CN102646654B - 一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构及其制作方法。所述垂直电连接结构包括第一绝缘层，所述第一绝缘层上具有多个通孔，所述通孔内设置有导体柱，所述导体柱的高度和通孔的深度相同，所述导体柱完全嵌入在第一绝缘层内。本发明位于不同平面电路之间的垂直电连接结构的生产成本低，通孔密度高，通孔位置精确，而且基板的材料和通孔中的导体材料选择范围也非常广。
Description
技术领域
本发明涉及一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构及其制作方法，属于集成电路技术领域。
背景技术
通常来说，大量的集成电路（IC）需要与其它集成电路互连。这些电路可以有不同的类型和功能，也可以有相似的类型和功能。通过使用一块共同的基板，不同的集成电路可以在这块基板上直接实现互连。常见的基板被称为多芯片（MCM）模块或转接板。转接板可以支持内部的气体通道，目的是在最接近有源区的地方进行散热，从而提高系统的性能和可靠性。
此外，三维（3D）的分立IC集成，是一个提高系统性能的方法。在某些情况下，在保持更高的性能与可靠性的前提下，分立IC集成可以在最小的体积下，最大化系统功能，并可以大大降低设计与生产的复杂度、材料的成本。
大多数电路本质上都是三维的。例如，在互补型金属氧化物半导体器件中（CMOS），在后道的集成工艺中，包含了与平面电路连接的垂直线路。同样，印刷电路板（PCB）也由许多平面电路与垂直方向上的通孔构成。
利用一种电路结构就可以实现集成电路与PCB之间的系统化集成。这种中间的电路结构就是MCM模块或转接板。MCM模块或转接板可以实现不同芯片的集成，而之前这些芯片显然不能在不损害功能与性能的前提下进行集成，或者说之前的工艺在兼容性上不成熟。
许多MCM模块与转接板的结构、用途及制备方法在申请日为1972年3月7日的美国专利3648131，Kenneth P.Stuby of Wappinger Falls, New York, USA中已有涉及，涉及的内容也包含把多个分立集成电路集成在MCM或转接板上，从而提高其功能及性能。
一般的MCM或转接板技术可以分为两类：第一类方法，利用减成-加成法形成垂直电连接，即在基板上形成孔洞之后，填入绝缘层、阻挡层、导电层，减成-加成法的应用可以参考硅通孔（TSV）或玻璃通孔（TGV1）；第二类方法中，绝缘层和导电通孔用加成法制作，属于加成-加成法，加成-加成法的例子是嵌入玻璃基板中的导线（TGV2）[SCHOTT HermeS公司]，加成-加成工艺的另一个例子是用加成-加成法在金属基板中制作与基板电绝缘的通孔，称为金属通孔（TMV），也就是先制作带有孔洞的金属基板，然后在孔洞侧壁生长一定厚度的绝缘层，最后在孔洞内部沉积金属获得导电通孔的结构。
减成-加成法的缺点是：对于硅通孔（TSV），制造成本高，这是因为生产厂家需要特定的工艺设备并且工艺设备根据填入材料的不同，如铜或钨，也有很多区别。玻璃通孔（TGV1）并不需要绝缘层，但玻璃材料精细度不够，难以在其内部形成质量很好的孔洞，高密度的垂直互连往往很难达到。
纯加法工艺，也就是TGV2所描述的将导线直接嵌入玻璃中，也存在着缺陷：通孔密度低，导线线径过大，导线排布位置不确定。
金属通孔TMV则可以应用在刚硬的基板上，比如MCM或转接板，作为多层集成工艺中的金属薄膜，实际上却并不是作为一个独立的基板，而是利用其内部的气体通道对IC进行有效散热。
因此，现在急需要一种工艺，可以同时满足基板设计中的高密度通孔制作或低密度通孔制作的要求。另外，通孔的位置也能够按照设计精确定位。此外，这种工艺中基板的材料和通孔中的导体材料的也需要有广阔的选择空间。
发明内容
