專利名稱：信號線tsv和地線tsv工藝集成的結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種封裝結(jié)構(gòu)及方法，尤其是一種信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)及方法，屬于半導(dǎo)體工藝集成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們對電子產(chǎn)品的要求向小型化、多功能、環(huán)保型等方向的發(fā)展，人們努力尋求將電子系統(tǒng)越做越小，集成度越來越高，功能越做越多、越來越強，由此產(chǎn)生了許多新技術(shù)、新材料和新設(shè)計，其中疊層芯片封裝技術(shù)以及系統(tǒng)級封裝(System-1n-Package,SiP)技術(shù)就是這些技術(shù)的典型代表。三維封裝技術(shù)，是指在將封裝結(jié)構(gòu)由二維布局拓展到三維布局，在相同封裝體積內(nèi)實現(xiàn)更高密度、更高性能的系統(tǒng)集成。而娃穿孔(Through Silicon Via, TSV)是實現(xiàn)三維封裝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。這歸因于TSV在現(xiàn)有的硅基工藝基礎(chǔ)上實現(xiàn)了三維堆疊結(jié)構(gòu)，增大元器件密度，減小互連延時問題，實現(xiàn)高速互聯(lián)。硅穿孔工藝是一種新興的集成電路制作工藝，適合用作多方面性能提升，在高頻高速以及大功率應(yīng)用中， 能極大的提高電路的頻率特性和功率特性。硅穿孔工藝將制作在硅片表面的電路通過硅通孔中填充的金屬連接至硅片背面，結(jié)合三維封裝工藝，使得IC(集成電路)芯片布局從傳統(tǒng)二維分布發(fā)展到更先進三維結(jié)構(gòu)，使封裝結(jié)構(gòu)更為緊湊，芯片引線距離更短，從而可以極大的提高電路的頻率特性和功率特性。但是，傳統(tǒng)的TSV工藝解決方案無法實現(xiàn)對TSV孔內(nèi)絕緣層的選擇性處理，從而在同一片圓片(wafer)上無法完成信號線TSV和地線TSV的工藝集成，大大限制了 TSV技術(shù)應(yīng)用的進步，尤其是在模擬射頻等對信號完整性和電源完整性要求較高的領(lǐng)域中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)及方法，其實現(xiàn)信號線TSV和地線TSV的集成，加工集成成本低，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)，包括襯底；所述襯底內(nèi)設(shè)有貫通襯底的信號線通孔及地線通孔，所述地線通孔內(nèi)設(shè)置地線連接導(dǎo)體，所述地線連接導(dǎo)體與地線通孔形成地線TSV，且地線連接導(dǎo)體與襯底連接接觸；信號線通孔內(nèi)設(shè)置信號線連接導(dǎo)體，所述信號線連接導(dǎo)體與信號線通孔形成信號線TSV，且信號線連接導(dǎo)體通過設(shè)置在信號線通孔內(nèi)壁的絕緣層與襯底絕緣隔離。所述襯底包括硅襯底。所述絕緣層覆蓋信號線通孔的內(nèi)壁，且覆蓋信號線通孔及地線通孔一端外側(cè)的襯底表面。一種信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，所述集成的方法包括如下步驟:
a、提供襯底，所述襯底具有兩個相對應(yīng)的主面，所述主面包括第一主面及與所述第一主面對應(yīng)的第二主面；在襯底的第一主面上設(shè)置掩膜層，選擇性地掩蔽和刻蝕掩膜層，以在襯底的第一主面上方得到貫通掩膜層的第一刻蝕窗口及第二刻蝕窗口；b、利用所述第一刻蝕窗口及第二刻蝕窗口對襯底進行刻蝕，以在襯底內(nèi)得到第一溝槽及第二溝槽，其中，第二溝槽位于第二刻蝕窗口的正下方，第一溝槽位于第一刻蝕窗口的正下方，第二溝槽在襯底內(nèi)的深度大于第一溝槽在襯底的深度；
