專利名稱：一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)及制造方法，屬于高密度封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人們對于電子器件更強功能，更高性能，更小體積和更低成本的需求促使各種三維集成及相關(guān)封裝技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如MCM (多芯片組件)，SiP (系統(tǒng)級封裝)，CSP (芯片尺寸封裝)，WLP(圓片級封裝)等。目前的主流芯片制造和集成技術(shù)都是在晶圓的一面進行加工而芯片另一面則制作相應(yīng)的保護層。如果能將晶圓的兩面都利用起來，那么將大大提高集成和封裝密度。穿硅通孔技術(shù)以其能實現(xiàn)體積最小化和更優(yōu)良性能的高密度互連成為一項最有發(fā)展前景的技術(shù)。它能夠獲得最短的使互連距離，并且能夠排除疊層數(shù)量的限制。該類型的直接互連也能夠?qū)崿F(xiàn)更高的裝置速度做出貢獻。這種制造方法是一項正在獲得三維集成電路制造商們更廣泛采用的使能技術(shù)。故而，當(dāng)前在國際上，穿硅通孔(TSV)技術(shù)是非常熱門的研究對象，因為它是實現(xiàn)雙面布線集成的基礎(chǔ)。如果將雙面集成技術(shù)與SiP和MCM等高密度封裝技術(shù)結(jié)合起來，會使集成密度提高一倍，實現(xiàn)真正的三維系統(tǒng)集成。然而，TSV在硅片內(nèi)的長度通常達到幾十微米，甚至幾百微米，而普通硅的介電常數(shù)較大，在微波頻段應(yīng)用中，信號在硅中損耗很大，極大地影響了微波系統(tǒng)的性能。而如果將硅中的傳輸線改成同軸線形式，利用同軸線外圈與芯共軸的金屬層的屏蔽作用，將有效降低信號在娃中的損耗，還能有效降低襯底噪聲。與TSV的研究一片火熱不同，由于穿娃同軸線的制造有很大難度，國內(nèi)對于穿硅同軸線的研究幾近空白，而國外也鮮有報道。根據(jù)目前的資料，穿娃同軸線一般米用2種方法其一,在一片已經(jīng)刻蝕出TSV(TSV側(cè)壁已沉積一層金屬屏蔽層)的硅片和一片完整硅片表面分別濺射金種子層，并在高溫下實現(xiàn)金/金鍵合和再電鍍的方法來制備穿硅同軸線。但是金/金直接鍵合溫度較高(> 260°C)，可能會影響某些半導(dǎo)體器件 的性能，而且這種鍵合方法對硅片表面的平整度要求較高。其二，是在已刻出的TSV(TSV側(cè)壁已沉積一層金屬屏蔽層)中填充可光刻的厚膜材料，光刻出同軸線信號線圖形再電鍍的方法。但是這種方法受厚膜材料的光刻能力和光刻精度限制，制備高深寬比的同軸線比較困難。而本發(fā)明正是基于對這些問題的研究設(shè)計出了代替穿硅同軸線的適用于微波頻段的穿硅傳輸結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
為了降低高密度三維集成中信號在通過硅片時微波性能所受影響，避免穿硅傳輸?shù)膿p耗過大，同時簡化工藝步驟和難度，本發(fā)明的目的在于提供了一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)及制造方法。該所述的方法能在硅中利用MEMS工藝制造通孔，利用信號和接地通孔的分布和低介電常數(shù)材料(如苯并環(huán)丁烯BCB，聚酰亞胺PI，聚二甲基硅氧烷PDMS等)隔離槽結(jié)構(gòu)起到類似同軸線的效果，不僅能實現(xiàn)穿硅片的互連，而且能有效降低微波信號從微波傳輸線穿過硅片時產(chǎn)生的損耗，從而保證系統(tǒng)的性能。通孔的尺寸和通孔間的間距可根據(jù)實際應(yīng)用頻段進行仿真設(shè)計。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是設(shè)計了一種使用與高頻可替代同軸線結(jié)構(gòu)的穿硅通孔傳輸線結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使用多個TSV環(huán)繞一個傳輸信號的TSV芯的結(jié)構(gòu)，環(huán)繞在周圍的TSV接地，構(gòu)成一個形成類似同軸線的共軸屏蔽層，接地TSV和TSV芯之間的硅片正反兩面均使用填充有有低介電常數(shù)材料填充的隔離槽；接地通孔的數(shù)量、尺寸和距離根據(jù)實際的應(yīng)用頻段通過仿真確定。