本發(fā)明涉及微電子封裝領(lǐng)域一種TSV晶圓背面減薄技術(shù)工藝，尤其涉及一種利用多層塑封工藝降低晶圓減薄后的翹曲問題。

背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路的特征尺寸不斷縮小，互連密度不斷提高。同時用戶對高性能低耗電的要求不斷提高。在這種情況下，靠進(jìn)一步縮小互連線的線寬來提高性能的方式受到材料物理特性和設(shè)備工藝的限制，二維互連線的電阻電容（RC）延遲逐漸成為限制半導(dǎo)體芯片性能提高的瓶頸。硅穿孔（ThroughSiliconVia，簡稱TSV）工藝通過在晶圓中形成金屬立柱，并配以金屬凸點，可以實現(xiàn)晶圓(芯片)之間或芯片與基板間直接的三維互連，這樣可以彌補傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片二維布線的局限性。這種互連方式與傳統(tǒng)的堆疊技術(shù)如鍵合技術(shù)相比具有三維方向堆疊密度大、封裝后外形尺寸小等優(yōu)點，從而大大提高芯片的速度并降低功耗。因此，TSV技術(shù)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是繼鍵合、載帶焊和倒裝芯片之后的第四代封裝技術(shù)，將逐漸成為高密度封裝領(lǐng)域的主流技術(shù)。含TSV的晶圓在封裝制造過程中，當(dāng)晶圓的正面工藝完成后，需要進(jìn)行背面露銅工藝。隨著三維堆疊技術(shù)的發(fā)展，客觀要求晶圓的厚度越來越薄，目前晶圓的平均厚度已經(jīng)達(dá)到接近20μm水平，但隨著晶圓厚度的不斷降低，對晶圓背部的減薄工藝的要求卻越來越高，因為機械方式的減薄會導(dǎo)致晶圓的破裂和損傷(breakageandslippage)。因此，在晶圓的正面工藝結(jié)束后，通常需要在晶圓的正面臨時鍵合一個載體晶圓做支撐，然后進(jìn)行背面減薄工藝，減薄后再進(jìn)行拆鍵合工藝將載體晶圓去除并清洗。由于鍵合和拆鍵合的設(shè)備非常昂貴，而且工藝較復(fù)雜，成品率低，極大的增加了制造成本。而且，由于所使用的鍵合材料在屬性方面的限制，這種臨時鍵合工藝的溫度通常不能高于200℃。為了解決這一難題，現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種利用塑封料或粘合劑塑封TSV晶圓正面，給晶圓提供足夠的機械支撐強度，然后進(jìn)行背面減薄的技術(shù)。如公開號為20120013004A1的美國專利文件就提出利用塑封料塑封，然后進(jìn)行背面減薄工藝的方法。然而，此方法最大的挑戰(zhàn)是在塑封工藝后，由于塑封料和晶圓及芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配，容易產(chǎn)生很大的翹曲。針對晶圓封裝過程中易出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象，專利號為CN102194652A的文獻(xiàn)公開了引入特定離子來防止晶圓翹曲的方法，但是需要專門方法計算引入離子的量，而且還須對晶圓進(jìn)行高溫退火過程，工藝較為復(fù)雜。公開號為“特開2003-160395”的日本專利也公開了引入高濃度的雜質(zhì)如鍺和氧到晶圓，以增強其抗翹曲的特性，同樣具有工藝復(fù)雜、成本高的缺點?，F(xiàn)有專利文獻(xiàn)以及其他技術(shù)文獻(xiàn)中尚沒有發(fā)現(xiàn)針對上述問題提出過改進(jìn)技術(shù)方案的先例。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于TSV的低應(yīng)力三維封裝方法和封裝結(jié)構(gòu)，該封裝方法能夠在不對晶圓做改性的情況下，降低由封裝材料帶來的應(yīng)力變化所引起的晶圓翹曲問題。根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種基于TSV的三維封裝方法，包括步驟：S1：在晶圓正面制作TSV；S2：將多塊芯片與晶圓正面互連；S3：在晶圓背面粘結(jié)上一層載體物；S4：在晶圓正面實施塑封工藝，在晶圓表面和芯片上覆蓋塑封層；S5：對塑封層進(jìn)行化學(xué)機械拋光工藝；S6：去除晶圓背面粘結(jié)的載體物；S7：晶圓背面的減薄工藝，及TSV露頭工藝，其中所述塑封工藝分為二次塑封工藝，該二次塑封工藝依次在晶圓的正面覆蓋第一塑封層和后續(xù)塑封層，所述后續(xù)塑封層具有與所述第一塑封層中的材料不同的熱膨脹系數(shù)，且該第一塑封層和后續(xù)塑封層在塑封時產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消。