CN117612997A - Tsv转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，该方法包括：在制备TSV转接板过程中根据预设位置预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置；在制备完成的TSV转接板上预留的传感器布置位置制备传感器；沉积互联金属将传感器引出端与预留的与之互连的端口位置的金属再布线层互联。本发明利用半导体前道工艺在TSV转接板预设位置将温度、应变传感器内嵌集成，该集成TSV转接板结构除了提供电互联通道外，还具有测量温度、应变物理量的功能，使得基于该TSV转接板结构的集成封装结构在工作及外界环境载荷下可以直接测量其内部的温度、应变参数，为其可靠性评估优化提供有力的数据支撑和数据支撑。

Description

TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法。

背景技术

随着集成电路技术飞速发展，对小型化和高可靠性的集成封装的需求越来越高。利用先进硅基集成封装技术实现芯片集成小型化是必然趋势。TSV(Through Silicon Via)转接板技术通过在硅基板上制作出许多垂直互联通孔以及后续重布线来实现不同芯片之间的电互联，具有线宽线距小、互联密度高、集成度高等特点，可以有效降低集成封装尺寸。目前已成为最具竞争力的高密度集成封装技术之一。但随着基于TSV转接板集成封装结构的集成度不断提高，可靠性问题也凸显出来。首先是功耗密度逐渐随着集成度增加，这将导致TSV转接板上出现高温区域，进而造成集成在上面的芯片的性能下降。另外在经历外界高温、机械冲击、振动等环境载荷时，集成结构内部应力状态更为复杂，可能导致内部的微结构产生失效。针对以上情况，需要获取TSV转接板上关键区域的温度、应力参数，对封装结构进行健康状态监控。

由于基于TSV转接板的集成封装结构尺寸小，传统的温度及应变测量方法中接触式传感器尺寸太大，难以集成在器件内部，而非接触式测量采用光学手段只能测量到器件表面的物理量，故传统的温度及应变测量技术难以直接测量得到基于TSV转接板的集成封装结构内部的物理量。

发明内容

为了解决传统的温度及应变测量技术难以直接测量得到基于TSV转接板的集成封装结构内部物理量的问题，本发明提供了一种TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，本发明提出的集成方法采用半导体前道工艺在TSV转接板上将温度、应变传感器内嵌集成，TSV转接板除了提供电互联通道外，还具有测量温度、应变参数的功能，使得TSV转接板的集成封装结构工作时可实现集成封装结构内部温度、应变参数的在线监测，进而为该集成封装结构的健康状态进行评估提供可靠的数据支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，所述集成方法包括：

制备TSV转接板，同时在制备TSV转接板过程中根据预设位置预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置；

利用半导体前道工艺在制备完成的TSV转接板上预留的传感器布置位置制备温度传感器和应变传感器；

传感器制备完成后，在TSV转接板上沉积互联金属将传感器引出端与预留的与之互连的端口位置的金属再布线层互联。

随着先进硅基封装技术的发展，封装尺寸越来越小，基于TSV转接板的集成封装结构的尺寸最小可达毫米量级，传统的温度、应变传感器受到尺寸限制无法集成在TSV转接板上从而无法直接测量达到基于TSV转接板的集成封装结构内部的温度、应变物理量；而利用光学手段实现的非接触测量技术仅能测量得到封装结构表面的物理量，也无法测量得到集成封装结构内部的物理量，同时受到测试环境及尺寸限制，在一些工作及外界环境载荷下难以直接使用。本发明提出的集成方法利用半导体前道工艺在TSV转接板预设位置将温度、应变传感器内嵌集成，实现了一种含温度、应变传感的集成TSV转接板结构，该集成TSV转接板结构除了提供电互联通道外，还具有测量温度、应变物理量的功能，从而使得基于该集成TSV转接板结构的集成封装结构在工作及外界环境载荷下可以直接测量其内部的温度、应变参数，为其可靠性评估优化提供有力的数据支撑和数据支撑。

作为优选实施方式，本发明制备完成的TSV转接板包括硅基板；

所述硅基板正面至少有两层介质层和一层金属再布线层，所述硅基板背面至少有一层介质层和一层金属再布线层；且所述硅基板正面的金属再布线层通过TSV与背面的金属再布线层互联。

作为优选实施方式，本发明的硅基板正面由内至外依次有第一介质层、金属再布线层和第二介质层；

在制备TSV转接板过程中预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置，具体包括：

在所述硅基板正面的第一介质层上预设位置分别预留出制备温度传感器的第二介质层开口作为温度传感器布置位置以及制备应变传感器的第二介质层开口作为应变传感器布置位置；

在所述硅基板正面的金属再布线层上预留出与温度传感器互联的第二介质层开口作为与温度传感器互联的端口位置以及与应变传感器互联的第二介质层开口作为与应变传感器互联的端口位置。

