一种基于粉末填充的低阻硅式TSV结构及制造方法

本发明涉及微机电系统(mems)领域和封装领域，更具体地涉及一种基于粉末填充的低阻硅式tsv结构及制造方法。

背景技术：

1、tsv(through-silicon-via，硅通孔技术)，即穿过硅基板的垂直电互联，是一种旨在为垂直堆叠的芯片层间提供垂直方向电互联的三维封装技术。tsv技术的引入不仅将成倍地提高封装后器件的集成度，也有利于提高封装后器件的电性能(可以大幅度地缩短电互连的长度，从而降低互联电阻，解决信号延迟、压降及再布线较为复杂等问题)，实现多功能高密度集成，降低器件的制造成本，是目前先进封装的核心关键技术。

2、目前，随着mems技术朝着阵列化和高密度mems器件的方向发展，mems中大规模引线的问题变得愈发突出。针对上述问题，能够提供垂直互联的tsv技术被引入了mems工艺技术中，并且作为mems前道工艺流程中的一部分。相比于半导体封装领域，融于mems前道工艺流程中的tsv晶圆往往需要进行键合、表面金属沉积和图形化、及刻蚀等工艺，因此，mems工艺对tsv晶圆的表面洁净度、总厚度变化(total thickness variation，ttv)、翘曲、晶圆厚度等参数有更高的要求，并且也会根据实际工艺需要，对tsv片中填充物质的耐温(往往需要≥350℃)、耐酸及耐碱等性能有各自的要求。

3、按照tsv结构类型，tsv制备技术可分为：金属填充式tsv和低阻硅式tsv。

4、金属填充式tsv是在硅晶圆的通孔中填充金属导电物质，从而实现垂直电互联，其工艺流程为：刻蚀通孔+氧化通孔+溅射阻挡金属层和粘附金属层+电镀+双面磨抛多余金属，或刻蚀盲孔+氧化盲孔+溅射阻挡金属层和粘附金属层+电镀+单面磨抛多余金属+盲孔端露头+沉积绝缘介质，或刻蚀通孔+氧化通孔+灌注液化金属+单面磨抛多余金属。上述金属填充式tsv的共同缺点在于：(1)金属电镀或灌注工艺在tsv晶圆表面产生较厚的多余金属层，需要金属研磨和抛光工艺来去除，除了工艺难度较大和成本昂贵外，其tsv晶圆的ttv、表面洁净度、剩余氧化层的厚度及氧化层质量难以保证，对后续的再布线工艺和键合工艺均会产生较大的影响；(2)金属研磨和抛光过程中不同材料的去除速率不一致，填充金属表面容易产生“碟形坑”，影响后续的涂胶和光刻工艺；(3)填充金属和硅的热膨胀系数相差很大，经历高温工艺导致内部应力巨大，存在裂片的风险；(4)填充金属不耐强酸、强碱和强氧化剂，其后续无法开展标准清洗工艺和湿法腐蚀等工艺。

5、低阻硅式tsv是在低阻硅晶圆上蚀刻出孤立的硅柱作为导电结构，并在导电硅柱周围的环形孔中填充支撑材料，从而实现对孤立的导电硅柱的结构固定和电绝缘，其工艺流程为：刻蚀环形盲孔+氧化环形盲孔+在环形盲孔填充液态的支撑材料后固化+去除表面多余的支撑材料+盲孔端露头+在表面沉积氧化硅或氮化硅。目前用于填充的支撑材料为聚酰亚胺(pi)和苯并环丁烯(bcb)等有机聚合物材料，但是上述材料的不足在于：(1)填充困难；(2)填充后tsv晶圆表面残留的支撑材料去除较困难；(3)填充后存在气泡；(4)填充的支撑材料不能经受后续的高温工艺(有机聚合物材料在高温下分解)，以及温度≥350℃的金属热压键合；(5)填充支撑材料后，tsv晶圆的内应力较大，导致tsv晶圆翘曲严重，存在裂片风险，且对盲孔端露头工艺的减薄厚度均匀性有影响；(6)填充的支撑材料不耐强酸、强碱和强氧化剂，其后续无法开展标准清洗和湿法腐蚀等工艺。

6、综上所述，目前应用于mems领域的tsv技术存在种种工艺限制条件，并不能完全满足mems前道工艺的要求。因此，研究一种高质量、与mems工艺兼容且易实现的tsv技术，已经成为本领域技术人员亟待解决的问题之一，具有重大的技术价值和广泛的应用前景。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于粉末填充的低阻硅式tsv结构及制造方法，以提高tsv技术与mems工艺的兼容性，避免有机聚合物作为填充材料出现的填充困难、填充后tsv晶圆表面的支撑材料去除较困难以及填充后存在气泡等问题，优化填充质量。

