CN111682013A - 一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构及其制作方法，硅晶圆上包括TSV孔结构，TSV孔结构的内壁上设置种子层，且完全覆盖TSV孔结构的内壁；绝缘层设置在种子层上，且绝缘层完全覆盖种子层；TSV孔结构的内部填满玻璃介质，玻璃介质内设置通孔，通孔内设置信号线；本发明提供了避免环状孔的刻蚀与填充，从而大大减少缺陷与失效的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构及其制作方法。

Description

一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构及其 制作方法

技术领域

本发明专利涉及半导体封装技术领域，更具体的说，它涉及一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构及其制作方法。

背景技术

随着硅基微机电(MEMS)和射频硅通孔(RF TSV)工艺技术的发展，三维异构集成微系统技术成为下一代军用高集成电子系统技术发展重要方向。三维异构集成是将不同尺寸质地的芯片埋入硅基衬底上的硅空腔通过后布线技术扇出，再通过垂直互联来实现高密度集成的集成方法。

对于射频微系统的垂直互联而言，由于信号频率过高故一定要使用传输线结构而不能直接使用简单的导线连接来实现互联。而为保证信号在结构模块之间的互联传输顺畅无反射必须将各个传输结构与功能模块的阻抗都匹配到一个统一值(通常为50欧姆或70欧姆)。现有传输线结构分为两种：TEM结构(如同轴结构)和类TEM结构(如类同轴结构，微带线，带状线结构)。由于在TEM结构中信号走线周围全部为接地结构而类TEM结构中信号走线周围只有部分区域有接地结构，故TEM结构传输线的传输性能比类TEM结构好。

在硅基射频微系统中，垂直传输结构存在以下两个问题：第一：最重要的垂直互联传输结构依然是类同轴结构(类TEM)而不是同轴结构(TEM)而造成传输损耗较大。无法制造同轴结构的原因是类同轴结构(如图1所示)的制造只需要在硅上刻蚀并金属化一组TSV，而同轴结构则需要同时刻蚀并填充一个TSV与一个环状孔结构(如图2所示)，由于环状结构内壁与外壁处的界面应力不同而造成刻蚀与金属化填充时极易引起大的缺陷从而导致结构功能失效。第二：由于硅基的相对介电常数较大(为11.2)故在制作50欧姆(或者70欧姆)的传输结构时将会引起垂直互联结构在X-Y方向占地面积较大不利于高密度集成，目前没有制作在硅基上的同轴结构。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了避免环状孔的刻蚀与填充，从而大大减少缺陷与失效的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构及其制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构，硅晶圆上包括TSV 孔结构，TSV孔结构的内壁上设置种子层，且完全覆盖TSV孔结构的内壁；绝缘层设置在种子层上，且绝缘层完全覆盖种子层；TSV孔结构的内部填满玻璃介质，玻璃介质内设置通孔，通孔内设置信号线。

进一步的，绝缘层采用二氧化硅或氮化硅；种子层采用铜或钛；玻璃介质采用硼硅玻璃、有机玻璃、铅玻璃或钠玻璃。

一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，具体包括如下步骤：

101)刻蚀TSV孔结构步骤：硅晶圆上通过光刻工艺图形化TSV孔结构，并通过刻蚀形成TSV孔结构，TSV孔结构的外径范围为5um到10mm之间；

102)电镀金属边框步骤：在刻蚀好TSV结构的硅晶圆上表面沉积种子层，种子层上沉积绝缘层；通过电镀工艺在此硅晶圆的上表面电镀一层金属，形成金属接地屏蔽层；

103)加入介电材料步骤：通过回流工艺将玻璃介质回流入步骤102)处理后的硅晶圆的TSV孔结构中，再通过CMP工艺将溢出TSV孔结构的玻璃介质去除；

104)刻蚀通孔步骤：通过光刻工艺在步骤103)处理后的硅晶圆的TSV孔结构上形成TGV光刻图形，并通过刻蚀得到同轴结构内部的放置信号走针的 TGV；

105)填充通孔步骤：对步骤104)的TGV进行电镀，将TGV填满并完全金属化，使金属化的结构与TSV孔结构形成同轴结构再进行退火处理形成完整的信号线；进行化学机械抛光去除溢出在外的信号线，减薄硅晶圆的另一面，使信号线露头，得到最终的同轴结构。