作为优选实施方式，本发明的第一介质层采用无机材料；所述第二介质层采用光敏有机材料；所述金属再布线层采用铜或金。

作为优选实施方式，本发明的集成方法通过涂覆、曝光、显影工艺即可形成所述第二介质层开口。

作为优选实施方式，本发明的温度传感器和应变传感器均采用金属薄膜电阻式传感器，分别基于金属材料的温阻效应及金属材料变形导致电阻发生变化的原理实现参数测量。

作为优选实施方式，本发明的温度传感器采用的金属薄膜材料为铂、镍或铬；

所述应变传感器采用的金属薄膜材料为氮化钽。

作为优选实施方式，本发明的温度传感器和应变传感器通过沉积金属→光刻→刻蚀出传感器图形工艺过程制备而成；

或者，所述温度传感器和应变传感器通过光刻→沉积金属→剥离金属形成传感器图形工艺过程制备而成。

作为优选实施方式，本发明的互联金属的材料采用金、钛、铜。

另一方面，本发明还提出了一种TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成结构，所述集成结构包括：

硅基板，所述硅基板正面制备有至少两层介质层和一层金属再布线层，所述硅基板背面制备有至少一层介质层和一层金属再布线层；

温度传感器和应变传感器，所述温度传感器和应变传感器通过半导体前道工艺集成在所述硅基板正面的介质层上，所述温度传感器和应变传感器引出端分别通过互联金属与所述硅基板正面的金属再布线层互联，所述硅基板正面的金属再布线层通过TSV与背面的金属再布线层互联形成电信号通路。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提出的集成方法利用半导体前道工艺实现温度、应变传感器在TSV转接板内部集成，提高了TSV转接板的性能，使其不仅具有电气互联功能，同时还具有温度、应变测量功能，使得基于TSV转接板的集成封装结构在工作以及环境载荷下可直接实现其内部温度、应变在线测量，为该集成封装结构的可靠性分析优化提供了数据支撑和技术支撑；

2、此外，本发明提出的集成方法通过将温度、应变传感器集成在TSV转接板上，可实现最短距离测试集成芯片温度、应变的变化，提高了温度、应变测量的准确性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的集成方法流程图。

图2为本发明实施例制备的TSV转接板结构示例。

图3为本发明实施例的温度传感器制备完成后的结构示例。

图4为本发明实施例的应变传感器制备完成后的结构示例。

图5为本发明实施例的互联金属制备完成后的结构示例。

图6为本发明实施例的集成结构示意图。

附图标记及对应的零部件名称：

1-下表面金属再布线层，2-硅基板，3-第二介质层，4-温度传感器，5-互联金属，6-应变传感器，7-上表面金属再布线层，8-TSV，9-第一介质层，10-温度传感器布置位置，11-应变传感器布置位置，12-与温度传感器互联的端口位置，13-与应变传感器互联的端口位置。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

为了便于理解，对本申请所使用到的技术术语进行解释说明，具体如下。

TSV：Through Silicon Via，即穿过硅基板的垂直电互联。

TSV转接板：带有TSV结构的硅基转接板。一种先进三维集成技术，通过在硅基板上制作出许多垂直互联通孔以及后续重布线来实现不同芯片之间的电互联。

DIC：数字图像相关法，通过测量被测物的变形后相对位置，计算获得被测物的应变信息。

先进封装：指前沿的倒装芯片封装(FC，Flip chip)、晶圆级封装(WLP，Waferlevel packaging，包括晶圆级扇出、晶圆级扇入等)、系统级封装(SiP，System In aPackage)和2.5D/3D TSV封装等，作为提高连接密度、提高系统集成度与小型化的重要方法。

