有效避免金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔在后續(xù)服役過(guò)程中，金屬間化合物易與殘余金屬層反應(yīng)形成孔洞，帶來(lái)不確定的可靠性等問題。
[0043]本發(fā)明第一種實(shí)施方案中，加熱處理時(shí)形成平行于通孔直徑方向的溫度梯度；第二種實(shí)施方案中，加熱處理時(shí)形成垂直于通孔直徑方向，且金屬層II的溫度低于金屬片的溫度的溫度梯度。溫度梯度的存在會(huì)引起熱迀移現(xiàn)象的發(fā)生。熱迀移是在溫度梯度(兩點(diǎn)溫度差ΔΤ與兩點(diǎn)間距Ad的比值，即ΛΤ/Λ(1)作用下發(fā)生的原子迀移過(guò)程。從材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，金屬原子的熱迀移是在一定溫度梯度作用下發(fā)生的、由擴(kuò)散控制的質(zhì)量迀移過(guò)程，其機(jī)理是高溫區(qū)的電子具有較高的散射能，驅(qū)動(dòng)金屬原子沿溫度降低的方向進(jìn)行定向擴(kuò)散迀移，產(chǎn)生金屬原子的質(zhì)量迀移。由于三維封裝技術(shù)中互連結(jié)構(gòu)的尺寸微小，即使互連結(jié)構(gòu)內(nèi)存在較小的溫度差，也可形成較大的溫度梯度。形成的溫度梯度可以引發(fā)大量金屬原子由溫度相對(duì)較高的熱端向溫度相對(duì)較低的冷端進(jìn)行快速迀移、擴(kuò)散，從而顯著加速冷端界面金屬間化合物的生長(zhǎng)，并使金屬間化合物從溫度相對(duì)較低的冷端向溫度相對(duì)較高的熱端連續(xù)生長(zhǎng)，從而有效避免形成的金屬化合物中孔洞的出現(xiàn)。
[0044]本發(fā)明中的加熱裝置為可形成溫度梯度的加熱器。
[0045]所述通孔可以通過(guò)刻蝕工藝制作，其直徑可根據(jù)具體需求進(jìn)行設(shè)定。
[0046]所述在通孔內(nèi)形成釬料填充體I，可以通過(guò)將襯底插入熔融的釬料熔池或真空環(huán)境下灌封熔融的釬料實(shí)現(xiàn)。
[0047]所述在通孔內(nèi)形成釬料填充體II，可以通過(guò)電鍍釬料或灌封熔融釬料的方法實(shí)現(xiàn)。
[0048]所述在粘附層的表面形成金屬層I，可以先在粘附層I上沉積金屬，然后再電鍍或化學(xué)鍍至所需的厚度。
[0049]所述襯底下表面制作金屬層II的過(guò)程可以通過(guò)濺射的方法實(shí)現(xiàn)，也可以先在襯底下表面沉積金屬，然后再電鍍或化學(xué)鍍至所需的厚度。
[0050]優(yōu)選地，所述金屬層II的厚度為I?20 μ m。
[0051]所述金屬層I和金屬片的厚度以滿足在加熱處理過(guò)程中，釬料全部發(fā)生釬焊反應(yīng)形成金屬間化合物后，金屬層I和金屬片仍有剩余為準(zhǔn)。
[0052]所述粘附層的厚度在幾納米到幾百納米之間，可根據(jù)具體需求進(jìn)行設(shè)定。
[0053]所述絕緣層的厚度在幾十納米到幾百納米之間，可根據(jù)具體需求進(jìn)行設(shè)定。
[0054]優(yōu)選地，所述襯底為硅、砷化鎵、氮化鎵或玻璃中的一種。
[0055]優(yōu)選地，所述粘附層為T1、TiN或Ta中的一種。
[0056]優(yōu)選地，所述絕緣層為Si02、Si3N4中的一種或幾種。
[0057]所述通孔內(nèi)形成的金屬間化合物會(huì)因所用釬料填充體的材質(zhì)種類不同而含(或不含)殘余金屬相，殘余金屬相為富Pb相或富Bi相。使用哪種釬料填充體會(huì)含(或不含)殘余金屬相，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)即可判斷。
[0058]利用上述方法制備的金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔，所述金屬為單晶或具有擇優(yōu)取向時(shí)，所述通孔內(nèi)形成的金屬間化合物沿溫度梯度方向具有單一取向。
[0059]利用第二種實(shí)施方案所述方法制備的金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔，所述金屬層II為單晶或具有擇優(yōu)取向時(shí)，所述通孔內(nèi)形成的金屬間化合物沿溫度梯度方向具有單一取向。
[0060]本發(fā)明的有益效果如下:
[0061]利用釬料快速填充通孔，并在一定溫度梯度下進(jìn)行釬焊反應(yīng)，加速金屬間化合物的形成和生長(zhǎng)速率，顯著提高了三維封裝垂直通孔填充的制作效率；本發(fā)明中金屬間化合物的生長(zhǎng)方向不同于傳統(tǒng)方法等溫時(shí)效時(shí)的生長(zhǎng)方向，金屬間化合物由溫度相對(duì)較低的冷端向溫度相對(duì)較高的熱端連續(xù)生長(zhǎng)，可有效避免形成的金屬化合物中孔洞的出現(xiàn)；金屬層采用單晶或具有擇優(yōu)取向金屬材料、選擇合適的釬料，可形成沿溫度梯度方向具有單一取向的金屬間化合物，有效提高了三維封裝垂直互連結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和服役可靠性。