C、去除襯底第一主面上的掩膜層；
d、在上述襯底的第一主面上設(shè)置絕緣層，所述絕緣層覆蓋襯底的第一主面，同時覆蓋第一溝槽及第二溝槽對應(yīng)的側(cè)壁及底壁；
e、在襯底的第一主面上設(shè)置保護膜，且保護膜封蓋第一溝槽的槽口及第二溝槽的槽
Π ；
f、利用保護膜對襯底的第二主面進行減薄，以使得第二溝槽減薄后貫通襯底，以在襯底內(nèi)形成地線通孔，所述地線通孔的側(cè)壁覆蓋絕緣層；
g、去除上述地線通孔的絕緣層；
h、對上述襯底的第二主面進行再次減薄，以使得第一溝槽減薄后貫通襯底，以在襯底內(nèi)形成信號線通孔， 所述信號線通孔的側(cè)壁覆蓋絕緣層；
1、去除上述襯底第一主面的保護膜； j、在上述襯底的第一主面上鍵合基板；
k、在上述襯底的信號線通孔與地線通孔內(nèi)設(shè)置金屬材料，以在地線通孔內(nèi)得到地線連接導(dǎo)體，在信號線通孔內(nèi)得到信號線連接導(dǎo)體；
1、將基板與襯底解鍵合，以去除襯底上的基板。所述步驟b中，第一溝槽與第二溝槽在襯底內(nèi)的高度差為2 10 μ m。 所述掩膜層為光刻膠。所述第一刻蝕窗口的開口寬度小于第二刻蝕窗口的開口寬度。所述步驟j中，基板通過鍵合膠與襯底的第一主面鍵合固定。所述基板為玻璃基板。所述襯底包括硅襯底。本發(fā)明的優(yōu)點:在襯底內(nèi)設(shè)置第一溝槽及第二溝槽，通過第一溝槽形成信號線通孔，通過第二溝槽形成地線通孔，去除地線通孔內(nèi)的絕緣層，從而使得地線通孔內(nèi)的地線連接導(dǎo)體與襯底直接接觸連接，信號線通孔內(nèi)的信號線連接導(dǎo)體通過絕緣層與襯底絕緣隔離，實現(xiàn)信號線TSV和地線TSV的集成，加工集成成本低，安全可靠。


圖廣圖12為本發(fā)明具體實施工藝步驟剖視圖，其中
圖1為本發(fā)明在襯底第一主面上方得到第一刻蝕窗口及第二刻蝕窗口后的剖視圖。圖2為本發(fā)明在襯底內(nèi)得到第一溝槽與第二溝槽后的剖視圖。圖3為本發(fā)明去除襯底第一主面上掩膜層后的剖視圖。圖4為本發(fā)明在襯底的第一主面上設(shè)置絕緣層后的剖視圖。圖5為本發(fā)明在襯底的第一主面上設(shè)置保護膜后的剖視圖。圖6為本發(fā)明在襯底內(nèi)得到地線通孔后的剖視圖。圖7為本發(fā)明去除地線通孔內(nèi)的絕緣層后的剖視圖。圖8為本發(fā)明在襯底內(nèi)得到信號線通孔后的剖視圖。圖9為本發(fā)明去除保護膜后的剖視圖。
圖10為本發(fā)明在襯底的第一主面鍵合基板后的剖視圖。圖11為本發(fā)明在襯底內(nèi)得到信號線連接導(dǎo)體與地線連接導(dǎo)體后的剖視圖。
圖12為本發(fā)明去除基板后的剖視圖。附圖標(biāo)記說明:1-襯底、2-掩膜層、3-第一刻蝕窗口、4-第二刻蝕窗口、5-第一溝槽、6-第二溝槽、7-絕緣層、8-保護膜、9-地線通孔、10-信號線通孔、11-鍵合膠、12-基板、13-地線連接導(dǎo)體及14-信號線連接導(dǎo)體。
具體實施例方式下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖12所示:在三維封裝的應(yīng)用中，信號線TSV需要與襯底I用絕緣層隔離，從而實現(xiàn)信號傳輸?shù)墓δ?；而地線TSV需保證TSV內(nèi)導(dǎo)體與襯底I的直接接觸，從而實現(xiàn)良好的接地效果；為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括襯底I ;所述襯底I內(nèi)設(shè)有貫通襯底I的信號線通孔10及地線通孔9，所述地線通孔9內(nèi)設(shè)置地線連接導(dǎo)體13，所述地線連接導(dǎo)體13與地線通孔9形成地線TSV，且地線連接導(dǎo)體13與襯底I連接接觸；信號線通孔10內(nèi)設(shè)置信號線連接導(dǎo)體14，所述信 號線連接導(dǎo)體14與信號線通孔10形成信號線TSV，且信號線連接導(dǎo)體14通過設(shè)置在信號線通孔10內(nèi)壁的絕緣層7與襯底I絕緣隔離。