基于TSV转接板的集成封装结构：利用先进封装等工艺手段，将多颗芯片集成在TSV转接板上，实现多芯片间电气互联的一种集成封装结构。

半导体前道工艺：主要包括光刻、沉淀、刻蚀、剥离等工艺，是为了在硅基板上制作图形化金属薄膜。

目前针对微电子封装领域内的温度、应变测量技术主要包括接触式和非接触式测量方法，其中接触式测量方法主要有：用于温度测量的铂电阻，用于应力应变测量的应变片、压阻传感器等，随着先进硅基封装技术的发展，基于TSV转接板的集成封装结构尺寸越来越小，常规的铂电阻、应变片、压阻传感器受到尺寸限制无法集成在TSV转接板上，也就无法实现封装结构内部的物理量测量；非接触式测量方法主要有：用于温度测量的红外热像仪，用于应力应变测量的DIC、阴影云纹干涉等，该类测试方法主要是通过外部仪器采用光学手段进行测量，仅能测量到封装结构表面的物理量，无法测量到封装结构内部，同时受到测试环境及尺寸限制，在一些工作及外界环境载荷下难以直接使用。综上，传统的温度及应变测量技术难以直接测量得到基于TSV转接板的集成封装结构在工作及外界环境载荷下封装结构内部的温度、应力参数，无法为其可靠性评估提供数据支撑。

针对此，本实施例提出了一种TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，本实施例提出的集成方法利用半导体前道工艺在TSV转接板特定位置将温度、应变传感器内嵌集成，得到含温度、应变传感的三维集成TSV转接板结构，该结构中TSV转接板除了提供电互联通道外，还具有温度、应变测量的功能，使得基于该TSV转接板的集成封装结构在工作及外界环境载荷下可以在线测量其内部的温度、应变等物理量，为其可靠性评估提供可靠的数据支撑。

如图1所示，本实施例提出的集成方法具体包括如下步骤：

步骤1，制备TSV转接板，同时在制备TSV转接板过程中预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置。具体的，在TSV转接板正面(上表面)预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置。这些位置由前期设计的传感器布局位置确定。

需要说明的是，本申请采用现有的TSV转接板制备工艺制备TSV转接板，此处不再过多赘述。其中TSV转接板制备完成后硅基板正面至少有两层介质层和一层金属再布线层，背面至少有一层介质层和一层金属再布线层，且硅基板正面的金属再布线层通过TSV与背面的金属再布线层连通。如图2所示的示例性结构，TSV转接板制备完成后硅基板2正面(上表面)具有两层介质层和上表面金属再布线层7，两层介质层分别为第一介质层9和第二介质层3；硅基板2背面(下表面)具有一层介质层和下表面金属再布线层1；上表面金属再布线层7和下表面金属再布线层1通过TSV8连通。本实施例在第一介质层9上预留出制备温度传感器的第二介质层开口作为温度传感器布置位置10、制备应变传感器的第二介质层开口作为应变传感器布置位置11，在上表面金属再布线层7上预留出与温度传感器互联的第二介质层开口作为与温度传感器互联的端口位置12、与应变传感器互联的第二介质层开口作为与应变传感器互联的端口位置13。进一步的，第一介质层9通常采用无机材料，包括但不限于二氧化硅或氮化硅等；第二介质层3通常采用光敏有机材料，包括但不限于聚酰亚胺等；金属再布线层材料一般为铜、金。本实施例中通过涂覆、曝光、显影工艺即可形成上述第二介质层开口。

步骤2，利用半导体前道工艺在TSV转接板上预留位置制备温度传感器和应变传感器。

以图2所示结构为例，可以先在温度传感器布置位置10处制备温度传感器4，制备结果如图3所示，然后在应变传感器布置位置11处制备应变传感器6，制备结果如图4所示；需要说明的是，温度传感器4和应变传感器6的制备顺序可以改变。本实施例中的温度传感器4和应变传感器6均为金属薄膜电阻式传感器，分别基于金属材料的温阻效应及金属材料变形导致电阻发生变化的原理实现。制备工艺可以按照沉积金属→光刻→刻蚀出传感器图形的步骤，也可以按照光刻→沉积金属→剥离金属形成传感器图形的步骤。进一步的，温度传感器采用的金属薄膜材料通常为铂、镍、铬等，应变传感器采用的金属薄膜材料通常为氮化钽等。

步骤3，传感器制备完成后，在TSV转接板上沉积互联金属将传感器端口与预留的与之互联的端口位置的金属再布线层互联。

以图4所示的温度传感器和应变传感器制备完成后的结构为例，沉积互联金属5将温度传感器4的端口与预留的与之互联的端口位置12露出的金属再布线层互联，将应变传感器6的端口与预留的与之互联的端口位置13露出的金属再布线层互联，从而将传感器端口信号通过互联金属5、上表面金属再布线层7、TSV8和下表面金属再布线层1引出，如图5所示。进一步的，互联金属5可以通过电镀、蒸发、溅射等工艺制备。互联金属5材料可以采用但不限于金、钛、铜等。

