法可以为：等离子增强化学汽相淀积，原子层淀积、溅射等方式；淀积的侧壁绝缘层的材料可以为但不限于氧化硅、氮化硅、高分子材料等；扩散阻挡层的材料可以为但不限于氮化硅、氮化钛、氮化钽等材料。
302：利用高分子聚合物作为中间层B1的键合材料，将该第一衬底圆片的正面与辅助圆片F1的背面实现临时键合，其中，该辅助圆片F1与第一衬底圆片键合的一面有电镀用的金属种子层F11。
第一衬底圆片与辅助圆片F1键合后的结构图如图6所示，其中，中间层B1即键合衬底圆片与辅助圆片的一层键合材料。辅助圆片F1上带有金属种子层F11的一面与第一衬底圆片的正面进行键合，金属种子层F11与第一衬底圆片的正面通过键合材料键合在一起。其中，作为中间层的键合材料的高分子聚合物，为可化学去除或可光敏变性的高分子聚合物材料，包括但不限于光刻胶、WaferBondTM、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙酸烯甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二亚甲基乙烯(PET)、以及特富龙等材料。辅助圆片F1其他部分的材料可以是但不限于玻璃、不锈钢、钛、硅等。
303：对该第一衬底圆片进行背面减薄处理，使该盲孔14从背面开口，形成通孔14。
具体的，参见图7，对该第一衬底圆片进行减薄处理，即对图6中所示第一衬底圆片W1的背面进行减薄，使盲孔14从第一衬底圆片的背面开口形成通孔14。其中，对衬底圆片的背面减薄可以采用机械研磨、化学机械抛光、化学腐蚀、等离子刻蚀等方式或其组合的方式。
304：从该第一衬底圆片背面将中间层B1位于通孔底部的键合材料去除。
具体的，如图8所示：既为将第一衬底圆片W1中的通孔14底部的中间层B 1的键合材料去除后的第一衬底圆片的结构图，其中，去除中间层B1的键合材料的方法可以是但不限于化学腐蚀、等离子刻蚀或二者结合的方式。
另外，还可以进一步从该衬底圆片的背面向通孔14内部淀积侧壁绝缘层和扩散阻挡层，以进行保护。进行淀积的方法与301中在盲孔14内进行淀积的方法相同，此处不再赘述。
305：以该辅助圆片F1上的金属种子层F11为起点，利用自底向上电镀方式在该第一层衬底圆片的通孔14内填充导电金属。
具体的，参见图9，由于通孔14在底部连通金属种子层，以辅助圆片F1的金属种子层F11为起点，采用自底向上的电镀方式将导电金属填充至通孔14。导电金属是从通孔14的底部填入，直至填充至通孔14的开口处。因此，在填充导电金属的过程中，通孔14可以充分的被导电金属填满，不易产生空隙。填充了导电金属后的衬底圆片的结构图如图9所示。其中，填充的金属包括但不限于铜、钨、金、镍、铬等可以电镀的金属，或其混合的合金。
306：在该第一层衬底圆片背面制作金属凸点17，并将第一衬底圆片的背面与带有电路器件的第二衬底圆片的正面进行键合。
具体的，如图10所示，在第一衬底圆片的背面，在填充了导电金属的通孔14的开口处，制作用于电连接第二衬底圆片的金属凸点17。制作金属凸点17的金属材料可以是但不限于铜、银、锡、金、铟、铅中的一种或几种材料，或上述材料的合金材料。金属凸点17的制造方法可以是但不限于是电镀、溅射等方式。
第一衬底圆片与第二衬底圆片键合后的结构图如图11所示。第一衬底圆片的通孔14内填充的导电金属与第二衬底圆片上的焊盘或导电板等能够相互接触，由此实现了第一衬底圆片与第二衬底圆片的垂直电连接，再利用键合材料将两衬底圆片进行键合，就实现了两衬底圆片的三维互连。
之后，如图12所示，可以再进一步去除第一衬底圆片正面处的中间层B1和辅助圆片F1，保留键合后的第一衬底圆片与第二衬底圆片。
通过上述操作，就完成了两层衬底圆片的垂直互连，如果还需要在第一衬底圆片的正面再键合第三衬底圆片时，则通过在第一衬底圆片的正面进行金属再布线，并在通孔14的开口处制作新的焊盘18，以供第三衬底圆片进行三维互连和集成。然后，按照301-306中对第一衬底圆片进行处理的方法，对第三衬底圆片进行处理，在第三衬底圆片上制造通孔并填充金属之后，就可以将第三衬底圆片键合到第一衬底圆片上，由此就实现了三层衬底圆片的垂直互连。
参见图13所示为采用上述方法实现三层衬底圆片三维互连的结构示意图。其中，W1为第一衬底圆片，W2为处于最底部的第二衬底圆片，W3为处于最顶层的第三衬底圆片；16、36分别表示在衬底圆片W1、W3上制作的三维互连铜柱；17、37分别表示在衬底圆片W1、W3的背面制作的金属凸点；18、28、38分别表示衬底圆片W1、W2、W3正面的用于键合或封装的焊盘；19、29分别表示在衬底圆片W1、W2正面的键合层。
以上实现了三层衬底圆片的三维互连。能够想到的是，本发明实施例的方法还可以用于多层衬底圆片的三维互连。当需要键合新的衬底圆片时，则需要去除第三衬底圆片上的辅助圆片，并在该第三衬底圆片上制作互连焊盘；以供新的衬底圆片进行互连。此时，将新的衬底圆片等同为301中的第一衬底圆片，将已键合的所有的衬底圆片当做一个整体等同为306中的第二衬底圆片，按照301-306中的方法对将新的衬底圆片进行处理，将新的衬底圆片的背面键合到第三衬底圆片的正面，即实现了新的衬底圆片的键合。同理，按照上述方法重复进行键合，就可以实现多层衬底圆片的键合，此处不再赘述。
从上述制作过程可以看出，本发明实施例提供的技术方案具有如下优点：采用先深刻蚀制作盲孔，后减薄制作通孔的方式，不会引起横向钻蚀，不同尺寸和不同位置处的刻蚀速度差异也不会影响后续工艺的进行；由于辅助圆片的支撑作用，最终可以使单层衬底圆片很薄，有利于实现衬底圆片高密度的三维集成互连。另外，由辅助圆片提供电镀用的金属种子层，在向通孔填充金属时，金属种子层将通孔的一端封闭，直接采用自底向上的电镀方式进行填充，因此前期能够允许在衬底圆片上制作较深的盲孔，提高了三维集成的深宽比；并且自底向上的电镀方式避免了电镀盲孔出现的孔洞和缝隙现象，降低了工艺难度，缩短了加工时间。
本发明实施例在将电路器件进行三维集成时，通过在衬底圆片上制造盲孔，并对衬底圆片进行减薄使盲孔形成通孔，利用辅助圆片采用自底向上的电镀方式向通孔内填充金属，避免了电镀盲孔可能出现的孔洞和缝隙，实现了电路器件高密度、高深宽比的三维互连，同时也降低了电路器件三维集成和互连的工艺难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。