CN111689460B - 一种微系统模组中硅空腔下tsv地互联孔结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法，具体包括如下步骤：101)初步刻蚀步骤、102)刻蚀深硅空腔步骤、103)加深刻蚀步骤、104)成型步骤；本发明提供了可以有力的提高结构精度，提高生产效率，减小工艺难度的一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法。

Description

一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，特别是一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法。
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，再通过硅通孔来实现高密度集成的集成方法。但由于集成密度较高而导致的产热密度较高的问题，现有结构常常在微系统中引入微流道结构，也就是在内埋芯片的深硅通孔底部刻蚀与芯片底部相连的TSV接地金属地孔，之后通过接地TSV与微流道中的液体进行热交换达到大功率散热的目的。
但是在深硅空腔中刻蚀TSV并填充金属的结构对于半导体后道工艺加工而言是十分具有挑战性的。若先从晶圆背部刻蚀TSV并填充，之后再从晶圆正面刻蚀深硅空腔的话，将会出现由于TSV刻蚀有5％的深度差异而导致刻蚀硅空腔时有些TSV金属已经过暴露而有些TSV金属还未露头。若先刻蚀深硅通孔，再临时键合之后，从晶圆背部刻蚀TSV的话，将会出现大开口空腔不利于临时键合、临时键合晶圆难以承受TSV的400度高温退火，背部TSV通孔难以实现金属填充的问题。现有的最好的得到这种接地散热结构的方法是在一片与深硅空腔深度相同的晶圆上刻蚀深硅空腔，再在另一片晶圆上刻蚀并填充TSV，之后通过晶圆级键合形成深硅空腔下TSV结构。这种方法虽然能得到深硅空腔下TSV的结构但晶圆级键合工艺大大的增加了整个工艺的成本与工艺难度；而且晶圆级键合两片各自带有结构的晶圆容易破坏两片晶圆的结构不利于结构精度要求；再者加工两种结构不同的晶圆会降低生产效率。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了可以有力的提高结构精度，提高生产效率的一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法，具体包括如下步骤：
101)初步刻蚀步骤：在SOI晶圆上表面涂光刻胶，通过曝光显影技术在光刻胶上形成相应图形，SOI晶圆的厚度分布满足绝缘层上的硅基厚度等于最终的硅空腔的深度；通过刻蚀加深相应图形的深度，形成地孔TSV，并在刻蚀之后去除光刻胶；加深刻蚀后的地孔TSV深度范围为1微米到100微米之间，
102)刻蚀深硅空腔步骤：在步骤101)处理后的晶圆上涂布硅空腔的图形化掩模层；通过刻蚀形成初步硅空腔，并加深刻蚀之前所形成的地孔TSV，加深刻蚀到地孔TSV的底部碰到SOI晶圆中的绝缘层时为止；
103)加深刻蚀步骤：通过第一次更换刻蚀反应物将地孔TSV的绝缘层打开，再进行第二次更换刻蚀反应物，并加深硅空腔和地孔TSV的底部，直到硅空腔底部碰到SOI晶圆中的绝缘层，形成最终刻蚀结构；去除晶圆表面的图形化掩模层；
104)成型步骤：对SOI晶圆上表面覆盖绝缘层，再通过PVD的方式在绝缘层上形成一层整面的种子层，采用电镀的方式对SOI晶圆上表面进行电镀，并采用CMP工艺将SOI晶圆表面多余的电镀金属、种子层、绝缘层进行平坦化去除。
