CN103367285B - 一种通孔结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种2.5D或3D封装中用于interposer转接板的TSV制作方法。该方法的特征在于，TSV结构是通过双面刻蚀和双面填充而形成。本发明中揭示的方法可用于形成高深宽比或超高深宽比的TSV结构。从而解决高深宽比或超高深宽比TSV结构在形成工艺、设备、成品率以及可靠性方面的种种限制。相应的，本发明还提供了一种TSV通孔结构。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装技术、3D IC技术，特别涉及一种用于interposer转接板技术中TSV结构的制作方法。
技术背景
3D-TSV集成技术是微电子核心技术之一，3D-TSV互连提供了超越“摩尔”的方法，是目前最先进，最复杂的封装技术；可以获得更好的电性能，低功耗，噪声，更小的封装尺寸，低成本，和多功能化。3D-TSV技术将广泛地应用于微电子领域，尤其是智能手机等消费类电子产品，包括智能手机、物联网器件、传感器，存储器，太阳能电池，LED，功率器件等高端产品。
目前，在己出现了许多新的3D封装技术中,TSV技术是3D领域多芯片叠层化集成和电互连的关键性技术,其优势有:互连长度可以缩短到与芯片厚度相等,使逻辑模块垂直堆叠代替了水平分布;显著的减小了延迟和电感效应,有利于提高数字信号传输速度和微波的传输;可以实现高密度、高深宽比的连接,从而能够实现复杂的多片全硅系统集成,密度比当前用于先进多片模块的物理封装高出许多倍，同时更加节能,预期TSV能把芯片的功耗降低大约40%。
TSV结构是通过深反应离子刻蚀技术在硅基底上形成盲孔，然后再制作绝缘层、溅射种子层、电镀填孔，背面减薄等半导体工艺完成TSV结构的制作。其形貌主要有直孔TSV和斜孔TSV两种。但是由于工艺的限制，目前一些工艺步骤只能完成深宽比小于10:1的TSV的加工，如CVD绝缘层、PVD种子层以及电镀填充等。如果制作深宽比大于10:1的TSV结构，那么从工艺上目前就难以实现了。这就需要我们重新设计TSV结构，以达到深宽比小于10:1的工艺限制。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种高深宽比或超高深宽比的TSV结构及其针对本发明专利的制作方法。旨在通过本发明提出的结构和制作方法可以实现超高深宽比TSV结构的制作，同时降低高深宽比TSV结构的加工难度。
具体的，本发明提供了一种高深宽比或超高深宽比的TSV结构，该结构包括：
基底（101），该基底具有一导电结构，且该导电结构上下贯通基底；
TSV孔(102)和TSV孔(103)组成的导电结构，该导电结构在径向可以具有不同尺寸也可以是相同尺寸；
TSV孔中绝缘材料（104）和TSV孔中绝缘材料（105）组成的侧壁绝缘层，该绝缘层介于基底与导电结构之间。
其中，基底材料可以是硅，有机物和玻璃等。
其中，该结构是用于interposer转接板。
其中，TSV结构是两次刻蚀形成。
其中，TSV结构是分别从上下两个面刻蚀形成，两次形成的TSV结构可以是相同尺寸，也可以是不同尺寸。
相应的，本发明还提供了一种TSV结构形成方法，该方法包括以下步骤：
a)在基底（101）上制作大（小）尺寸TSV盲孔（102）；
b)制作TSV盲孔（102）的侧壁绝缘层（104）；
c)在TSV盲孔（102）中电镀填充导电材料（108）；
d)基底背面减薄，并制作小（大）尺寸TSV孔（103），其深度直到正面TSV孔绝缘104层为止；
e)制作背面TSV孔（103）的侧壁绝缘层（105）；
f)通过刻蚀TSV底部绝缘材料（104）和TSV底部绝缘材料（105）暴露出TSV底部导电材料（108）；
g)电镀填充导电材料（109），形成基底上下贯通的导电结构。
其中，正面和背面TSV工艺先后完成，即先完成正面TSV工艺再进行背面TSV工艺或先完成背面TSV工艺再进行正面TSV工艺。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征，目的和优点将会变得更加明显。
图1为根据本发明的实施例的三维封装结构制造方法的流程图；
图2在基底上制作的小尺寸TSV盲孔的剖面图；
图3制作TSV侧壁绝缘层和填充导电材料后基底的剖面图；
图4背面减薄后的基底剖面图；
图5制作背面大尺寸TSV盲孔后的基底剖面图；
图6制作背面TSV侧壁绝缘层后的基底剖面图；
图7暴露出TSV底部导电材料后的基底剖面图；
图8填充导电材料后的基底剖面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
根据本发明的一个方面，提供了一种高深宽比或超高深宽比的TSV制作方法。下面，将结合图2至图7通过本发明的一个实施例一对形成该结构的方法进行具体描述。如图1所示，本发明所提供的制造方法包括以下步骤：
在步骤S101中，在硅基底101上通过深反应离子刻蚀法形成TSV盲孔102，如图2所示，孔径20um,孔深100um。或采用其他方法刻蚀形成小尺寸TSV盲孔102，如等离子体刻蚀、离子束喷射、X射线和电子束照射等方法；
