CN102915956B - 硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路制造和封装技术领域，公开了一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯BCB树脂电介质层的方法。本发明中，使用BCB树脂作为硅通孔电介质层，利用了BCB树脂良好的加工性能，采用溶液浸渍法、减压旋涂法进行通孔的填充，设备、工艺简便，与前后道工艺兼容，降低了制造成本。此外，BCB树脂具有优良的热、机械和介电性能，BCB树脂作为硅通孔内的电介质层，可以减小漏电流以及硅通孔结构中的应力，提高器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造和封装技术领域，特别涉及一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法。
背景技术
近年来，随着电子产品向着小型化、高性能、多功能的方向发展，对集成电路制造和电子系统集成技术提出了更高的要求。在一块芯片上集成尽可能多的功能成为集成电路设计与制造的重要目标，然而，随着集成电路特征尺寸的缩小、芯片功能的增加以及芯片尺寸的增大，成本增加、热管理难度增大等关键问题逐渐暴露出来。在平面芯片上集成众多功能的系统级芯片（SystemonaChip，简称“SoC”）的开发成本越来越令人难以承受，这就需要利用三维封装来实现多功能系统的集成，以满足消费、汽车和医疗电子领域，尤其是便携式设备的大规模市场应用的需求。
三维封装有封装堆叠（Package-on-Package，简称“POP”）和芯片叠层封装两种方式。封装堆叠技术通过堆叠薄小外形封装（ThinSmallOutlinePackage，简称“TSOP”）或基于传统封装技术的芯片尺寸封装（ChipScalePackage，简称“CSP”）来获得，然而，芯片之间较长的互连线限制了封装堆叠的高频高速性能。目前主流电子产品中的芯片叠层封装采用引线键合技术，而基于圆片制造技术的硅通孔互连（ThroughSiliconVias，简称“TSV”）技术越来越受到了半导体制造业和众多研究机构的关注。TSV技术通过在圆片上制作出垂直互连通孔来实现上下芯片之间的电互连，相对于引线键合和倒装焊等工艺，硅通孔互连技术能够使芯片在三维方向上堆叠密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，可以有效地实现3D芯片层叠，制造出结构更复杂、性能更强大、更具成本效率的封装，因而成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。
在硅通孔（TSV）技术中，通过刻蚀技术形成通孔之后，由于硅的导电性，必须在硅衬底与导电填充材料之间形成电介质层。理想的电介质层应该具有高的击穿电压、没有漏电流、良好的覆盖率与平整度、低应力，以及工艺兼容性等特点。
传统硅通孔工艺中通常使用无机材料，如氧化硅，作为电介质层。氧化硅可以使用等离子体增强化学气相沉积法（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，简称“PECVD”）淀积到硅通孔内壁上，反应气流（比如：硅烷SiH4、氧气O2和氩气Ar的混合气体）经过强电场电离产生等离子体，这些活性基团经过一系列化学和等离子体反应，在硅通孔内壁形成固态二氧化硅薄膜。这是因为氧化硅在硅通孔内制作方便，与IC工艺兼容。但是等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）费用较高，不利于降低成本，而且用氧化层作为电介质层不利于应力的释放，容易造成可靠性方面的问题。一种改进的低温等离子加强的四乙氧基硅烷淀积（PlasmaEnhancedTEOS，简称“PETEOS”）法，使用四乙氧基硅烷（分子式为Si(OC2H5)4，TEOS）作为反应气体,淀积在电容耦合平行板反应器中进行，径向TEOS气流通过硅通孔，通过等离子体增强化学气相沉积技术在硅通孔内淀积氧化层。与前述的使用硅烷作为反应气体的PECVD相比，PETEOS反应温度更低（<200℃），形成的二氧化硅薄膜覆盖性更好，而且具有更低的漏电流。但该方法工艺复杂，设备成本高，而且这种氧化层同样不利于应力的释放，容易造成可靠性方面的问题。
除了用氧化硅层做电介质层外，有文献报道了用聚对二甲苯（parylene）做硅通孔（TSV）电介质层。聚对二甲苯（parylene）具有低介电常数、高介电强度以及高机械耐久性，是一种非常好的电绝缘材料。但是聚对二甲苯（parylene）需通过气相聚合方法淀积到硅通孔壁上，工艺相对复杂，成本较高。利用聚对二甲苯（parylene）做硅通孔（TSV）电介质层的步骤包括：固态环状对二甲苯二聚体在真空和150℃条件下升华为气态环状二聚体；进入650℃反应腔后，气态环状二聚体裂解成活性中间体对二亚甲基苯；活性中间体进入不高于凝聚温度的真空沉积室内，吸附在TSV孔壁上，聚合形成线型高分子聚对二甲苯薄膜。该方法工艺较复杂，需要专门的聚对二甲苯气相反应沉积装置，成本较高，可靠性上也存在一些问题。
综上所述，目前制造硅通孔内电介质层的方法，大多使用成本较高的PECVD法，使用硅的氧化物或氮化物作电介质层，应力难以得到释放，容易产生可靠性方面的问题。而在TSV孔壁沉积聚对二甲苯（Parylene）也存在工艺复杂、成本较高以及可靠性方面的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，使得在硅通孔壁上制作电介质层时可以降低制造成本，提高器件可靠性。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，包含以下步骤：