进一步的，步骤101)中涂布的光刻胶的厚度为5微米到10微米，硅空腔的深度为100微米到200微米；光刻胶为正胶或负胶；涂布光刻胶的方式采用旋涂法或干膜直接粘贴。
进一步的，地孔TSV的刻蚀深度为最终地孔深度减去SOI晶圆中绝缘层的深度。
进一步的，去胶方式采用槽式去胶或干法去胶。
进一步的，图形化掩模层采用涂覆液体光刻胶之后，通过曝光显影的方式获得；或者采用贴附干膜光刻胶之后，通过曝光显影的方式获得；或者采用二氧化硅或者氮化硅硬质掩模板的hard-mask方式获得。
进一步的，覆盖绝缘层采用热氧化工艺或化学气相沉积工艺，覆盖绝缘层的厚度范围为1微米到10微米；种子层的整体厚度范围为0.1到10微米，种子层包含钛金属层、铜金属层、钨金属层中的一种或多种的组合。
本发明相比现有技术优点在于：
本发明通过SOI晶圆中的绝缘层作为刻蚀反应停止层与刻蚀结构保护层实现深硅空腔与TSV结构的同时刻蚀，可有力的提高结构精度，提高生产效率。同时对深硅空腔与TSV进行绝缘层沉积，种子层沉积与金属电镀，可避免复合工艺中繁琐的工艺流程的加减从而提高加工精度减小工艺难度。
附图说明
图1为本发明的SOI晶圆的结构图；
图2为本发明的图1上设置光刻胶的结构图；
图3为本发明的图2设置地孔TSV的结构图；
图4为本发明的图3设置图形化掩模层的结构图；
图5为本发明的图4上设置初步硅空腔的结构图；
图6为本发明的图5上加深刻蚀打开绝缘层的结构图；
图7为本发明的图6上最后加深刻蚀的结构图；
图8为本发明的图7设置新绝缘层的结构图；
图9为本发明的图8设置种子层的结构图；
图10为本发明的图9设置电镀金属的结构图；
图11为本发明的结构图。
图中标识：绝缘层101、光刻胶102、地孔TSV103、图形化掩模层104、地孔105、初步硅空腔106、新绝缘层108、种子层109、电镀金属110。
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1至图9所示，一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法，具体包括如下步骤：
101)初步刻蚀步骤：在SOI晶圆上表面涂光刻胶102，光刻胶102的厚度为5微米到10微米。通过曝光显影技术在光刻胶102上形成相应图形，SOI晶圆的厚度分布满足绝缘层101上的硅基厚度等于最终的硅空腔的深度，最终硅空腔的深度范围为100微米到200微米之间。SOI晶圆中的绝缘层101可以为二氧化硅也可以为氮化硅等绝缘材料；光刻胶102可为正胶也可为负胶；涂胶方式可以为旋涂法也可以用干膜直接粘贴。
通过刻蚀加深相应图形的深度，形成地孔TSV103，并在刻蚀之后去除光刻胶102。其中，地孔TSV103的刻蚀深度为最终地孔105的深度减去SOI中绝缘层101的深度，加深刻蚀后的地孔TSV103深度范围为1微米到100微米之间。此处可以有更好的地孔105TSV103刻蚀深度来满足最终结构的进度要求；此处刻蚀方法可为干法刻蚀也可为湿法刻蚀；此处的去除光刻胶102方式可为槽式去胶也可为干法去胶。
102)刻蚀深硅空腔步骤：在步骤101)处理后的晶圆上涂布硅空腔的图形化掩模层104。图形化掩模层104采用涂覆液体光刻胶102之后，通过曝光显影的方式获得；或者采用贴附干膜光刻胶102之后，通过曝光显影的方式获得；或者采用二氧化硅或者氮化硅硬质掩模板的hard-mask方式获得。
通过刻蚀形成初步硅空腔106，并加深刻蚀之前所形成的地孔TSV103，加深刻蚀到地孔TSV103的底部碰到SOI晶圆中的绝缘层101时为止；刻蚀方法可为湿法刻蚀也可以为干法刻蚀；刻蚀反应物可以任意选择以调整刻蚀选择比从而达到良好的刻蚀效果即可。