具體地，本發(fā)明實施例中，襯底I可以采用硅襯底，地線通孔9位于信號線通孔10的外圈，絕緣層7除覆蓋信號線通孔10內(nèi)壁外，還覆蓋襯底I 一側(cè)的表面，即絕緣層7還分布在信號線通孔10與地線通孔9的外側(cè)。上述結(jié)構(gòu)中，由于地線TSV中，地線連接導(dǎo)體13與襯底I直接接觸，能夠保證良好的接地效果，而信號線TSV中，信號線連接導(dǎo)體14與襯底I通過絕緣層7絕緣隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)信號傳輸?shù)墓δ?。如圖f圖12所示:上述結(jié)構(gòu)的集成結(jié)構(gòu)，可以通過下述具體工藝步驟制備得到，所述工藝步驟具體包括:
a、提供襯底1，所述襯底I具有兩個相對應(yīng)的主面，所述主面包括第一主面及與所述第一主面對應(yīng)的第二主面；在襯底I的第一主面上設(shè)置掩膜層2，選擇性地掩蔽和刻蝕掩膜層2，以在襯底I的第一主面上方得到貫通掩膜層2的第一刻蝕窗口 3及第二刻蝕窗口 4 ；
如圖1所示:所述襯底I的材料可以采用硅；掩膜層2可以采用光刻膠；通過第一刻蝕窗口 3和第二刻蝕窗口 4對襯底I進行刻蝕，第二刻蝕窗口 4的開口寬度大于第一刻蝕窗口 3 ;通過第一刻蝕窗口 3能夠在襯底I內(nèi)得到第一溝槽5，通過第二刻蝕窗口 4能在襯底I內(nèi)得到第二溝槽6 ；
b、利用所述第一刻蝕窗口3及第二刻蝕窗口 4對襯底I進行刻蝕，以在襯底I內(nèi)得到第一溝槽5及第二溝槽6，其中，第二溝槽6位于第二刻蝕窗口 4的正下方，第一溝槽5位于第一刻蝕窗口 3的正下方，第二溝槽6在襯底I內(nèi)的深度大于第一溝槽5在襯底I的深度；
如圖2所示:第一溝槽5的寬度與第一刻蝕窗口 3對應(yīng)，第二溝槽6的寬度與第二刻蝕窗口 4對應(yīng)；利用刻蝕速率與窗口尺寸和形貌的相關(guān)性，從而能夠在襯底I內(nèi)得到第一溝槽5及第二溝槽6 ;本發(fā)明實施例中，第二溝槽6與第二溝槽5在襯底I的深度差為2 20 μ m。本發(fā)明實施例中，第二溝槽6位于第一溝槽5的外圈。C、去除襯底I第一主面上的掩膜層2 ；如圖3所示:根據(jù)掩膜層2的性質(zhì)去除襯底I第一主面的掩膜層2 ;同時，要清洗整個刻蝕過程中的殘留物。d、在上述襯底I的第一主面上設(shè)置絕緣層7，所述絕緣層7覆蓋襯底I的第一主面，同時覆蓋第一溝槽5及第二溝槽6對應(yīng)的側(cè)壁及底壁；
如圖4所示:將絕緣層7淀積在襯底I的第一主面上，由于絕緣層7的淀積工藝沒有選擇性，因此，襯底I的第一主面、第一溝槽5及第二溝槽6對應(yīng)的側(cè)壁及底部均會覆蓋絕緣層7 ;所述絕緣層7可以選用半導(dǎo)體工藝中常用的絕緣材料。e、在襯底I的第一主面上設(shè)置保護膜8，且保護膜8封蓋第一溝槽5的槽口及第二溝槽6的槽口 ；
如圖5所示:保護膜8為背面減薄膜，所述保護膜8可以作為襯底I第二主面減薄的保護膜和后續(xù)處理的保護膜；
f、利用保護膜8對襯底I的第二主面進行減薄，以使得第二溝槽6減薄后貫通襯底1，以在襯底I內(nèi)形成地線通孔9，所述地線通孔9的側(cè)壁覆蓋絕緣層7 ；
如圖6所示:利用保護膜8對襯底I的第二主面進行研磨，以對襯底I的第二主面進行減薄，其中，減薄的厚度 以使第二溝槽6貫通襯底I為止，當(dāng)?shù)诙喜?貫通后形成地線通孔9，由于第二溝槽6的側(cè)壁覆蓋有絕緣層7，因此，地線通孔9的側(cè)壁也覆蓋有絕緣層。g、去除上述地線通孔9的絕緣層7 ；
如圖7所示:由于需要形成的地線TSV結(jié)構(gòu)中，地線TSV中的導(dǎo)體需要與襯底I接觸以形成良好的接地效果，本發(fā)明實施例中，利用濕法工藝將地線通孔9內(nèi)的絕緣層7去除；由于第一溝槽5的底壁及側(cè)壁由襯底I的第二主面進行保護，因此第一溝槽5內(nèi)的絕緣層7依然存在；實現(xiàn)選擇性處理絕緣層7的目的。h、對上述襯底I的第二主面進行再次減薄，以使得第一溝槽5減薄后貫通襯底1，以在襯底I內(nèi)形成信號線通孔10，所述信號線通孔10的側(cè)壁覆蓋絕緣層7 ；