本发明针对现有工艺急需改进的需求，提供一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构及其制作方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构包括第一绝缘层，所述第一绝缘层上具有多个通孔，所述通孔内设置有导体柱，所述导体柱的高度和通孔的深度相同，所述导体柱完全嵌入在第一绝缘层内。
上述结构可以直接与上层或下层的有源或无源的器件进行键合。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，任意所述两个导体柱之间通过第一传输线电连接，所述第一传输线嵌入在第一绝缘层内并暴露于外界中，或者任意一个所述导体柱电连接有第二传输线，所述第二传输线嵌入在第一绝缘层内并暴露于外界中，所述第二传输线通过同层的焊盘与上方的有源或无源器件电连接。
进一步，还包括设置于所述第一绝缘层上的第二绝缘层，所述导体柱的一端嵌入在第一绝缘层，另一端嵌入在第二绝缘层内；任意两个所述导体柱之间通过第一传输线电连接，所述第一传输线位于第一绝缘层内，所述第一传输线的上表面和第二绝缘层相接触，或者任意一个所述导体柱电连接有第二传输线，所述第二传输线位于第一绝缘层内，所述第二传输线的上表面和第二绝缘层相接触，所述第二传输线通过同层的焊盘与上方的有源或无源器件电连接。
所述第一绝缘层和第二绝缘层的成分可以相同，也可以不同。所述第一绝缘层和第二绝缘层的成分分别为氧化物玻璃、氟化物玻璃、聚醚砜、聚醚醚酮或者聚醚酰亚胺等材料。
进一步，所述导体柱由铜、镍、铬、金、银、锡、锌、铂、镉或者镍钨合金制成，所述导体柱为圆柱形，所述导体柱的直径为10微米～100微米，相邻两个导体柱的中心距为15微米～150微米，所述导体柱包括一个电解沉积的金属核心与多个表面层，所述表面层的材料为耐火金属材料、非耐火金属材料、有机绝缘体材料或者无机绝缘体材料。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法包括：
步骤a：在支撑晶圆上形成牺牲层；
步骤b：在所述牺牲层上形成导电层；
步骤c：在所述导电层上形成多个导体柱；
步骤d：在所述多个导体柱的间隙内填充绝缘材料形成第一绝缘层，使导体柱完全嵌入在第一绝缘层内；
步骤e：去除牺牲层和导电层。
进一步，所述步骤c进一步包括：在所述导电层上形成第二绝缘层，在所述第二绝缘层上形成多个孔洞，并使一个孔洞内的导电层通过位于第一绝缘层表面的第一传输线和另一个孔洞内的导电层形成电连接，或者通过和第二传输线同层的焊盘与上方的有源或无源器件相连，再在每个孔洞内形成导体柱，使所述导体柱的一端嵌入在第二绝缘层内，另一端伸出并暴露于第二绝缘层外。
所述第二绝缘层也可以采用TEOS、热氧、PECVD等工艺制作，所述第二绝缘层并未移除，所述第一传输线和第二传输线为带状线。
进一步，还包括步骤f：移除所述第二绝缘层，暴露出第一传输线和第二传输线。
所述第二绝缘层可以采用化学机械抛光去除，第二绝缘层去除后暴露出第一传输线和第二传输线，所述第一传输线和第二传输线成为微带线。
进一步，所述步骤a中的牺牲层为热分解薄膜，由热分解温度大于420℃的有机聚合物或者高碳量的无机聚合物构成。
进一步，实施所述步骤d的装置包括注射成型部，位于所述注射成型部的下方并和其相连的夹持部，位于所述夹持部的下方并和其相连的支撑部；所述注射成型部上设有加热单元，注射成型部包括主通道、次通道以及与所述主通道相连通的喷嘴通道；所述夹持部上具有间隔环和保持环，夹持部包括沉积腔，所述沉积腔和喷嘴通道相连通，经加热单元加热后熔融的绝缘材料通过喷嘴通道注射进沉积腔，使经步骤c后制成的结构中多个导体柱的间隙内填充绝缘材料形成第一绝缘层；所述支撑部上具有加热装置、冷却通道和超声传感器。
进一步，所述支撑晶圆包括第一处理晶圆和第二处理晶圆，所述第一处理晶圆的表面具有由其表面粗糙度形成的逃逸通道，所述第一处理晶圆的内部具有逃逸孔和第一排气孔，所述逃逸通道和逃逸孔相连通，所述第一排气孔和逃逸孔相连通；所述第二处理晶圆的内部具有第二排气孔和第三排气孔，所述第二排气孔和第一排气孔相连通，所述第三排气孔和第二排气孔相连通；所述支撑部的内部具有第四排气孔和排气通道，所述第四排气孔和第三排气孔相连通，所述排气通道和第四排气孔相连通。