进一步的，步骤101)、104)的光刻工艺使用的光刻胶可为旋涂的液态胶、干膜或掩模；此处刻蚀TSV孔结构的刻蚀方法采用湿法刻蚀或干法刻蚀。

进一步的，步骤102)绝缘层采用二氧化硅或氮化硅，种子层采用铜或钛，金属采用铜；沉积方式采用化学气相沉积、物理气相沉积或蒸镀；绝缘层的厚度为1um到50um之间，种子层厚度为0.2um到2um之间，金属接地屏蔽层厚度为 1um到50um之间。

进一步的，步骤103)的玻璃介质采用硼硅玻璃、有机玻璃、铅玻璃或钠玻璃；回流所用的玻璃介质状态为固态块体材料、颗粒状材料或纳米级的材料。

进一步的，步骤103)通过回流工艺将玻璃介质从硅晶圆的TSV孔结构的上表面回流，再通过CMP工艺将上表面多余玻璃介质去除；

填充玻璃介质的硅晶圆的TSV孔结构的上表面，沉积种子层，再在此种子层上表面电镀铜，接着在此表面进行临时键合；

对硅晶圆的下表面进行减薄露出TSV孔结构的底部，通过回流工艺将玻璃介质从硅晶圆的背面回流，再通过CMP工艺将硅晶圆下表面多余玻璃介质去除。

本发明相比现有技术优点在于：

本发明通过回流或其他工艺技术将低介电常数材料压入硅基中改变了基体的介电常数从而减小集成面积提高集成度，且可用于硅晶圆上。通过先“刻蚀TSV-电镀金属边框-加入低介电常数材料-在低介电常数材料上刻蚀通孔-填充通孔”的工艺流程来制作微系统中垂直互联的同轴结构，避免了环状孔的刻蚀与填充，从而大大减少其缺陷与失效。

附图说明

图1为传统的类同轴结构示意图；

图2为传统的同轴结构示意图；

图3为本发明在硅晶圆上光刻工艺图形化同轴结构的示意图；

图4为本发明的图3上沉积绝缘层、种子层后的示意图；

图5为本发明的图4上电镀金属后的示意图；

图6为本发明的图5回流玻璃介质的示意图；

图7为本发明的图6上设置通孔的示意图；

图8为本发明的图7设置信号线的示意图；

图9为本发明的图8去除多余材料的示意图；

图10为本发明的示意图；

图11为本发明的图5去除部分绝缘层、种子层的示意图；

图12为本发明的图11的正回流玻璃介质的示意图；

图13为本发明的图12键合临时载板前的示意图；

图14为本发明的图13键合载板的示意图；

图15为本发明的图14减薄下表面的示意图；

图16为本发明的图15下表面回流玻璃介质的示意图；

图17为本发明的图16去除多余玻璃介质的示意图；

图18为本发明的图17设置通孔的结构示意图；

图19为本发明的图18设置信号线的结构示意图。

图中标识：TSV孔结构101、绝缘层102、种子层103、屏蔽层105、玻璃介质106、通孔107、信号线108、电镀铜207。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图10所示，一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构，硅晶圆上包括TSV孔结构，TSV孔结构的内壁上设置种子层，且完全覆盖TSV孔结构的内壁；绝缘层设置在种子层上，且绝缘层完全覆盖种子层；TSV孔结构的内部填满玻璃介质，玻璃介质内设置通孔，通孔内设置信号线。绝缘层采用二氧化硅或氮化硅；种子层采用铜或钛；玻璃介质采用硼硅玻璃、有机玻璃、铅玻璃或钠玻璃。

实施例1：

如图3至图10所示，一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，具体包括如下步骤：

101)刻蚀TSV孔结构步骤：硅晶圆上通过光刻工艺图形化TSV孔结构，并通过刻蚀形成TSV孔结构，TSV孔结构的外径范围为5um到10mm之间，此处 TSV孔结构的外径可任意调整以达到良好的性能要求即可。此处光刻工艺使用的光刻胶可为旋涂的液态胶也可为干膜或hardmask(即掩膜)；此处刻蚀TSV的刻蚀方法可采用湿法刻蚀也可采用干法刻蚀。

102)电镀金属边框步骤：在刻蚀好TSV结构的硅晶圆上表面沉积种子层，种子层上沉积绝缘层；通过电镀工艺在此硅晶圆的上表面电镀一层金属，形成金属接地屏蔽层。此处绝缘层可为二氧化硅也可为氮化硅；种子层可为铜，钛等；沉积方式可为化学气相沉积可为物理气相沉积或是蒸镀等；此处绝缘层的厚度为 1um到50um种子层厚度为0.2um到2um；电镀铜厚度为1um到50um。

