本發(fā)明涉及穿透硅通孔技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種高密度SOI封裝基板及其制備方法。

背景技術(shù)：

穿透硅通孔技術(shù)，英文縮寫為TSV（through silicon vias）,一般簡稱硅通孔技術(shù),是通過微納加工等方法垂直完全貫穿硅晶片的技術(shù)，它是三維集成電路中堆疊芯片實現(xiàn)互連的一種新的技術(shù)解決方案。相對于傳統(tǒng)的焊線和倒裝芯片來說，TSV互連具有尺寸小、密度高，適用于創(chuàng)建3D封裝和3D集成等特點，可以有效減小傳輸延時、降低噪聲、縮小物理封裝尺寸、增強電學(xué)性能、降低功耗等，成為了目前電子封裝技術(shù)中最引人注目的一種技術(shù)。

目前，在TSV技術(shù)領(lǐng)域中有使用W-TSV、Cu-TSV、Au-TSV，Cu-TSV技術(shù)，Cu-TSV在溫度變化較大的環(huán)境狀況下，由于熱膨脹系數(shù)失配極易產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致芯片在工作中性能急劇下降甚至無法滿足工作要求導(dǎo)致重大損失。由于熱膨脹系數(shù)失配的緣故，在芯片進行封裝集上也會使其產(chǎn)生和加劇應(yīng)力破壞封裝結(jié)構(gòu)，極大的限制了TSV技術(shù)的應(yīng)用范圍，同時由于熱效應(yīng)影響多個方面這也使得芯片的可靠性難以確定。

在對W-TSV、Cu-TSV、Au-TSV，Cu-TSV技術(shù)等問題的討論中，許多人通過對這些技術(shù)的模擬仿真，了解這些TSV技術(shù)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)中對TSV周圍熱應(yīng)力大小的影響從而獲得最優(yōu)的TSV等。但這卻不能從根本上改變熱應(yīng)力對TSV的影響；也有通過改變TSV結(jié)構(gòu)減小熱應(yīng)力，雖然這些解決方案中雖然較有效的解決了熱應(yīng)力對TSV的影響，Cu和襯底及周圍介質(zhì)材料仍然存在CTE失配，同時它對工藝技術(shù)要求高、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高密度SOI封裝基板及其制造方法，可以減小熱應(yīng)力并能允許較小的節(jié)距。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：一種高密度SOI封裝基板，包括SOI襯底基板和SiO₂埋氧層，SiO₂埋氧層設(shè)在SOI襯底基板的中間，把SOI襯底基板分設(shè)為隔離的器件層和襯底層，所述器件層中設(shè)有正面硅柱，所述正面硅柱與所述器件層之間設(shè)有第一絕緣環(huán)，所述襯底層中設(shè)有穿透的背面硅柱，所述背面硅柱與所述襯底層之間設(shè)有第二絕緣環(huán)；所述正面硅柱中設(shè)有金屬柱，所述金屬柱一端穿透SiO₂埋氧層至所述背面硅柱中，所述金屬柱與所述正面硅柱和所述背面硅柱均構(gòu)成歐姆接觸。

進一步地，所述第一絕緣環(huán)或所述第二絕緣環(huán)為絕緣材料或空氣隔離槽。

進一步地，所述絕緣材料為二氧化硅、玻璃漿料或樹脂。

進一步地，所述襯底層和所述背面硅柱為電阻率小于1000的低阻硅。

進一步地，所述器件層和所述襯底層的兩外側(cè)覆蓋有絕緣層。

進一步地，所述絕緣層的材質(zhì)為SiO₂、BCB或PI。

進一步地，所述器件層的絕緣層外覆蓋有金屬布線層，所述金屬布線層中金屬線路與所述金屬柱電氣連接，所述襯底層的絕緣層外均覆蓋有金屬層，所述金屬層中線路層與背面硅柱電氣連接。

一種高密度SOI封裝基板的制備方法，包括以下步驟：

⑴、取含有SiO₂埋氧層的SOI圓片作為基板，通過DRIE或激光對基板正面和背面進行刻蝕，獲得至SiO₂埋氧層的硅柱，硅柱與基板之間設(shè)有絕緣結(jié)構(gòu)；