本发明的有益效果是：本发明位于不同平面电路之间的垂直电连接结构的生产成本低，通孔密度高，通孔位置精确，而且基板的材料和通孔中的导体材料选择范围也非常广，基板材料可以从很多氧化物玻璃族(P2O5–CaO–MgO–Na2O–TiO2)中选择，或是在氟化物玻璃族(AlF3-BaF2-SrF2-CaF2-MgF2-YF3)中选择，另外基板材料也可以从热聚合物中选择，如聚醚酰亚胺，聚醚砜等，通孔中的导体可以从很多易于电镀的金属中选择，其中包括镍，铜，金，铬，锡等；本发明位于不同平面电路之间的垂直电连接结构适用于MCM或者转接板，尤其适用于包含允许高频信号在基板材料上长距离传输的设计的多芯片模块或者转接板，在此类多芯片模块或者转接板中要求基板材料具有较低的介电常数，而且基板材料的频散也应较低，MCM基板或转接板与通孔中的导体可以被密封，基板具有较高的杨氏模量。
附图说明
图1为本发明实施例用于制作位于不同平面电路之间的垂直电连接结构的装置的截面图；
图2为本发明实施例支撑晶圆的截面图；
图3为本发明实施例支撑晶圆的俯视图；
图4为本发明实施例支撑晶圆、牺牲层、垂直独立导电柱与导电种子层的截面图；
图5为本发明实施例支撑晶圆、牺牲层、垂直独立导电柱与导电种子层的俯视图；
图6为本发明实施例支撑晶圆、牺牲层、垂直独立导电柱与导电种子层、第二绝缘层与第二绝缘层上的在注射前形成的传输线和连接特定导电柱的传输线的截面图；
图7为本发明实施例支撑晶圆、牺牲层、垂直独立导电柱与导电种子层、第二绝缘层与第二绝缘层上的在注射前形成的传输线和连接特定导电柱的传输线的俯视图；
图8为本发明实施例MCM模块或转接板内嵌入了导电柱、过孔以及连接指定过孔的传输线的截面图；
图9为本发明实施例MCM模块或转接板内嵌入了导电柱、过孔以及连接指定过孔的传输线的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明涉及的MCM模块或转接板与已有MCM模块或转接板不同，它们提供了一个互连布线网络，该布线网络嵌入在绝缘体基板中，并且能够精确放置高密度的通孔与传输线。
在现有技术中，可能需要改变含有通孔的基板中的材料成份或电学、力学特性，而通过本发明中介绍的制作方法，这些改变将会变得非常简单；在现有技术中，可能需要改变通孔与传输线的材料成份或电磁特性，而通过本发明中介绍的制作方法，这些改变将也会变得非常简单；本发明提供了一个广泛的基板材料与通孔材料的选择范围，而且这些材料的机械与电磁特性都不同，为工艺带来了更高的灵活性与更低的成本。
在本发明实施例中，MCM模块用于传输电信号并在集成电路之间提供电源和地的连接，该MCM模块可以进行逻辑运算、数字信号存储、控制数字信号通断与走线等，此外还可以在毫米波与太赫兹波段上传输模拟电信号。
如图1所示，该制作装置为MCM模块或转接板特殊设计的注射成型腔结构，该制作装置的截面图为100，注射成型腔里含有由硅或其它高熔点金属构成的水平处理晶圆，在该晶圆的内部有排气通道。注射成型腔130包含三个部分：130里面熔融状态的液体流入注射成型腔，在独立的导电柱上形成第一绝缘层118。150夹持处理晶圆，提供间隔环164与保持环159。180为处理晶圆提供支撑结构、排气通道与加热致冷通道。在130中，注射成型腔的外壳103由高温金属或陶瓷形成。熔融压出物106流经主通道107。小型喷嘴通道109将熔融压出物注射至沉积腔115以尽量减小熔融压出物106的径向流动。加热单元112在多步工艺中控制着腔体内的温度，例如注射阶段、冷却阶段和初步退火阶段。次通道129用来抽出腔体内气体并向腔体内注入无化学反应的气体，并在挤压阶段作为排气口。150区域包括了沉积腔115，在沉积腔115中有两片处理晶圆153与156。独立的垂直导体柱121之前就已形成，形成的方式可以在种子层124上进行电镀。