優(yōu)選的，所述塑封工藝采用轉(zhuǎn)移方式或壓合方式進(jìn)行，該塑封工藝將塑封料蓋住芯片頂部。優(yōu)選的，所述塑封工藝中使用的塑封料的彈性模量為15-25GPa，第一塑封層的熱膨脹系數(shù)在3-4ppm/k之間，后續(xù)塑封層的熱膨脹系數(shù)在15-20ppm/k之間。優(yōu)選的，所述后續(xù)塑封層包括多層塑封料，該多層塑封料之間至少一層的熱膨脹系數(shù)與第一塑封層不同，使得該第一塑封層和后續(xù)塑封層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消。優(yōu)選的，所述步驟S5中拋光時將后續(xù)塑封層研磨至距芯片上表面40-50μm處。優(yōu)選的，所述步驟S6之前，還包括在所述第一塑封層和后續(xù)塑封層上刻蝕多個切割槽，上述切割槽避開所述芯片，其刻蝕深度達(dá)到晶圓的頂部。同時，根據(jù)本發(fā)明的目的還提出了一種利用上述基于TSV的三維封裝方法實現(xiàn)的封裝結(jié)構(gòu)，包括：含有TSV的晶圓、位于該晶圓正面的多塊芯片，還包括將該多塊芯片和晶圓正面封裝的第一塑封層、位于該第一塑封層上的后續(xù)塑封層，其中該后續(xù)塑封層中的所采用的塑封材料具有與第一塑封層中的材料不同的熱膨脹系數(shù)，且該第一塑封層和后續(xù)塑封層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消。優(yōu)選的，所述后續(xù)塑封層包括多層塑封料，該多層塑封料之間至少一層的熱膨脹系數(shù)與第一塑封層不同，使得該第一塑封層和后續(xù)塑封層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消。優(yōu)選的，所述第一塑封層和后續(xù)塑封層上刻蝕多個切割槽，上述切割槽避開所述芯片，其刻蝕深度達(dá)到晶圓的頂部。上述的封裝方法和封裝結(jié)構(gòu)，通過在晶圓和芯片上設(shè)置至少兩層不同的塑封料，該兩層塑封料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不同，使得兩層塑封料的其中一層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力與相鄰一層產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消，從而減少塑封料對晶圓的作用力，達(dá)到降低晶圓的翹曲程度的效果。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1A至圖1I是本發(fā)明第一實施方式中封裝方法過程中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2A至圖2C是本發(fā)明第二實施方式中封裝方法過程中對應(yīng)的部分結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式正如背景技術(shù)中所述，對于現(xiàn)有的基于TSV封裝技術(shù)的晶圓，在封裝過程中，由于塑封材料和晶圓本身的熱膨脹系數(shù)的不同，容易使得晶圓在封裝過程中產(chǎn)生過多的應(yīng)力而導(dǎo)致晶圓翹曲。面對該問題，現(xiàn)有的一些技術(shù)方案，需要在晶圓中注入一些改變晶圓翹曲特征的摻雜物。然而這些技術(shù)方案不僅工藝復(fù)雜，成本高昂，而且在改性之后的晶圓容易帶來一些額外的品質(zhì)問題。因此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提出了一種新的基于TSV工藝的低應(yīng)力三維封裝結(jié)構(gòu)和方法，該TSV封裝結(jié)構(gòu)通過在晶圓和芯片上設(shè)置至少兩層不同的塑封料，該兩層塑封料的熱膨脹系數(shù)不同，使得兩層塑封料的其中一層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力與相鄰一層產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消，從而減少塑封料對晶圓的作用力，達(dá)到降低晶圓的翹曲程度的效果。