⑵、對步驟⑴的基板兩外側(cè)面拋光處理，由基板正面硅柱刻蝕出盲孔，至基板背側(cè)的硅柱中；

⑶、對步驟⑵盲孔中注入金屬形成金屬柱；

⑷、向步驟⑶基板兩側(cè)全部表面均覆蓋上絕緣層；

⑸、對步驟⑷基板進行拋光處理，兩側(cè)的絕緣層面上覆蓋上金屬互連層。

進一步地，步驟⑵中絕緣結(jié)構(gòu)為二氧化硅層、BCB層、PI層、玻璃漿料或空氣絕緣層。

進一步地，步驟⑷中絕緣層是通過PECVD、CVD、旋涂、噴渡中的至少一種方法覆蓋在基板兩側(cè)全部表面上的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：是一種新型的硅通孔（TSV）轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)，從很大程度上改變了以Cu、Au、W等金屬填充如TSV孔中導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)失配的結(jié)構(gòu)，從而減小了熱應(yīng)力?？梢詮母旧辖鉀QTSV周圍由于熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力產(chǎn)生的各個問題，同時可以允許較小的節(jié)距以獲得較高的硅通孔（TSV）密度。

附圖說明

圖 1：高密度SOI封裝基板結(jié)構(gòu)俯視圖示意圖；

圖 2：高密度SOI封裝基板仰視圖示意圖；

圖 3：高密度SOI封裝基板剖面圖示意圖；

圖 4：高密度SOI封裝基板結(jié)構(gòu)剖面局部放大圖示意圖；

圖 5：轉(zhuǎn)接板第二結(jié)構(gòu)的剖面圖示意圖；

圖 6：高密度SOI封裝基板第二結(jié)構(gòu)剖面局部放大圖示意圖；

圖 7：轉(zhuǎn)接板第三結(jié)構(gòu)的剖面圖示意圖；

圖 8：高密度SOI封裝基板第三結(jié)構(gòu)剖面局部放大圖示意圖；

圖 9至圖16為高密度SOI封裝基板的制作過程結(jié)構(gòu)變化示意圖；

其中：100正面金屬布線層、101正面硅柱、102器件層、103SiO₂層、104背面絕緣環(huán)、105背面硅柱、106絕緣層、107正面絕緣環(huán)、108金屬柱、109背面金屬層、110襯底層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng)對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。

如圖4所示的一種高密度SOI封裝基板，包括SOI襯底基板和SiO₂埋氧層103，SiO₂埋氧層103設(shè)在SOI襯底基板的中間，把SOI襯底基板分設(shè)為隔離的器件層102和襯底層110，所述器件層102中設(shè)有正面硅柱101，所述正面硅柱101與所述器件層102之間設(shè)有正面絕緣環(huán)107，所述襯底層110中設(shè)有穿透的背面硅柱105，所述背面硅柱105與所述襯底層110之間設(shè)有背面絕緣環(huán)104；所述正面硅柱101中設(shè)有金屬柱108，所述金屬柱108一端穿透SiO₂埋氧層103至所述背面硅柱105中。

本產(chǎn)品原理是通過利用與襯底相同材料的硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Cu作為TSV電學(xué)互連，大大減少了由于Cu與硅襯底出現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配造成的熱應(yīng)力問題，材料相同自然熱膨脹系數(shù)就相同，故不需要補充其他檢測數(shù)據(jù)證明。

正面絕緣環(huán)107或背面絕緣環(huán)104的絕緣材料，如二氧化硅、玻璃漿料和樹脂等的一種實現(xiàn)，或通過空氣槽隔離。所述電學(xué)隔離絕緣材料或空氣隔離槽與SOI埋氧層接觸。

實施例1

如圖1至圖4所示，一種高密度SOI封裝基板，包括器件層102和襯底層110，器件層102和襯底層110經(jīng)SiO₂埋氧層103分隔開。

器件層102中存在與周圍硅襯底電學(xué)隔離的正面硅柱101，所述正面硅柱101內(nèi)存在若干個金屬柱108，所述金屬柱108穿透SOI的SiO₂埋氧層103，一端伸入背面硅柱105內(nèi)，與正面硅柱101和背面硅柱105構(gòu)成金屬歐姆接觸結(jié)構(gòu)；

襯底層110中存在與周圍硅電學(xué)隔離的背面硅柱105，正面硅柱101與背面硅柱105通過金屬柱108實現(xiàn)電學(xué)連接。

正面硅柱101和背面硅柱105與周圍硅襯底電學(xué)隔離，通過絕緣材料如二氧化硅、玻璃漿料和樹脂等的一種實現(xiàn)。所述電學(xué)隔離絕緣材料與SiO₂埋氧層103接觸。