其制造方法是在硅圓片的兩面氧化層上分別光刻出通孔和隔離槽圖形，使用深反應(yīng)離子體刻蝕工藝(DRIE)刻蝕出通孔和隔離槽，但是不把隔離槽刻穿；電鍍形成通孔，在隔離槽內(nèi)沉積低介電常數(shù)聚合物，如BCB ;在通孔分布上，以一圈接地通孔環(huán)繞信號傳輸通孔的形式，最終形成類似同軸線的傳輸形式。在圓片級工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了一種可用于微波頻段的穿硅傳輸結(jié)構(gòu)及其制造方法。采用了深反應(yīng)離子體刻蝕(DRIE)工藝，實現(xiàn)了縱深比高(>10)的垂直硅通孔，其制作的通孔內(nèi)壁較平滑，對硅片的機械及物理損傷??；利用接地和信號通孔的分布和低溫BCB工藝(200°C )填埋隔離槽所實現(xiàn)的傳輸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)普通硅中低損耗信號傳輸；采用光刻等與微電子工藝相兼容的圓片級工藝，保證了傳輸線的精度，能實現(xiàn)大批量制造。該穿硅傳輸結(jié)構(gòu)降低了高密度三維封裝中信號在通過硅片時微波性能受到的影響，避免損耗過大。該工藝步驟簡單，與其他工藝相兼容。由此可見，所述的傳輸結(jié)構(gòu)中，中心的通孔傳輸信號，環(huán)繞周圍的通孔接地，接地通孔的數(shù)量、尺寸和距離根據(jù)實際的應(yīng)用頻段通過仿真確定，用此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波頻段硅片兩面互連。本發(fā)明利用信號和接地通孔的分布和低介電常熟聚合物材料隔離槽結(jié)構(gòu)作為信號傳輸結(jié)構(gòu)。此例中，穿硅傳輸結(jié)構(gòu)單元為6個接地通孔和I個信號通孔，但本發(fā)明不局限于此；所述的傳輸結(jié)構(gòu)中，其 特征在于在正反兩面均使用填充有低介電常數(shù)聚合物材料的隔離槽。所述的穿硅通孔和隔離制作過程中，①先使用刻蝕工藝形成盲孔，再同時進行硅刻蝕工藝，形成正面隔離槽并將盲孔刻穿形成通孔，最后形成背面隔離槽；②穿硅金屬通孔是由電鍍形成；③使用化學(xué)機械拋光(CMP)工藝將多余的低介電常數(shù)材料拋去，直至暴露同軸線。所述的TSV制作過程中，使用深反應(yīng)離子刻蝕工藝形成深度和硅片厚度(450 μ m)相等的高縱深比(> 10)垂直硅線通孔。所述的隔離槽制造過程中，①背面隔離槽制造前需將硅片貼到陪片上，再在硅片背面刻蝕出隔離槽圖形；②正反兩面的隔離槽之間豎直方向上有20 μ m的硅間隔。


圖1是穿硅傳輸結(jié)構(gòu)單元圖形的俯視圖。圖2是圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。圖2-1硅片101預(yù)處理后再正反兩面生長氧化層。圖2-2在正面腐蝕出通孔刻蝕窗口。圖2-3刻蝕出一半深度的盲孔圖形。圖2-4腐蝕氧化層形成隔離槽刻蝕窗口，刻蝕硅，在形成隔離槽同時，將通孔刻穿。圖2-5將硅片I正面朝下，貼在一塊陪片2上，在硅片I反面刻蝕出隔離槽腐蝕窗□。圖2-6將硅片I從反面刻蝕硅形成隔離槽，直至正反兩面隔離槽之間間隔20μπι
左右，并去除氧化層。圖2-7整個硅片重新生長一層氧化層。圖2-8電鍍銅通孔。圖2-9分別在正反兩面隔離槽內(nèi)填充低介電常數(shù)材料，如BCB。圖2-10利用CMP拋去多余的聚合物層露出傳輸結(jié)構(gòu)金屬部分。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖通過實施例進一步具體描述，以充分體現(xiàn)本發(fā)明的實質(zhì)性特點、顯著的進步以及積極效果。本發(fā)明的范圍決非僅局限于下面的實施例。在圖1中，在硅片上制造了穿硅傳輸結(jié)構(gòu)，包括信號和接地通孔401，隔離槽低介電常數(shù)填充物402和其他硅表面生長的氧化層205，通孔401中，中心的通孔傳輸信號，環(huán)繞周圍的通孔接地，接地通孔的數(shù)量、尺寸和距離根據(jù)實際的應(yīng)用頻段通過仿真確定，用此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波頻段硅片兩面互連。此穿硅傳輸結(jié)構(gòu)單元為6個接地通孔和I個信號通孔，不局限于此例。其中介質(zhì)層均為大厚度BCB，厚度大于15 μ m，一般為20-25 μ m。TSV通過干刻，濺射，光刻和電鍍等方法制備。