103)加入介电材料步骤：通过回流工艺将玻璃介质回流入步骤102)处理后的硅晶圆的TSV孔结构中，再通过CMP工艺将溢出TSV孔结构的玻璃介质去除。此处的玻璃介质可为硼硅玻璃，有机玻璃，铅玻璃，钠玻璃等；回流所用的玻璃状态可为固态块体材料、可为颗粒状材料也可为纳米级的材料；自然此处所用的介质材料可任意变化以达到工艺适应和良好的性能要求即可。

104)刻蚀通孔步骤：通过光刻工艺在步骤103)处理后的硅晶圆的TSV孔结构上形成TGV光刻图形，并通过刻蚀得到同轴结构内部的放置信号走针的 TGV。刻蚀反应停止在TSV孔结构的底部的金属处，且此处光刻图形化所用的材料可以是旋涂的液态胶也可为干膜或hardmask；此处刻蚀TGV的刻蚀方法可采用湿法刻蚀也可采用干法刻蚀。

105)填充通孔步骤：对步骤104)的TGV进行电镀，将TGV填满并完全金属化，使金属化的结构与TSV孔结构形成同轴结构再进行退火处理形成完整的信号线；此处所用的电镀的溶液成分以及退火处理时所采用的温度设置可任意变化以达到工艺适应和良好的性能要求即可。进行化学机械抛光去除溢出在外的信号线，减薄硅晶圆的另一面，使信号线露头，得到最终的同轴结构。此处所用的减薄硅晶圆的露头工艺可以包括研磨、CMP、绝缘层沉积、湿法刻蚀中的一个或者几个的不同顺序的组合。

实施例2：

如图3至图5、图10至图19所示，一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，具体包括如下步骤：

101)刻蚀TSV孔结构步骤：硅晶圆上通过光刻工艺图形化TSV孔结构，并通过刻蚀形成TSV孔结构，TSV孔结构的外径范围为5um到10mm之间，此处 TSV孔结构的外径可任意调整以达到良好的性能要求即可。此处光刻工艺使用的光刻胶可为旋涂的液态胶也可为干膜或hardmask(即掩膜)；此处刻蚀TSV的刻蚀方法可采用湿法刻蚀也可采用干法刻蚀。

102)电镀金属边框步骤：在刻蚀好TSV结构的硅晶圆上表面沉积种子层，种子层上沉积绝缘层；通过电镀工艺在此硅晶圆的上表面电镀一层金属，形成金属接地屏蔽层，再通过CMP工艺去除硅晶圆上表面TSV孔结构外的绝缘层和屏蔽层。此处绝缘层可为二氧化硅也可为氮化硅；种子层可为铜，钛等；沉积方式可为化学气相沉积可为物理气相沉积或是蒸镀等；此处绝缘层的厚度为1um到 50um种子层厚度为0.2um到2um；电镀铜厚度为1um到50um。

103)加入介电材料步骤：通过回流工艺将玻璃介质从硅晶圆的TSV孔结构的上表面回流，填充部分TSV孔结构，再通过CMP工艺将上表面多余玻璃介质去除；此处的玻璃介质可为硼硅玻璃，有机玻璃，铅玻璃，钠玻璃等；回流所用的玻璃状态可为固态块体材料、可为颗粒状材料也可为纳米级的材料；本领域技术人员可以理解到此处所用的介质材料可任意变化以达到工艺适应和良好的性能要求即可。

填充玻璃介质的硅晶圆的TSV孔结构的上表面，沉积种子层，再在此种子层上表面电镀铜，接着在此表面进行临时载板的键合；此处种子层可为铜，钛等；沉积方式可为化学气相沉积可为物理气相沉积或是蒸镀等；种子层厚度为0.2um 到2um；电镀铜厚度为1um到50um。

对硅晶圆的下表面进行减薄露出TSV孔结构的底部，通过回流工艺将玻璃介质从硅晶圆的背面回流，再通过CMP工艺将硅晶圆下表面多余玻璃介质去除。此处的玻璃介质可为硼硅玻璃，有机玻璃，铅玻璃，钠玻璃等，本领域技术人员可以理解到此处所用的介质材料可任意变化以达到工艺适应和良好的性能要求即可。