将苯并环丁烯（BCB）前体加入溶剂中，充分搅拌直至全部溶解，得到BCB树脂前体溶液，其中，所述BCB前体的浓度为1-30%；
将所述BCB前体溶液填充到所述硅通孔TSV内，得到孔内填充有BCB前体溶液或孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片；
将所述孔内填充有BCB前体溶液或孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片在常压或减压条件下除去溶剂，在所述硅通孔内侧壁上留下一层均匀的BCB前体；
将所述硅通孔内侧壁上的BCB前体固化形成所述BCB树脂电介质层。
本发明实施方式相对于现有技术而言，使用BCB树脂作为硅通孔电介质层，利用了BCB树脂良好的加工性能，进行通孔填充的设备、工艺简便，与前后道工艺兼容，降低了制造成本。此外，由于BCB树脂还具有优良的热、机械和介电性能，BCB树脂作为硅通孔内的电介质层，可以减小漏电流以及硅通孔结构中的应力，从而提高器件的可靠性。
另外，可以通过溶液浸渍法在硅通孔壁上制作BCB树脂介质层，具体步骤如下：
将有硅通孔的圆片或硅片浸没到所述BCB前体溶液中；
利用超声作用，或者在减压条件下，使通孔中充满BCB溶液，得到孔内填充有BCB前体溶液的TSV硅片，其中，所述超声时间为5-10分钟。
另外，可以通过减压旋涂法在硅通孔壁上制作BCB树脂介质层，包括旋涂方法以及形成硅片上下两侧压强差的方法，具体步骤如下：
将有硅通孔的圆片或硅片置于匀胶机上；
所述匀胶机低速旋转，其中，旋转速度为100至500转/分钟；
将所述BCB前体溶液滴加到所述圆片或硅片表面，在所述圆片或硅片的另一面减压，使所述BCB前体溶液均匀流过通孔，在硅通孔壁上形成一层均匀的BCB前体溶液，得到孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片。
采用溶液浸渍法或者减压旋涂法在硅通孔壁上制作BCB树脂介质层，具有设备、工艺简便，与前后道工艺兼容的特点，从而降低了制造成本。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法的流程图；
图2是环硅氧烷-苯并环丁烯（CYC-BCB）的结构式；
图3是酰亚胺-苯并环丁烯的结构式；
图4、图5和图6是根据本发明第一实施方式的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法中溶液浸渍法示意图；
图7是根据本发明第二实施方式的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法的流程图；
图8是是根据本发明第二实施方式的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法中减压旋涂法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，该方法使用BCB树脂作为硅通孔电介质层，利用了BCB树脂良好的加工性能，进行通孔的填充的设备、工艺简便，与前后道工艺兼容，降低了制造成本；此外，由于BCB树脂还具有优良的热、机械和介电性能，BCB树脂作为硅通孔内的电介质层，可以减小漏电流以及硅通孔结构中的应力，从而提高器件的可靠性。具体流程如图1所示，包含以下步骤：
步骤101，将苯并环丁烯BCB前体加入溶剂中，充分搅拌直至全部溶解，得到BCB树脂前体溶液，其中，BCB前体的浓度为1-30%；BCB前体可以为单体或者寡聚体，比如，环硅氧烷-苯并环丁烯（CYC-BCB）、或酰亚胺-苯并环丁烯，其结构式分别如图2和图3所示，其中，-R-为芳香族二元酸酐分子的二价连接基，可以是-O-、-CO-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-S-、-SO2-中的一种。
在本实施方式中，溶剂可以为丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等有机溶剂中的一种或其混合物。
在步骤102至103中，采用溶液浸渍法将BCB前体溶液填充到硅通孔TSV内，得到孔内填充有BCB前体溶液的TSV硅片，如图4至图5所示。在本实施方式中，硅通孔的直径为20-200微米，深宽比为2：1至10：1。
具体地说，步骤102，将有硅通孔的圆片或硅片浸没到BCB前体溶液中，如图4所示，401为硅晶片，402为硅通孔，403为BCB溶液。
步骤103，利用超声作用，或者在减压条件下，使通孔中充满BCB溶液，得到孔内填充有BCB前体溶液的TSV硅片，如图5所示，其中，超声时间为5-10分钟。
步骤104，将孔内填充有BCB前体溶液的TSV硅片在常压或减压条件下除去溶剂，在硅通孔内侧壁上留下一层均匀的BCB前体。在本实施方式中，可使BCB前体溶液中的溶剂在室温至100℃环境下挥发，其中，挥发时间为10至60分钟。
步骤105，将硅通孔内侧壁上的BCB前体固化形成BCB树脂电介质层，如图6所示。BCB树脂固化过程可在惰性气氛、空气或真空下进行，固化温度180至300℃，固化时间为10至180分钟。