需要说明的是，本实施例提出的集成方法核心点在于TSV转接板的集成，并不影响集成芯片，因此对集成芯片大小、形式等均不限制，也不再对芯片集成部分进行过多赘述。

基于上述集成方法制备得到如图6所示的TSV转接板，如图所示，其组成主要包括硅基板2、TSV8、温度传感器4、应变传感器6、互联金属5等。

其中，硅基板2正面(上表面)制备有上表面金属再布线层7、第一介质层9和第二介质层3，硅基板2背面(下表面)制备有下表面金属再布线层1和介质层；且，上表面金属再布线层7通过TSV8与下表面金属再布线层1连通。

温度传感器4和应变传感器6通过半导体前道工艺集成在硅基板2上表面第一介质层9上，温度传感器4和应变传感器6端口分别通过互联金属与硅基板2的上表面金属再布线层7互联，上表面金属再布线层7通过TSV8与硅基板2的下表面金属再布线层1互联形成电信号通路。

需要说明的是，图6仅示出了一种硅基板正面有两层介质层，背面有一层介质层的结构，其是一种示例性说明，并不对TSV转接板的结构进行限制，即在另外的可选实施方式中，也可以采用硅基板正面有多层介质层，背面有两层以上介质层的结构。

本实施例利用半导体前道工艺将温度及应变传感器在TSV转接板内部集成，提高了TSV转接板的性能，使得TSV转接板具有温度、应变在线监测功能，在TSV转接板的集成封装结构在工作以及环境载荷下可以直接获得该集成封装结构内部温度、应变物理量，为该集成封装结构的可靠性分析提供了有力的数据支撑和技术支撑。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述集成方法包括：

制备TSV转接板，同时在制备TSV转接板过程中根据预设位置预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置；

利用半导体前道工艺在制备完成的TSV转接板上预留的传感器布置位置制备温度传感器和应变传感器；

传感器制备完成后，在TSV转接板上沉积互联金属将传感器引出端与预留的与之互连的端口位置的金属再布线层互联。

2.根据权利要求1所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，制备完成的TSV转接板包括硅基板；

所述硅基板正面至少有两层介质层和一层金属再布线层，所述硅基板背面至少有一层介质层和一层金属再布线层；且所述硅基板正面的金属再布线层通过TSV与背面的金属再布线层互联。

3.根据权利要求2所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述硅基板正面由内至外依次有第一介质层、金属再布线层和第二介质层；

在制备TSV转接板过程中预留出传感器布置位置以及与传感器引出端互联的端口位置，具体包括：

在所述硅基板正面的第一介质层上预设位置分别预留出制备温度传感器的第二介质层开口作为温度传感器布置位置以及制备应变传感器的第二介质层开口作为应变传感器布置位置；

在所述硅基板正面的金属再布线层上预留出与温度传感器互联的第二介质层开口作为与温度传感器互联的端口位置以及与应变传感器互联的第二介质层开口作为与应变传感器互联的端口位置。

4.根据权利要求3所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述第一介质层采用无机材料；所述第二介质层采用光敏有机材料；所述金属再布线层采用铜或金。

5.根据权利要求3所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述集成方法通过涂覆、曝光、显影工艺即可形成所述第二介质层开口。

6.根据权利要求1-5任一项所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述温度传感器和应变传感器均采用金属薄膜电阻式传感器，分别基于金属材料的温阻效应及金属材料变形导致电阻发生变化的原理实现参数测量。

7.根据权利要求6所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述温度传感器采用的金属薄膜材料为铂、镍或铬；

所述应变传感器采用的金属薄膜材料为氮化钽。

8.根据权利要求1-5任一项所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述温度传感器和应变传感器通过沉积金属→光刻→刻蚀出传感器图形工艺过程制备而成；

或者，所述温度传感器和应变传感器通过光刻→沉积金属→剥离金属形成传感器图形工艺过程制备而成。

9.根据权利要求1所述的TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成方法，其特征在于，所述互联金属的材料采用金、钛、铜。

10.TSV转接板兼容的薄膜电阻式温度和应变传感集成结构，其特征在于，所述集成结构包括：

硅基板，所述硅基板正面制备有至少两层介质层和一层金属再布线层，所述硅基板背面制备有至少一层介质层和一层金属再布线层；

温度传感器和应变传感器，所述温度传感器和应变传感器通过半导体前道工艺集成在所述硅基板正面的介质层上，所述温度传感器和应变传感器引出端分别通过互联金属与所述硅基板正面的金属再布线层互联，所述硅基板正面的金属再布线层通过TSV与背面的金属再布线层互联形成电信号通路。