压出物通过小型喷嘴通道109注射至沉积腔115形成第一绝缘层118，压出物流动后受到重力与超声转换器199震动的影响，在沉积腔115内形成均匀的体积分布，并且在熔融的压出物液体中不含有气泡。为保证在压出物充分冷却后能够取出MCM模块或转接板，承载种子层124的牺牲层127从工艺最初就形成在处理晶圆153上。牺牲层127实际是牺牲的聚合物，这种聚合物可以在420℃附近缓慢地分解为气体组份。由于制作转接板的材料本身熔点通常高于420摄氏度，所以单依靠熔融的材料通常可以达到此温度。另外112与192也能加热以保持热量。为了利用牺牲层127的可控气化的特性，气体的逃逸通道设置在了处理晶圆上。第一层逃逸通道162在153晶圆上利用表面粗糙度形成。153晶圆的粗糙表面允许气体通过该表面进入逃逸孔165，逃逸孔165并入在晶圆153上的更大的排气孔168。在420摄氏度时，绝大多数牺牲层127都变成了气体通过该种方式逃逸。处理晶圆156的下部包括更长与更大的排气孔171，而排气孔171又与孔174在处理晶圆156中合并。之后再与处理晶圆156顶部的168孔合并。通过排气孔186与排气通道189，牺牲层127产生的气体被排出注射成型腔外。外部的单向阀门禁止气体从下部回流注射成型腔。机械支撑部分183包含有加热装置192与冷却通道195和超声传感器199。
在绝缘体上制作传输线和通孔，整个半导体行业的共同做法是先在绝缘层上用减成法制作过孔，然后用加成法形成导体材料。同样的，线路和过孔的一般做法是首先在半导体上用减成法形成结构，如利用刻蚀，接着再用加成法形成绝缘层并用导体填充孔洞并形成导线。本发明介绍了一种相反的过孔与传输线在绝缘层上利用加成法的制作方法。首先形成导体网络，然后对该网络进行封装。该加成工艺在图2-9中有详细解释。
如图2及3所示中200，图2描述了处理晶圆的截面，可以见到在截面上有多个排气通道。图3描述了处理晶圆的顶视图，图上标明了代表性的排气通道。在图2中，增加了表面粗糙的度的处理晶圆的上表面162允许牺牲层127热融后的气体进入第一级的排气通道168。之后逃逸的气体进入排气孔171并进入下一级通道174。图3显示了密布着排气孔165与排气通道210。这些通道形成了径向的通道与圆形的气流通道168。更大更深的排气孔171也在该图中显示。
如图4及5所示中300，图4描绘了独立的导体柱或过孔的截面，导体柱与处理晶圆接触，已在图1与图2中讨论过。图4中已经在导电层124上形成了导体柱121，导电层124制作在起到牺牲作用的牺牲层127上，牺牲层127的作用是在注射成型结束后帮助获取最终产品。该牺牲层的材料是聚降冰片烯或相关的聚合物降冰片烯烷基和降冰片烯环氧化物，分解温度高于420℃。丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料树脂可分解转化为挥发性碳氢化合物，分解温度为430℃以上。无机石墨薄膜层在870℃～1070℃且有氧的环境下分解成CO2和CO。图5描述了导电层124的顶视图，并且包含了独立的导电柱121。
如图6及7所示的400。图6描绘了带有牺牲层127的处理晶圆的截面图，上面有电导薄膜124与导体柱121。电学第二绝缘层406覆盖在顶部以达到对传输线403绝缘的目的，传输线403连结了两个导体柱。多个导体中的联结可以采用相同的方式。传输线403埋于水平的平面，导体柱121垂直于该平面。图7描绘了垂直导体柱121的顶视图与导电薄膜124。部分传输线403生长在第二绝缘层406表面，并且电联结了指定的导体柱。
如图8及9所示中的500。图8描绘了采用上述步骤制作的产品的截面图。第一绝缘层118拥有指定的厚度510与径向的尺寸520，该第一绝缘层118包括了嵌入的过孔或导体柱121。用刻蚀的方法移除最初用作种子层的导电薄膜124。嵌入的传输线403连接指定的导体柱。第二绝缘层406可以利用化学机械抛光或刻蚀的方法移除，当然406也可以保持不动，继续用以覆盖传输线，从而能够在MCM模块或转接板上继续使用。