如圖8所示:利用保護膜8對襯底I的第二主面進行二次減薄，以在襯底I內(nèi)形成信號線通孔10，即第一溝槽5貫通襯底I ;
1、去除上述襯底I第一主面的保護膜8 ；
如圖9所示:采用常規(guī)的工藝步驟去除保護膜8，以便進行后續(xù)的工藝； j、在上述襯底I的第一主面上鍵合基板12 ；
如圖10所示:本發(fā)明實施例中，基板12通過鍵合膠11與襯底I的第一主面鍵合固定，基板12采用玻璃基板，基板12鍵合固定在襯底I的第一主面后，地線通孔9及信號線通孔10的一端被封堵。k、在上述襯底I的信號線通孔10與地線通孔9內(nèi)設(shè)置金屬材料，以在地線通孔9內(nèi)得到地線連接導(dǎo)體13，在信號線通孔10內(nèi)得到信號線連接導(dǎo)體14 ；
如圖11所示:采用常規(guī)的阻擋工藝和填充工藝在信號線通孔10及地線通孔9內(nèi)設(shè)置金屬材料，得到地線連接導(dǎo)體13與信號線連接導(dǎo)體14，所述金屬材料可以為銅等金屬。1、將基板12與襯底I解鍵合，以去除襯底I上的基板12。如圖12所示:得到地線連接導(dǎo)體13及信號線連接導(dǎo)體14后，通過解鍵合工藝去除基板12，以便利用襯底1、地線連接導(dǎo)體13及信號線連接導(dǎo)體14進行后續(xù)的封裝連接。如圖廣圖12所示:在襯底I內(nèi)設(shè)置第一溝槽5及第二溝槽6，通過第一溝槽5形成信號線通孔10，通過第二溝槽6形成地線通孔9，去除地線通孔9內(nèi)的絕緣層7，從而使得地線通孔9內(nèi)的地線連接導(dǎo)體13與襯底I直接接觸連接，信號線通孔10內(nèi)的信號線連接導(dǎo)體14通過絕緣層7與襯底I絕緣隔離，實現(xiàn)信號線TSV和地線TSV的集成， 加工集成成本低，安全可靠。
權(quán)利要求
1.一種信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)，包括襯底(I);其特征是:所述襯底(I)內(nèi)設(shè)有貫通襯底(I)的信號線通孔(10)及地線通孔(9)，所述地線通孔(9)內(nèi)設(shè)置地線連接導(dǎo)體(13)，所述地線連接導(dǎo)體(13)與地線通孔(9)形成地線TSV，且地線連接導(dǎo)體(13)與襯底(I)連接接觸；信號線通孔(10)內(nèi)設(shè)置信號線連接導(dǎo)體(14)，所述信號線連接導(dǎo)體(14)與信號線通孔(10)形成信號線TSV，且信號線連接導(dǎo)體(14)通過設(shè)置在信號線通孔(10)內(nèi)壁的絕緣層(7)與襯底(I)絕緣隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)，其特征是:所述襯底(I)包括硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)，其特征是:所述絕緣層(7 )覆蓋信號線通孔(10 )的內(nèi)壁，且覆蓋信號線通孔(10 )及地線通孔(9 ) 一端外側(cè)的襯底(I)表面。
4.一種信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述集成的方法包括如下步驟: (a)、提供襯底(I)，所述襯底(I)具有兩個相對應(yīng)的主面，所述主面包括第一主面及與所述第一主面對應(yīng)的第二主面；在襯底(I)的第一主面上設(shè)置掩膜層(2)，選擇性地掩蔽和刻蝕掩膜層(2)，以在襯底(I)的第一主面上方得到貫通掩膜層(2)的第一刻蝕窗口(3)及第二刻蝕窗口(4)； (b)、利用所述第一刻蝕窗口(3)及第二刻蝕窗口(4)對襯底(I)進行刻蝕，以在襯底Cl)內(nèi)得到第一溝槽(5)及第二溝槽(6)，其中，第二溝槽(6)位于第二刻蝕窗口(4)的正下方，第一溝槽(5)位于第一刻蝕窗口(3)的正下方，第二溝槽(6)在襯底(I)內(nèi)的深度大于第一溝槽(5)在襯底(I)的深度； (c )、去除襯底(I)第一主面上的掩膜層(2 ); (d)、在上述襯底(I)的第一主面上設(shè)置絕緣層(7)，所述絕緣層(7 )覆蓋襯底(I)的第一主面，同時覆蓋第一溝槽(5)及第二溝槽(6)對應(yīng)的側(cè)壁及底壁； (e)、在襯底(I)的第一主面上設(shè)置保護膜(8)，且保護膜(8)封蓋第一溝槽(5)的槽口及第二溝槽(6)的槽口 ； (f)、利用保護膜(8)對襯底(I)的第二主面進行減薄，以使得第二溝槽(6)減薄后貫通襯底(1)，以在襯底(I)內(nèi)形成地線通孔(9)，所述地線通孔(9)的側(cè)壁覆蓋絕緣層(7)； (g)、去除上述地線通孔(9)的絕緣層(7)； (h)、對上述襯底(I)的第二主面進行再次減薄，以使得第一溝槽(5)減薄后貫通襯底(1)，以在襯底(I)內(nèi)形成信號線通孔(10)，所述信號線通孔(10)的側(cè)壁覆蓋絕緣層(7)； (i)、去除上述襯底(I)第一主面的保護膜(8)； (j)、在上述襯底(I)的第一主面上鍵合基板(12)； (k)、在上述襯底(I)的信號線通孔(10)與地線通孔(9)內(nèi)設(shè)置金屬材料，以在地線通孔(9)內(nèi)得到地線連接導(dǎo)體(13)，在信號線通孔(10)內(nèi)得到信號線連接導(dǎo)體(14)； (I)、將基板(12)與襯底(I)解鍵合，以去除襯底(I)上的基板(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述步驟(b)中，第一溝槽(5)與第二溝槽(6)在襯底(I)內(nèi)的高度差為2 ΙΟμπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述掩膜層(2)為光刻膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述第一刻蝕窗口(3)的開口寬度小于第二刻蝕窗口(4)的開口寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述步驟(j)中，基板(12)通過鍵合膠(11)與襯底(I)的第一主面鍵合固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或 8所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述基板(12)為玻璃基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述信號線TSV和地線TSV工藝集成的方法，其特征是:所述襯底(I)包括硅襯底。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號線TSV和地線TSV工藝集成的結(jié)構(gòu)及方法，其包括襯底；襯底內(nèi)設(shè)有貫通襯底的信號線通孔及地線通孔，地線通孔內(nèi)設(shè)置地線連接導(dǎo)體，所述地線連接導(dǎo)體與地線通孔形成地線TSV，且地線連接導(dǎo)體與襯底連接接觸；信號線通孔內(nèi)設(shè)置信號線連接導(dǎo)體，所述信號線連接導(dǎo)體與信號線通孔形成信號線TSV，且信號線連接導(dǎo)體通過設(shè)置在信號線通孔內(nèi)壁的絕緣層與襯底絕緣隔離。本發(fā)明在襯底內(nèi)設(shè)置第一溝槽及第二溝槽，通過第一溝槽形成信號線通孔，通過第二溝槽形成地線通孔，從而使得地線通孔內(nèi)的地線連接導(dǎo)體與襯底直接接觸連接，信號線通孔內(nèi)的信號線連接導(dǎo)體通過絕緣層與襯底絕緣隔離，實現(xiàn)信號線TSV和地線TSV的集成，加工集成成本低，安全可靠。
文檔編號H01L21/768GK103227158SQ201310105620
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者薛愷, 于大全 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心