103)加深刻蚀步骤：通过第一次更换刻蚀反应物将地孔TSV103的绝缘层101打开，此处刻蚀方法可为湿法刻蚀也可以为干法刻蚀；所用到的刻蚀反应物可以任意选择以调整刻蚀选择比从而达到良好的刻蚀效果即可。
再进行第二次更换刻蚀反应物，并加深硅空腔和地孔TSV103的底部，直到硅空腔底部碰到SOI晶圆中的绝缘层101，形成最终刻蚀结构；去除晶圆表面的图形化掩模层104；刻蚀方法可为湿法刻蚀也可以为干法刻蚀；所用到的刻蚀反应物可以任意选择以调整刻蚀选择比从而达到良好的刻蚀效果；此处的去胶方式可为槽式去胶也可为干法去胶。
104)成型步骤：对SOI晶圆上表面覆盖新绝缘层108，覆盖新绝缘层108采用热氧化工艺或化学气相沉积工艺，新绝缘层108厚度范围为1微米到10微米之间。再通过PVD的方式在新绝缘层108上形成一层整面的种子层109，种子层109的整体厚度范围为0.1到10微米。此处的种子层109可包含钛金属层，铜金属层，钨金属层中的一种或多种组合。
采用电镀的方式对SOI晶圆上表面进行电镀形成电镀金属110，并采用CMP(化学机械抛光工艺)工艺将SOI晶圆表面多余的电镀金属110、种子层109、绝缘层101进行平坦化去除。此电镀过程中所用到的电镀液中的各种添加剂(包括抑制剂、整平剂、增速剂等)的比例可任意调整已达到最好的结构精度要求即可。CMP去除停止的具体位置可任意调整以适应具体的整体结构要求即可。
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 (1)

1.一种微系统模组中硅空腔下TSV地互联孔结构的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
101)初步刻蚀步骤：在SOI晶圆上表面涂光刻胶，通过曝光显影技术在光刻胶上形成相应图形，SOI晶圆的厚度分布满足绝缘层上的硅基厚度等于最终的硅空腔的深度；通过刻蚀加深相应图形的深度，形成地孔TSV，并在刻蚀之后去除光刻胶；加深刻蚀后的地孔TSV深度范围为1微米到100微米之间，
102)刻蚀深硅空腔步骤：在步骤101)处理后的晶圆上涂布硅空腔的图形化掩模层；通过刻蚀形成初步硅空腔，并加深刻蚀之前所形成的地孔TSV，加深刻蚀到地孔TSV的底部碰到SOI晶圆中的绝缘层时为止；
103)加深刻蚀步骤：通过第一次更换刻蚀反应物将地孔TSV的绝缘层打开，再进行第二次更换刻蚀反应物，并加深硅空腔和地孔TSV的底部，直到硅空腔底部碰到SOI晶圆中的绝缘层，形成最终刻蚀结构；去除晶圆表面的图形化掩模层；
104)成型步骤：对SOI晶圆上表面覆盖绝缘层，再通过PVD的方式在绝缘层上形成一层整面的种子层，采用电镀的方式对SOI晶圆上表面进行电镀，并采用CMP工艺将SOI晶圆表面多余的电镀金属、种子层、绝缘层进行平坦化去除；
其中，步骤101)中涂布的光刻胶的厚度为5微米到10微米，硅空腔的深度为100微米到200微米；光刻胶为正胶或负胶；涂布光刻胶的方式采用旋涂法或干膜直接粘贴；
地孔TSV的刻蚀深度为最终地孔深度减去SOI晶圆中绝缘层的深度；
去胶方式采用槽式去胶或干法去胶；
图形化掩模层采用涂覆液体光刻胶之后，通过曝光显影的方式获得；或者采用贴附干膜光刻胶之后，通过曝光显影的方式获得；或者采用二氧化硅或者氮化硅硬质掩模板的hard-mask方式获得；
覆盖绝缘层采用热氧化工艺或化学气相沉积工艺，覆盖绝缘层的厚度范围为1微米到10微米；种子层的整体厚度范围为0.1到10微米，种子层包含钛金属层、铜金属层、钨金属层中的一种或多种的组合。
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