具體地，本發(fā)明的技術(shù)方案中，該TSV低應(yīng)力三維封裝結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造包括：含有TSV的晶圓、位于該晶圓正面的多塊芯片、將該多塊芯片和晶圓正面封裝的第一塑封層、位于該第一塑封層上的后續(xù)塑封層，其中該后續(xù)塑封層中的所采用的塑封材料具有與第一塑封層中的材料不同的熱膨脹系數(shù)，且該第一塑封層和后續(xù)塑封層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消。本發(fā)明用于實現(xiàn)基于TSV的低應(yīng)力三維封裝方法包括的主要步驟如下：S1：在晶圓正面制作TSV；S2：將多塊芯片與上述晶圓正面互連；S3：在晶圓的背面粘結(jié)上一層載體物；S4：在晶圓正面實施塑封工藝，依次覆蓋第一塑封層和后續(xù)塑封層；S5：對后續(xù)塑封層進(jìn)行化學(xué)機械拋光工藝；S6：去除晶圓背面粘結(jié)的載體物；S7：晶圓背面的減薄工藝，及TSV露頭工藝；下面，將通過具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)說明。請參見圖1A至圖1I，圖1A至圖1I是本發(fā)明第一實施方式中，封裝方法過程中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示：首先在晶圓1的正面12制作多個TSV通孔3，其中該晶圓的材質(zhì)比如是硅、鍺、氮化鎵、砷化鎵等半導(dǎo)體材料，其可以是裸晶形式的晶圓，也可以是包括已經(jīng)形成在其正面12和/或其內(nèi)部的若干電子元器件的襯底形式的晶圓。TSV通孔3形成在上述任一方式中的晶圓1中，該TSV通孔3的數(shù)量及分布使晶圓1與外部芯片的連接需求而定，比如可以以多個的方式均勻排布在晶圓中，或者以晶圓上按芯片劃分的一個個單元（die）為排列規(guī)則進(jìn)行的分布。該TSV通孔3的單個結(jié)構(gòu)如圖1B所示，其包括介質(zhì)層2、阻擋層4以及金屬層31。制作該TSV通孔3時，首先在確定設(shè)置的位置處打孔，打孔的方式可以通過半導(dǎo)體刻蝕工藝進(jìn)行，也可以是其他可行的方式進(jìn)行，比如機械鉆孔、激光打孔等方式。然后在孔壁上制作介質(zhì)層2，該介質(zhì)層2比如是氧化物、氮化物或其它絕緣材料，以晶圓為硅材料為例，該介質(zhì)層2可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等等。該介質(zhì)層2主要起到絕緣的作用，防止TSV中的導(dǎo)電材料對半導(dǎo)體中的載流子變化造成影響。得到上述具有介質(zhì)層2的TSV孔洞之后，在該介質(zhì)層2上繼續(xù)制作一層阻擋層4，該阻擋層4的作用可以防止在制作TSV通孔時，導(dǎo)電材料穿過介質(zhì)層2滲透至半導(dǎo)體襯底中，從而對半導(dǎo)體襯底以及設(shè)置于該半導(dǎo)體襯底中的電子元器件造成損壞。然后，在TSV孔中制作金屬層31，該金屬層31的優(yōu)選材料比如是Cu、W等，也可以使用其它導(dǎo)電材料，比如摻雜多晶硅或其組合物等等。制作該金屬層31的優(yōu)選方式為電鍍，當(dāng)然也可以采用其它沉積方式進(jìn)行。電鍍填充孔完畢后，應(yīng)用化學(xué)機械拋光（CMP）的方法將晶圓正面多余的電鍍材料進(jìn)行打磨拋光，效果如圖1A所示。在一種實施方式中，可以在晶圓正面做一層或多層銅的RDL互連層32，如圖1C所示。該RDL互連層32的作用是將TSV或晶圓表面的器件電極重新分配到晶圓的其它位置，以方便與外部芯片進(jìn)行互連。然后在RDL互連層32的焊盤上制作凸點33，用以連接芯片和晶圓。而在一些小尺寸封裝技術(shù)中，也可以直接在TSV上形成微凸點，用以和外部芯片互連，如圖1D所示。請參見圖1D，將多塊芯片5通過上述凸點33與晶圓1進(jìn)行互連。這些芯片5是一些具有特定功能的半導(dǎo)體芯片，其具有通過半導(dǎo)體制程工藝制作在其表面和/或內(nèi)部的半導(dǎo)體器件。通過晶圓1中的TSV通孔3，將該些芯片5與第三方芯片、晶圓或基片進(jìn)行互連，實現(xiàn)所謂的3D互連技術(shù)。這些芯片5在與晶圓1進(jìn)行互連時，可以借助回流焊工藝，實現(xiàn)與凸點33之間的固定。請參見圖1E，在晶圓1的背面粘結(jié)上一層載體物6，用于后續(xù)的塑封工藝。載體物6為樹脂或其它聚合物。該載體物6的作用是增加整塊晶圓的機械強度，從而在后續(xù)塑封工藝中涉及一些機械研磨的步驟時，保證該晶圓不被損壞。請參見圖1F，開始進(jìn)行第一次塑封工藝?？上冗M(jìn)行芯片底部填充膠(圖中未示出)后再進(jìn)行塑封或直接進(jìn)行塑封料的塑封工藝。