實施例1在圖2-1-圖2-10中，具體介紹應(yīng)用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)工藝流程。1.硅片101表面預(yù)處理，生長氧化層102，如圖2_1所示。a)對硅片101的正反兩面，進行表面預(yù)處理；b)生長一層氧化層102作為掩模。2.形成通孔刻蝕窗口 103，如圖2-2所示。a)通過光刻顯影腐蝕,在娃片101正面形成通孔刻蝕窗口 103。3.形成盲孔(未打穿的孔)104，如圖2-3所示。a)通過深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝在硅片101的正面形成深度為硅片一半厚度(例如約225 μ m)的垂直硅盲孔104。4.形成正面隔離槽202，并形成通孔201，如圖2-4所示。a)通過光刻顯影腐蝕，在硅片101正面刻蝕出隔離槽刻蝕窗口 ；b)并通過深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝在硅片101的正面形成深度略小于為硅片一半厚度(< 215 μ m)的隔離槽202 ；c)同時刻穿盲孔104，形成通孔201。5.形成隔離槽腐蝕窗口 203，如圖2-5所示。a)準(zhǔn)備與硅片101參數(shù)相同的硅陪片301，將硅片101正面朝下，貼在硅陪片301上;b)在硅片101反面刻蝕出隔離槽腐蝕窗口 203。6.形成背面隔離槽204，如圖2-6所示。
a)通過光刻顯影腐蝕，在硅片101反面通過深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝形成深度略小于為硅片一半厚度(< 215 μ m)的隔離槽204 ；b)去除氧化層102。7.重新生長氧化層205，如圖2-7所示。8.電鍍通孔201形成金屬通孔401，如圖2_8所示。9.分別在硅片101正反兩面用低介電常數(shù)材料402填充隔離槽202和204，如圖2-9所示。a)硅片101正面隔離槽202內(nèi)填充低介電常數(shù)材料402，如BCB，PI, PDMS等；b)固化。c)硅片101反面隔離槽204內(nèi)填充低介電常數(shù)材料402，如BCB，PI, PDMS等；d)固化。10.利用 CMP拋去多余的聚合物層402，露出傳輸結(jié)構(gòu)金屬通孔部分401，如圖2-10所示。
權(quán)利要求
1.一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)，其特征在于設(shè)計了一種使用與高頻可替代同軸線結(jié)構(gòu)的穿硅通孔傳輸線結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使用多個TSV環(huán)繞一個傳輸信號的TSV芯的結(jié)構(gòu)，環(huán)繞在周圍的TSV接地，構(gòu)成一個形成類似同軸線的共軸屏蔽層，接地TSV和TSV芯之間的硅片正反兩面均使用填充有低介電常數(shù)聚合物的隔離槽；接地通孔的數(shù)量、尺寸和距離根據(jù)實際的應(yīng)用頻段通過仿真確定，以此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波頻段硅片兩面互連。
2.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的低介電常數(shù)聚合物為苯并環(huán)丁烯、聚酰亞胺或聚二甲基硅氧烷。