苯并环丁烯（BCB）树脂作为新一代高性能聚合物介质层材料，已被广泛应用于多芯片组件(Multi-ChipModule，简称“MCM”)、圆片级封装（WaferLevelPackage，简称“WLP”）等产品中。在本实施方式中，BCB树脂作为TSV介质层材料，可以充分利用其介电常数低、高频介电损耗小、吸水率低、工艺温度低、收缩率小、与各种金属化层的兼容性好的优点，改善TSV互连器件的性能，提高可靠性。此外，以BCB前体溶液在TSV中形成BCB介质层的方法工艺简单，设备要求低，可以大大降低生产成本。
本发明的第二实施方式涉及一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，采用溶液浸渍法，将BCB前体溶液填充到硅通孔TSV内，得到孔内填充有BCB前体溶液的TSV硅片。而在本发明第二实施方式中，采用减压旋涂法在硅通孔壁上制作BCB树脂介质层，包括旋涂方法以及形成硅片上下两侧压强差的方法，得到孔壁上附有BCB前体溶液的TSV硅片。其流程如图7所示，具体步骤如下：
步骤701，制备BCB前体溶液，与步骤101类似，在此不再赘述。
在步骤702至704中，采用减压旋涂法将BCB前体溶液填充到硅通孔TSV内，得到孔壁上附有BCB前体溶液的TSV硅片，如图8所示，801是硅晶片，802是硅通孔，803是BCB前体溶液，804是BCB薄膜。
步骤702，将有硅通孔的圆片或硅片置于匀胶机上；
步骤703，匀胶机低速旋转，其中，旋转速度为100至500转/分钟；
步骤704，将BCB前体溶液滴加到圆片或硅片表面，在圆片或硅片的另一面减压（即形成图8中所示的抽气效果），使BCB前体溶液均匀流过通孔，在硅通孔壁上形成一层均匀的BCB前体溶液，得到孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片。
在步骤705至706中，使硅通孔内壁上附有的BCB前体溶液中的溶剂挥发，并固化BCB前体形成BCB树脂电介质层，与步骤104至105类似，在此不再赘述。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，包含以下步骤：
将苯并环丁烯BCB前体加入溶剂中，充分搅拌直至全部溶解，得到BCB前体溶液，其中，所述BCB前体的浓度为1-30％；
采用溶液浸渍法或减压旋涂法将所述BCB前体溶液填充到所述硅通孔TSV内，得到孔内填充有BCB前体溶液或孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片；
将所述孔内填充有BCB前体溶液或孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片在常压或减压条件下除去溶剂，在所述硅通孔内侧壁上留下一层均匀的BCB前体；
将所述硅通孔内侧壁上的BCB前体固化形成所述BCB树脂电介质层；
其中：
所述溶液浸渍法包含以下子步骤：将有硅通孔的圆片或硅片浸没到所述BCB前体溶液中；利用超声作用，或者在减压条件下，使通孔中充满BCB溶液，得到孔内填充有BCB前体溶液的TSV硅片；
所述减压旋涂法包含以下子步骤：将有硅通孔的圆片或硅片置于匀胶机上；所述匀胶机低速旋转；将所述BCB前体溶液滴加到所述圆片或硅片表面，在所述圆片或硅片的另一面减压，使所述BCB前体溶液均匀流过通孔，在硅通孔壁上形成一层均匀的BCB前体溶液，得到孔壁上均匀附着BCB前体溶液的TSV硅片。
2.根据权利要求1所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，在所述将所述BCB前体溶液填充到所述硅通孔TSV内的步骤中，所述超声时间为5-10分钟。
3.根据权利要求1所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，在所述将所述BCB前体溶液填充到所述硅通孔TSV内的步骤中，所述匀胶机的旋转速度为100至500转/分钟。
4.根据权利要求1至3任一项所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，所述苯并环丁烯前体是单体或者寡聚体。
5.根据权利要求1至3任一项所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，所述苯并环丁烯前体是环硅氧烷-苯并环丁烯CYC-BCB、或酰亚胺-苯并环丁烯。
6.根据权利要求1至3任一项所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，所述溶剂为丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或混合物。
7.根据权利要求1至3任一项所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，所述硅通孔的直径为20-200微米，深宽比为2：1至10：1。
8.根据权利要求1至3任一项所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，在将所述孔壁上附有BCB前体溶液的TSV硅片在常压或减压条件下除去溶剂时，使所述BCB前体溶液中的溶剂在室温至100℃环境下挥发，其中，挥发时间为10至60分钟。
9.根据权利要求1至3任一项所述的硅通孔壁上制作苯并环丁烯树脂电介质层的方法，其特征在于，在将所述硅通孔内侧壁上的BCB前体固化形成BCB树脂电介质层时，所述BCB树脂固化过程在惰性气氛、空气或真空下进行，固化温度180至300℃，固化时间为10至180分钟。
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