104)刻蚀通孔步骤：通过光刻工艺在步骤103)处理后的硅晶圆的TSV孔结构上形成TGV光刻图形，并通过刻蚀得到同轴结构内部的放置信号走针的 TGV。刻蚀反应停止在TSV孔结构的底部的金属处，且此处光刻图形化所用的材料可以是旋涂的液态胶也可为干膜或hardmask；此处刻蚀TGV的刻蚀方法可采用湿法刻蚀也可采用干法刻蚀。

105)填充通孔步骤：对步骤104)的TGV进行电镀，将TGV填满并完全金属化，使金属化的结构与TSV孔结构形成同轴结构再进行退火处理形成完整的信号线；此处所用的电镀的溶液成分以及退火处理时所采用的温度设置可任意变化以达到工艺适应和良好的性能要求即可。进行化学机械抛光去除溢出在外的信号线，减薄硅晶圆的另一面(即为临时载板的去除并减薄)，使信号线露头，得到最终的同轴结构。此处所用的减薄硅晶圆的露头工艺可以包括研磨、CMP、绝缘层沉积、湿法刻蚀中的一个或者几个的不同顺序的组合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构，其特征在于，硅晶圆上包括TSV孔结构，TSV孔结构的内壁上设置种子层，且完全覆盖TSV孔结构的内壁；绝缘层设置在种子层上，且绝缘层完全覆盖种子层；TSV孔结构的内部填满玻璃介质，玻璃介质内设置通孔，通孔内设置信号线。

2.根据权利要求书1所述的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构，其特征在于：绝缘层采用二氧化硅或氮化硅；种子层采用铜或钛；玻璃介质采用硼硅玻璃、有机玻璃、铅玻璃或钠玻璃。

3.一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

101)刻蚀TSV孔结构步骤：硅晶圆上通过光刻工艺图形化TSV孔结构，并通过刻蚀形成TSV孔结构，TSV孔结构的外径范围为5um到10mm之间；

102)电镀金属边框步骤：在刻蚀好TSV结构的硅晶圆上表面沉积种子层，种子层上沉积绝缘层；通过电镀工艺在此硅晶圆的上表面电镀一层金属，形成金属接地屏蔽层；

103)加入介电材料步骤：通过回流工艺将玻璃介质回流入步骤102)处理后的硅晶圆的TSV孔结构中，再通过CMP工艺将溢出TSV孔结构的玻璃介质去除；

104)刻蚀通孔步骤：通过光刻工艺在步骤103)处理后的硅晶圆的TSV孔结构上形成TGV光刻图形，并通过刻蚀得到同轴结构内部的放置信号走针的TGV；

105)填充通孔步骤：对步骤104)的TGV进行电镀，将TGV填满并完全金属化，使金属化的结构与TSV孔结构形成同轴结构再进行退火处理形成完整的信号线；进行化学机械抛光去除溢出在外的信号线，减薄硅晶圆的另一面，使信号线露头，得到最终的同轴结构。

4.根据权利要求书3所述的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，其特征在于：步骤101)、104)的光刻工艺使用的光刻胶可为旋涂的液态胶、干膜或掩模；此处刻蚀TSV孔结构的刻蚀方法采用湿法刻蚀或干法刻蚀。

5.根据权利要求书3所述的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，其特征在于：步骤102)绝缘层采用二氧化硅或氮化硅，种子层采用铜或钛，金属采用铜；沉积方式采用化学气相沉积、物理气相沉积或蒸镀；绝缘层的厚度为1um到50um之间，种子层厚度为0.2um到2um之间，金属接地屏蔽层厚度为1um到50um之间。

6.根据权利要求书3所述的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，其特征在于：步骤103)的玻璃介质采用硼硅玻璃、有机玻璃、铅玻璃或钠玻璃；回流所用的玻璃介质状态为固态块体材料、颗粒状材料或纳米级的材料。

7.根据权利要求书3所述的一种用于射频微系统垂直互联的混合基通孔微同轴结构的制作方法，其特征在于：步骤103)通过回流工艺将玻璃介质从硅晶圆的TSV孔结构的上表面回流，再通过CMP工艺将上表面多余玻璃介质去除；

填充玻璃介质的硅晶圆的TSV孔结构的上表面，沉积种子层，再在此种子层上表面电镀铜，接着在此表面进行临时键合；

对硅晶圆的下表面进行减薄露出TSV孔结构的底部，通过回流工艺将玻璃介质从硅晶圆的背面回流，再通过CMP工艺将硅晶圆下表面多余玻璃介质去除。

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