在步骤S102中，完成小尺寸TSV通孔102的制作。具体的，在TSV孔侧壁通过TEOS-CVD法制作一层厚度为1um的小尺寸TSV孔中绝缘材料104，然后在淀积的绝缘材料104上溅射形成Ti/Cu种子层，厚度分别为50nm和200nm。其中，绝缘材料104一般为二氧化硅，在其他实施例中，也可以为氮化物，聚合物或其他绝缘材料。最后，通过电镀铜填充小尺寸TSV孔中导电材料107，完成正面TSV前制程工艺。在其他实施例中，孔内导电材料也可以使用钨，焊料等其他金属材料；
在步骤S103中,对基底进行背面减薄，使基底厚度减薄到300um，如图4所示。具体的减薄过程是通过机械加工和化学反应的方法对基底进行一系列减薄、研磨、抛光工艺，使基底表面达到所需要的厚度、平整度以及粗糙度；
在步骤S104中,对基底101刻蚀以形成大尺寸TSV孔103。具体的，以基底正面TSV孔中心为中心，再次采用深反应离子刻蚀技术刻蚀基底101背面，形成孔径为40um，孔深为200um的大尺寸TSV孔103，如图5所示。刻蚀深度的要求是直到暴露出正面小尺寸TSV孔102底部的小尺寸TSV孔中绝缘材料104为止。在其他实施例中，所述可是方法可以包括离子体刻蚀、离子束喷射、X射线和电子束照射等方法等；
在步骤S105中,对背面的大尺寸TSV孔103侧壁进行绝缘层淀积，该绝缘层105的厚度为1um，如图6所示。具体淀积方法可以是TEOS-CVD、SOG-CVD或其他淀积方法。其中，所用绝缘层材料一般为二氧化硅。在其他实施例中，所用绝缘材料也可以是氮化物、聚合物等；
在步骤S106中,利用激光刻蚀大尺寸TSV孔103底部的SiO2层105，直到暴露出小尺寸TSV孔102内的金属铜，如图7所示。在刻蚀过程中，要求不破坏大尺寸TSV孔103侧壁的SiO2绝缘层结构105；
在步骤S107中，再次溅射Ti/Cu种子层，厚度分别为50nm和200nm，与大尺寸TSV孔103中的种子层厚度一致。然后电镀铜填充小尺寸TSV孔中导电材料108，完成背面TSV前制程工艺，从而形成完整的TSV互连结构。在其他实施例中，孔内导电材料也可以使用钨，焊料等其他金属材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用对衬底进行减薄，通过双面刻蚀、双面填充TSV孔的方法进行TSV孔的刻蚀，有效在现有工艺条件下实现了超高深宽比TSV结构的制作，同时降低了高深宽比TSV结构的工作难度。与此同时，具有工艺简单，可靠性高以及兼容半导体工艺的优点，有效解决了三维结构中TSV通孔的刻蚀问题。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种TSV通孔结构，该结构包括：
基底101，在本实施例中，所述衬底为硅衬底，如硅晶片。在其他实施例中，所述基底101可以是其他基本半导体、有机物或玻璃等。所述半导体材料可以是锗、Ⅲ-Ⅴ族材料化合物半导体以及其他半导体材料，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟。典型地，衬底100可以具有但不限于约几百微米的厚度，例如可以在400μm-800μm的厚度范围内。
小尺寸TSV孔102和大尺寸TSV孔103，其中两种TSV孔具有明显的尺寸上的差别，也可以具有相同的尺寸。
小尺寸TSV孔中绝缘材料104、大尺寸TSV孔中绝缘层105以及TSV孔底部绝缘层106，在本实施例中，所述绝缘层为二氧化硅。在其他实施例中，所述绝缘层还可以是其他有机或无机绝缘材料，如氮化硅、聚合物等。
小尺寸TSV孔中导电材料107、小尺寸TSV孔中导电材料108以及大尺寸TSV孔中导电材料109，在本实施例中，所述导电材料为铜。在其他实施例中，所述导电材料可以是其他金属材料，如焊料，钨等。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (5)
1.一种TSV结构形成方法，该方法包括以下步骤：
a)在基底(101)上制作大或小尺寸的第一TSV盲孔(102)；
b)制作第一TSV盲孔(102)的侧壁绝缘层(104)；
c)在第一TSV盲孔(102)中电镀填充导电材料(108)；
d)基底背面减薄，并制作小或大尺寸第二TSV孔(103)，其深度直到正面第一TSV孔绝缘(104)层为止；
e)制作背面第二TSV孔(103)的侧壁绝缘层(105)；
f)通过刻蚀第一TSV底部绝缘材料(104)和第二TSV底部绝缘材料(105)暴露出第一TSV底部导电材料(108)；
g)电镀填充导电材料(109)，形成基底上下贯通的导电结构。
2.根据权利要求1所述的TSV结构形成方法，其特征在于，基底材料是硅，有机物和玻璃。
3.根据权利要求1所述的TSV结构形成方法，其特征在于，该方法用于制作插入式转接板。
4.根据权利要求1所述的TSV结构形成方法，其特征在于，两次形成的TSV结构可以是相同尺寸，也可以是不同尺寸。
5.根据权利要求1所述TSV结构形成方法，其特征在于，形成第一TSV孔和第二TSV孔的工艺先后完成，即先完成第一TSV孔形成工艺再进行第二TSV孔形成工艺，或先完成第二TSV孔形成工艺再进行第一TSV孔形成工艺。
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