[0062]該方法整個(gè)制作過(guò)程簡(jiǎn)單、方便，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝有良好的兼容性，合格率高，安全可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0063]圖1?圖5為本發(fā)明實(shí)施方案一的具體工藝步驟剖視圖，其中:
[0064]圖1為形成通孔后的剖視圖；
[0065]圖2為在通孔內(nèi)沉積得到絕緣層后的剖視圖；
[0066]圖3為在通孔內(nèi)沉積得到粘附層后的剖視圖；
[0067]圖4為在通孔內(nèi)形成金屬層后的剖視圖；
[0068]圖5為在通孔內(nèi)填充釬料形成釬料填充體后的剖視圖；
[0069]圖6?圖10為本發(fā)明實(shí)施方案二的具體工藝步驟剖視圖，其中:
[0070]圖6為形成通孔后的剖視圖；
[0071]圖7為在通孔內(nèi)沉積得到絕緣層后的剖視圖；
[0072]圖8為在通孔內(nèi)沉積得到粘附層后的剖視圖；
[0073]圖9為在通孔內(nèi)填充得到釬料填充體和釬料凸點(diǎn)的剖視圖；
[0074]圖10為在釬料凸點(diǎn)上放置金屬片后的剖視圖；
[0075]圖11本發(fā)明實(shí)施方案一制備的金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0076]圖12為本發(fā)明實(shí)施方案一制備的含有殘余金屬相的金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0077]圖13為本發(fā)明實(shí)施方案二制備的金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0078]圖14為本發(fā)明實(shí)施方案二制備的含有殘余金屬相的金屬間化合物填充三維封裝垂直通孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0079]圖15為本發(fā)明實(shí)施例1、2和3條件下金屬間化合物生長(zhǎng)速率與傳統(tǒng)釬焊回流(250°C等溫時(shí)效)條件下金屬間化合物生長(zhǎng)速率的對(duì)比圖；
[0080]圖16為本發(fā)明實(shí)施例3條件下形成的Cu6Sn5金屬間化合物的電子背散射衍射(EBSD)照片。
[0081]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1_襯底、2-通孔、3-絕緣層、4-粘附層、5-金屬層1、6_釬料填充體1、7_金屬間化合物、8-殘余金屬相、9-殘余金屬層1、10-金屬層I1、11-釬料填充體I1、12-釬料凸點(diǎn)、13-金屬片。
【具體實(shí)施方式】
[0082]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，下述實(shí)施例不以任何方式限制本發(fā)明。
[0083]實(shí)施例1
[0084]如圖1?圖5所示，本發(fā)明金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔的制備方法通過(guò)下述具體工藝步驟實(shí)現(xiàn):
[0085]步驟一:提供200 ym厚的12寸硅晶圓作為襯底1，并在襯底I內(nèi)形成直徑為50 ym的通孔2 ;
[0086]步驟二:在襯底I的上表面和襯底I內(nèi)通孔2的內(nèi)壁表面沉積200nm的S12絕緣層3，再在絕緣層3表面沉積10nm的Ti粘附層4 ；
[0087]步驟三:在襯底I的上表面和襯底I內(nèi)通孔2的內(nèi)壁表面的粘附層4上先通過(guò)物理氣相沉積10nm的Cu金屬層I 5，然后再電鍍至20 μ m ;
[0088]步驟四:在上述通孔2內(nèi)填充Sn釬料，以在通孔2內(nèi)形成釬料填充體I 6，填充時(shí)釬料的溫度為250 °C ；
[0089]步驟五:在250°C下，對(duì)Sn釬料填充體I 6及Cu金屬層I 5進(jìn)行釬焊回流處理，釬焊回流時(shí)使襯底I中形成平行于通孔2直徑方向的20°C /cm溫度梯度，直至Sn釬料填充體I 6全部與Cu金屬層I 5反應(yīng)完畢形成Cu6Sn5金屬間化合物7 ；
[0090]步驟六:對(duì)上述形成金屬間化合物7填充通孔2的襯底I表面平整化，化學(xué)機(jī)械拋光襯底I對(duì)應(yīng)的表面，以使通孔2內(nèi)的金屬間化合物7與拋光后的襯底I表面平齊，最終形成采用金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔，如圖11所示。
[0091]如附圖15所示，本實(shí)施例中20°C/cm的溫度梯度條件下金屬間化合物生長(zhǎng)速率顯著大于傳統(tǒng)釬焊回流(250°C等溫時(shí)效)條件下的金屬間化合物生長(zhǎng)速率。
[0092]實(shí)施例2
[0093]如圖6?圖10所示，本發(fā)明金屬間化合物填充的三維封裝垂直通孔制備方法通過(guò)下述具體工藝步驟實(shí)現(xiàn):
[0094]步驟一:提供200 ym厚的12寸娃晶圓作為襯底I，在襯底I的下表面米