器件層102材料為高阻硅或低阻硅均可，襯底層110和背面硅柱105為低阻硅，其電阻率小于1000 。

器件層102和襯底層110的兩外側(cè)面均覆蓋著一層絕緣層106，絕緣層材料為二氧化硅、BCB、PI等其中一種。

器件層102的絕緣層106外存在一層金屬互連層（Redistribution-Layer，RDL）100，其中的金屬線路層與金屬柱108電氣連接。

襯底層110的絕緣層106外存在一層金屬互連層109，所述金屬互連層109中金屬線路層與背面硅柱105電氣連接。

金屬柱108位于襯底層110部分不能有絕緣層,位于器件層102部分有無絕緣層均可。

實施例2

如圖5和6所示的一種高密度SOI封裝基板，與實施例1結(jié)構(gòu)相比，除了正面硅柱101和背面硅柱105與周圍硅襯底電學(xué)隔離，是通過空氣來實現(xiàn)，即正面絕緣環(huán)107或背面絕緣環(huán)104為空氣隔離槽結(jié)構(gòu)；其余部分結(jié)構(gòu)相同。

實施例3

如圖7和8所示的一種高密度SOI封裝基板，包括器件層102和襯底層110，器件層102和襯底層110經(jīng)SiO₂埋氧層103分隔開。

器件層102中存在與周圍硅襯底電學(xué)隔離的正面硅柱101，所述正面硅柱101內(nèi)存在若干個金屬柱108，所述金屬柱108穿透SOI的SiO₂埋氧層103，一端伸入背面硅柱105內(nèi)，與正面硅柱101和背面硅柱105構(gòu)成金屬歐姆接觸結(jié)構(gòu)；

襯底層110中存在與周圍硅電學(xué)隔離的背面硅柱105，正面硅柱101與背面硅柱105通過金屬柱108實現(xiàn)電學(xué)連接。

正面硅柱101與周圍硅襯底電學(xué)隔離，是通過半填充如二氧化硅、玻璃漿料和樹脂等的一種絕緣材料來實現(xiàn)；背面硅柱105是通過填充如二氧化硅、玻璃漿料和樹脂等的一種絕緣材料來實現(xiàn)；所述電學(xué)隔離絕緣材料與SiO₂埋氧層103接觸。

器件層102材料為高阻硅或低阻硅均可，襯底層110和背面硅柱105為低阻硅，其電阻率小于1000 。

器件層102和襯底層110的兩外側(cè)面均覆蓋著一層絕緣層106，絕緣層材料為二氧化硅、BCB、PI等其中一種。

器件層102的絕緣層106外存在一層金屬互連層（Redistribution-Layer，RDL）100，其中的金屬線路層與金屬柱108電氣連接。

金屬柱108位于襯底層110部分不能有絕緣層,位于器件層102部分有無絕緣層均可。

實施例4

如圖9-圖16所示，一種新型硅通孔（TSV）轉(zhuǎn)接板，即高密度SOI封裝基板的制備方法，包括步驟如下步驟：

1）取SOI圓片作為基板，通過DRIE、激光等技術(shù)對基板正面的器件層進行刻蝕獲得正面硅柱；

2）對步驟1的基板背面通過DRIE、激光等技術(shù)對基板背面襯底層進行刻蝕獲得背面硅柱；

3）對步驟2獲得的基板，通過物理或化學(xué)方法包括PECVD、CVD、真空灌膠技術(shù)中的至少一種，將二氧化硅、BCB、PI或玻璃漿料半填充或全填充入正反兩面硅柱與基板間的空隙內(nèi)，也可以不填充；

4）對步驟3的基板通過CMP等工藝將基板正反兩面拋光；

5）對步驟4的基板通過DRIE、激光等技術(shù)對基板正面硅柱進行刻蝕獲得到金屬盲孔，為形成金屬柱做準(zhǔn)備；

6）對步驟5的基板通過RIE、激光等技術(shù)對正面硅柱上的金屬盲孔繼續(xù)刻蝕至埋氧層以下，為金屬柱與背面硅柱的電氣連接做準(zhǔn)備；

7）通過電鍍等填充工藝在步驟6所述基板的金屬盲孔內(nèi)注入金屬形成金屬柱；

8）通過物理或化學(xué)方法包括PECVD、CVD、旋涂、噴渡中的至少一種，在步驟6所述的基板兩面以及正面硅柱上的金屬盲孔側(cè)壁覆蓋一層絕緣層；

9）通過機械化學(xué)拋光技術(shù)（CMP）技術(shù)對步驟8所述的基板進行拋光處理；

10）通過電鍍、剝離等方法在步驟9的基板正面和背面形成金屬互連層。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。