塑封工藝可選擇轉(zhuǎn)移方式或壓合方式，塑封料7以蓋住芯片頂部為宜，塑封料7的選擇以液態(tài)塑封料為宜。請參見圖1G，進(jìn)行第二次塑封工藝，在第一塑封層7的基礎(chǔ)上，塑封后續(xù)塑封層8，后續(xù)塑封層8要求覆蓋整個晶圓，如圖1G所示。進(jìn)行第二次塑封工藝的目的是降低晶圓的翹曲。該后續(xù)塑封層8可以為單層的塑封料構(gòu)成，也可以為多層的塑封料構(gòu)成。當(dāng)該后續(xù)塑封層8為單層塑封料時，要求該后續(xù)塑封層8的材質(zhì)與第一塑封層7的材質(zhì)具有不同的熱膨脹系數(shù)，且該兩種材質(zhì)在受熱膨脹時，產(chǎn)生應(yīng)力方向相反，形成一定的應(yīng)力抵消作用。當(dāng)后續(xù)塑封層8為多層塑封料時，要求該多層材料之間至少一層的熱膨脹系數(shù)與第一塑封層不同，當(dāng)溫度變化時，由第一塑封層和后續(xù)塑封層構(gòu)成的總的塑封體系中發(fā)生的膨脹值等同于該兩側(cè)塑封層的中間膨脹值，從而使某種材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力或拉應(yīng)力而另外的材料中產(chǎn)生相反的應(yīng)力，使其原來的變形方向得到反向的補償，不但增加了晶圓的強度，而且降低晶圓的翹曲程度。在實際應(yīng)用中，我們通過數(shù)值模擬，得到塑封料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量值在某個范圍內(nèi)可大大降低晶圓的翹曲度。這里我們經(jīng)過數(shù)值模擬計算，給出最低晶圓翹曲的塑封料的物理特性：彈性模量為15-25GPa，第一塑封層的熱膨脹系數(shù)α1在3-4ppm/k之間，后續(xù)塑封層α2在15-20ppm/k之間為宜（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度取120℃）。優(yōu)選的，在本發(fā)明應(yīng)用的塑封材料中，可以選擇具有低熱膨脹系數(shù)的材料如石英玻璃、石墨等進(jìn)行摻雜，制備低膨脹系數(shù)的塑封料。同時，在解決絕緣的問題后，應(yīng)用低膨脹性材料可生產(chǎn)出非常低的膨脹系數(shù)或者零膨脹系數(shù)的可控?zé)崤蛎洸牧希瑥亩M(jìn)行復(fù)合塑封料的制備。在完成上述塑封料的塑封過程后，再對其進(jìn)行化學(xué)機械拋光工藝。應(yīng)用化學(xué)機械拋光或其它拋光形式進(jìn)行塑封料的拋光。研磨厚度以距芯片上表面50μm左右為宜，如圖1G所示。去除晶圓背面粘結(jié)的載體物質(zhì)6，如圖1H所示。最后進(jìn)行晶圓背面的減薄工藝，可選擇研磨工藝或刻蝕工藝進(jìn)行減薄，直到露出TSV通孔的底部金屬面為止，如圖1I所示。露出的TSV通孔可以和第三方芯片、晶圓或基片進(jìn)行互連，實現(xiàn)三維封裝。請參見圖2A至圖2C，圖2A至圖2C是本發(fā)明第二實施方式中，封裝方法對應(yīng)的部分結(jié)構(gòu)示意圖。該第二實施方式中，為了進(jìn)一步降低工藝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力問題，降低晶圓翹曲，當(dāng)二次塑封工藝完成后，在塑封料的不同位置刻蝕了一定深度的切割槽9，刻蝕深度為達(dá)到晶圓的頂部為宜，如圖2A所示。切割槽的刻蝕可有效的降低晶圓減薄過程中的應(yīng)力集中，從而最大程度的降低了晶圓的翹曲度，保證了后續(xù)工藝的順利進(jìn)行。之后，再去除晶圓背面粘結(jié)的載體物質(zhì)6，如圖2B所示。最后將晶圓倒裝進(jìn)行晶圓背面的減薄工藝，可選擇研磨工藝或刻蝕工藝進(jìn)行減薄，直到露出硅通孔為止，如圖2C所示。該實施方式的其余步驟和實施方式一相同，此處不再贅述。綜上所述，本發(fā)明提出了一種新的基于TSV工藝的低應(yīng)力三維封裝結(jié)構(gòu)和方法，該TSV封裝結(jié)構(gòu)通過在晶圓和芯片上設(shè)置至少兩層不同的塑封料，該兩層塑封料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不同，使得兩層塑封料的其中一層在加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力與另外一層產(chǎn)生的應(yīng)力方向不同，兩者之間形成應(yīng)力的抵消，從而減少塑封料對晶圓的作用力，達(dá)到降低晶圓的翹曲程度的效果。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。