3.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于利用信號和接地通孔的分布和低介電聚合物的隔離槽結(jié)構(gòu)作為信號傳輸結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的穿硅傳輸TSV結(jié)構(gòu)單元為6個接地通孔和I個信號通孔。
5.制作如權(quán)利要求1-4中任一項所述的結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于在硅圓片的兩面氧化層上分別光刻出通孔和隔離槽圖形，使用深反應(yīng)離子體刻蝕工藝刻蝕出通孔和隔離槽，但是不將隔離槽刻穿；電鍍形成通孔，在隔離槽內(nèi)沉積低介電常數(shù)聚合物；在通孔分布上，以一圈接地通孔環(huán)繞信號傳輸通孔的形式，最終形成類似同軸線的傳輸形式。
6.按權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于具體步驟是 1)硅片表面預(yù)處理，生長氧化層； a)對硅片的正反兩面，進行表面預(yù)處理； b)生長一層氧化層作為掩模； 2)形成通孔刻蝕窗口 通過光刻顯影腐蝕，在硅片正面形成通孔刻蝕窗口 ； 3)形成未打穿的盲孔 通過深反應(yīng)離子刻蝕工藝在硅片的正面形成深度為硅片一半厚度的垂直硅盲孔； 4)形成正面隔離槽，并形成通孔 a)通過光刻顯影腐蝕，在硅片正面刻蝕出隔離槽刻蝕窗口； b)并通過深反應(yīng)離子刻蝕工藝在硅片的正面形成深度略小于為硅片一半厚度的隔離槽； c)同時刻穿盲孔，形成通孔； 5)形成隔離槽腐蝕窗口 a)準(zhǔn)備與硅片參數(shù)相同的硅陪片，將步驟4所述的硅片正面朝下，貼在硅陪片上； b)在硅片反面刻蝕出隔離槽腐蝕窗口； 6)形成背面隔離槽 a)通過光刻顯影腐蝕，在硅片反面通過深反應(yīng)離子刻蝕工藝形成深度略小于為硅片一半厚度的隔離槽； b)去除作為掩模的氧化層； 7)重新生長氧化層； 8)電鍍步驟4形成的通孔，形成金屬通孔； 9)分別在硅片正反兩面用低介電常數(shù)聚合物材料填充隔離槽 a)硅片正面的隔離槽內(nèi)填充低介電常數(shù)聚合物材料；b)固化； c)硅片反面的隔離槽內(nèi)填充低介電常數(shù)聚合物材料； d)固化； 10)利用CMP拋去多余的低介電常數(shù)聚合物層，露出傳輸結(jié)構(gòu)金屬通孔部分。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于步驟6所形成的正反兩面的隔離槽之間垂直方向上有20 μ m的硅間隔。
8.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于使用深反應(yīng)離子刻蝕工藝形成深度和硅片厚度相等的縱深比> 10的垂直硅線通孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結(jié)構(gòu)及制造方法，其特征在于設(shè)計了一種使用與高頻可替代同軸線結(jié)構(gòu)的穿硅通孔傳輸線結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使用多個TSV環(huán)繞一個傳輸信號的TSV芯的結(jié)構(gòu)，環(huán)繞在周圍的TSV接地，構(gòu)成一個形成類似同軸線的共軸屏蔽層，接地TSV和TSV芯之間的硅片正反兩面均使用填充有低介電常數(shù)聚合物的隔離槽；接地通孔的數(shù)量、尺寸和距離根據(jù)實際的應(yīng)用頻段通過仿真確定，以此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)微波頻段硅片兩面互連。使用穿硅傳輸結(jié)構(gòu)降低了高密度三維封裝中信號在通過硅片時微波性能受到的影響，避免損耗過大。該工藝步驟簡單，與其他工藝相兼容。
文檔編號H01L21/768GK103066040SQ201110324618
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者湯佳杰, 羅樂, 丁曉云, 徐高衛(wèi), 陳驍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所