[發明專利]一種TSV芯片鍵合結構

有效

• 申請號: 201110063943.5
• 申請日: 2011-03-16
• 公開（公告）號: CN102157459A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 崔卿虎;朱韞暉;馬盛林;繆旻;金玉豐
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L23/00
• 分類號: H01L23/00;H01L23/48
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 俞達成

技術領域

本發明涉及TSV(Through?Silicon?Via，硅通孔)的芯片三維集成技術，具體涉及一種TSV鍵合層結構的設計，屬于微電子技術領域。

背景技術

如今的半導體工業界普遍認為，基于TSV的芯片三維集成技術，是可以使芯片繼續沿著摩爾定律的藍圖向前發展的重要技術之一。對于TSV芯片的堆疊，目前普遍且可靠的方法之一是，微凸點(micro?bump)間通過焊料進行金屬間的鍵合，形成金屬間化合物(IMC)。IMC的熔點較高，可以再進行與另外一層芯片的鍵合。

如圖1所示，101和102為TSV芯片，103和104為導電通孔，105和106為導電微凸點。一般的，105和106通過焊料107進行鍵合。鍵合需要一定的溫度、壓強和時間。鍵合溫度下焊料107會變得松軟，鍵合時在豎直方向上加一定壓力并持續一定時間。如果微凸點表面不平、或者芯片表面上微凸點高度參差不齊、微凸點上焊料的量各不相同、工藝條件和環境稍有偏差，則在橫向上可能產生力的分量，使兩個芯片在鍵合過程中發生橫向偏移，導致微凸點間鍵合的偏差。隨著微凸點尺寸的減小，微凸點平整度、高度一致性及焊料適量性越來越難以控制，橫向偏移發生的可能性變大。業界認為，將來通孔直徑會縮小到5微米左右，微凸點尺寸及間距將隨之減小，微凸點間即使幾個微米級的橫向偏移也會成為影響整個疊層芯片可靠性的重要因素，其表現在電學和熱力學特性上的改變。

目前，解決上述問題的較為普遍的方法之一是把鍵合層的一對微凸點中的其中一個微凸點尺寸做大一點，從而即使有偏移，兩個微凸點間還是可以完整地接觸。但是，隨著微凸點尺寸及節距的減小，尺寸較大的導電微凸點意味著鍵合層中兩個相鄰導電微凸點間距近一步減小，信號串擾及短路的可能性變大。而且在高密度TSV疊層芯片上微凸點的尺寸將會受到嚴格限制，由此看來，大小微凸點鍵合層結構并非是高密度TSV疊層芯片中防止橫向偏移造成可靠性降低甚至器件失效的最佳方法之一。另外，盡管高精度的鍵合機會減少偏差，但必然帶來成本上升問題。

另外，隨著芯片向三維發展，三層以上疊層芯片的散熱成為舉足輕重的問題。此時可能會在疊層芯片上引入微流道108和109，通過流體把疊層芯片中間層芯片產生的熱量散出去。如圖1所示，TSV芯片101和102鍵合時發生了橫向偏移，從而導致了微流道凸點110和111中的通孔偏離，造成微流道通路堵塞。若采用上面所述的大小導電微凸點的方法，則不能從根本上解決問題。盡管解決了電學上的完整接觸問題，但沒有解決微流道通路的偏差甚至堵塞帶來的可靠性問題。

至于通過增大110和111中的通孔尺寸的方法來解決微流道通路的堵塞問題，則不僅無法在根本上解決問題，而且如果發生了鍵合時的橫向偏移，微流道通路肯定不會是直線通路，流體會在鍵合層微凸點中的通路上拐一個彎，這會帶來另一個問題，就是流體的不暢通導致流體速度變慢，熱量不能及時散去，熱導致的流體氣化問題變得嚴重，大量的氣體堵在微凸點通孔周圍，進而導致流體通道的堵塞，熱量積聚在芯片，最終導致芯片失效。這是沒有根本解決問題而帶來的結果。另外，增大微流道通孔108或109的通孔尺寸，形成大小流道通孔連接，一定程度上避免通路堵塞的問題，但也不是最佳的解決辦法。所以要在根本上解決芯片鍵合時發生的橫向偏移問題。

銅-銅直接鍵合也是未來發展趨勢之一，銅-銅間的鍵合屬于金屬擴散鍵合，其不需要焊料，但要求較高的壓強。在高壓強下，橫向偏移發生的可能性變大。

因此，本領域迫切需要一種TSV鍵合層結構來防止芯片在進行鍵合時發生橫向偏移，提高對準精度，在根本上解決問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供一種新的TSV疊層芯片鍵合層結構，提高對準精度，從根本上解決橫向偏移等問題。

為了實現本發明的技術目的，本發明采用如下技術方案。

一種TSV芯片鍵合結構，如圖2所示，所述鍵合結構包括第一芯片1和第二芯片2，所述第一芯片1包括第一微凸點11和第一微凸點11周圍的第一環繞結構12，所述第一環繞結構12的高度大于所述第一微凸點11的高度；所述第二芯片2包括第二微凸點21，所述第二微凸點21嵌入所述第一環繞結構12且所述第一環繞結構12限制所述第二微凸點21的橫向位移。

如圖2所示，所述第二芯片2還可包括第二環繞結構22以增強橫向固定效果，所述第二環繞結構22的高度大于所述第二微凸點21的高度；在此情況下，所述第一環繞結構12嵌入所述第二環繞結構22且所述第二環繞結構22限制所述第一環繞結構12的橫向位移。