本发明位于不同平面电路之间的垂直电连接结构可以用在多芯片模块或者转接板上，在转接板上可以制作垂直导电孔、在各向同性的材料的水平表面上制作电路，并且该基板材料的介电常数允许其上的信号以10GHz至300GHz的高频率进行传输。这个频率范围对于毫米波与太赫兹的应用都有重要意义。
本发明还涉及到高性能系统与高速数字信息交换，利用本发明，信号可在集成电路之间传输，并在MCM模块或转接板上能以10Gb/s至40Gb/s的速度传输30厘米以上。本发明还涉及到制造能与集成电路一同组装的高速，轻薄，灵活的电路，从而形成小尺寸、高速度的电子系统。另外，还有一些电子系统虽然要求较低的数据传输速率，但要求密封敏感元件，避免接触如氧气或水等污染物。在这种情况下，MCM模块或转接板需要对这些污染物有很好防渗透特性、具有高的杨氏模量与较高的厚度。例如需要完全密封的MEMS器件：传感器（例如压力传感器，加速度计）、致动器（如陀螺仪，高宽比静电谐振器，热致动器，磁致动器和梳齿驱动器等），本发明也能应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
步骤a：在支撑晶圆上形成牺牲层；
步骤b：在所述牺牲层上形成导电层；
步骤c：在所述导电层上形成多个导体柱；
步骤d：在所述多个导体柱的间隙内填充绝缘材料形成第一绝缘层，使导体柱完全嵌入在第一绝缘层内；
步骤e：去除牺牲层和导电层。
2.根据权利要求1所述的位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，所述步骤a中的牺牲层为热分解薄膜，由热分解温度大于420℃的有机聚合物或者高碳量的无机聚合物构成。
3.根据权利要求1所述的位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，实施步骤d的装置包括注射成型部，位于所述注射成型部的下方并和其相连的夹持部，位于所述夹持部的下方并和其相连的支撑部；所述注射成型部上设有加热单元，注射成型部包括主通道、次通道以及与所述主通道相连通的喷嘴通道；所述夹持部上具有间隔环和保持环，夹持部包括沉积腔，所述沉积腔和喷嘴通道相连通，经加热单元加热后熔融的绝缘材料通过喷嘴通道注射进沉积腔，使经步骤c后制成的结构中多个导体柱的间隙内填充绝缘材料形成第一绝缘层；所述支撑部上具有加热装置、冷却通道和超声传感器。
4.根据权利要求3所述的位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，所述支撑晶圆包括第一处理晶圆和第二处理晶圆，所述第一处理晶圆的表面具有由其表面粗糙度形成的逃逸通道，所述第一处理晶圆的内部具有逃逸孔和第一排气孔，所述逃逸通道和逃逸孔相连通，所述第一排气孔和逃逸孔相连通；所述第二处理晶圆的内部具有第二排气孔和第三排气孔，所述第二排气孔和第一排气孔相连通，所述第三排气孔和第二排气孔相连通；所述支撑部的内部具有第四排气孔和排气通道，所述第四排气孔和第三排气孔相连通，所述排气通道和第四排气孔相连通。
5.根据权利要求1所述的位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，所述导体柱由铜、镍、铬、金、银、锡、锌、铂、镉或者镍钨合金制成。
6.根据权利要求1所述的位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，所述导体柱为圆柱形，所述导体柱的直径为10微米～100微米，相邻两个导体柱的中心距为15微米～150微米。
7.根据权利要求1所述的位于不同平面电路间的垂直电连接结构的制作方法，其特征在于，所述导体柱包括一个电解沉积的金属核心与多个表面层，所述表面层的材料为耐火金属材料、非耐火金属材料、有机绝缘体材料或者无机绝缘体材料。
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