2、本发明提供的一种基于粉末填充的低阻硅式tsv制造方法，包括：步骤s10，提供一低阻硅片；步骤s20，在所述低阻硅片的第一面蚀刻形成环形盲孔；步骤s30，在所述环形盲孔中填充待固化粉末，所述待固化粉末为硅基氧化物粉末、硅基氮化物粉末、陶瓷材料粉末、硅粉末、玻璃粉末中的至少一种；步骤s40，清除所述低阻硅片表面残留的所述待固化粉末；步骤s50，对所述待固化粉末进行固化，形成固定于所述环形盲孔侧壁的电绝缘的环形支撑层，所述待固化粉末进行固化的工艺为热烧结、热氧化、硅基氧化物的原子束沉积、硅基氮化物的原子束沉积、氧化铝的原子束沉积中的至少一种，具体的固化工艺的选择视待固化粉末的材料而定；步骤s60，在所述低阻硅片的第二面蚀刻形成环形盲孔，用于与第一面形成的所述环形盲孔贯通，形成从所述低阻硅片分离出的导电硅柱，并重复所述步骤s30～所述步骤s50；或在所述低阻硅片的第二面减薄至所述环形支撑层完全露头，形成从所述低阻硅片分离出的导电硅柱，并在减薄面制作二氧化硅层；步骤s70，在所述导电硅柱上下表面的部分区域蚀刻形成开口，使硅暴露，制造完成。

3、进一步地，所述低阻硅片的电阻率小于等于1ω·cm。

4、优选地，所述低阻硅片的电阻率小于0.01ω·cm。

5、进一步地，在所述低阻硅片的第一面蚀刻出任意深度的环形盲孔之前，包括：步骤s11，在所述低阻硅片的上下表面形成二氧化硅层。

6、进一步地，所述环形盲孔的蚀刻形成方法为干法刻蚀或湿法腐蚀。

7、进一步地，所述待固化粉末的颗粒直径为1nm～5000nm。

8、进一步地，所述步骤s30包括：所述待固化粉末填充入所述环形盲孔后，所述待固化粉末被压实或振实。

9、进一步地，在所述环形盲孔中填充所述待固化粉末的方法为：所述待固化粉末以干法工艺填充入所述环形盲孔中。

10、进一步地，在所述环形盲孔中填充所述待固化粉末的方法为：将所述待固化粉末与液体溶剂混合形成浆料，所述浆料以湿法工艺填充入所述环形盲孔中，最后在所述浆料填充完成后蒸发所述液体溶剂。

11、进一步地，步骤s50包括：在所述待固化粉末的固化完成后，对所述低阻硅片的表面进行磨抛，不仅使所述环形支撑层的露头部分平齐或低于所述低阻硅片表面的所述二氧化硅层，也进一步优化所述低阻硅片的表面质量。

12、进一步地，在所述导电硅柱的上下表面蚀刻形成开口的方法为干法刻蚀或湿法腐蚀。

13、本发明还提供一种基于粉末填充的低阻硅式tsv结构，基于上述的制造方法形成，包括低阻硅片，所述低阻硅片的上下表面均覆盖二氧化硅层，所述低阻硅片上布置有若干个通孔；导电硅柱，外围被一个环形支撑层包裹；所述导电硅柱和所述环形支撑层填满了所述低阻硅片的通孔。

14、进一步地，所述导电硅柱为实心柱状结构或环形柱状结构。

15、本发明提供的一种基于粉末填充的低阻硅式tsv结构及制造方法，具有以下有益效果：

16、1)本发明采用低阻硅作为导电材料，且采用热膨胀系数与硅相近的无机非金属材料形成环形支撑层，降低了tsv晶圆的内应力，从而降低了裂片风险、提高了面型质量，增强了tsv晶圆对高温、强酸、强碱和强氧化剂的耐受力，最终提高了tsv技术与mems工艺的兼容性；

17、2)本发明采用填充粉末并固化的方法制造环形支撑层，避免了填充有机聚合物材料作为环形支撑层出现的填充困难、填充后tsv晶圆表面的支撑材料去除较困难以及填充后存在气泡等问题，最终优化了填充质量；

18、3)本发明采用填充粉末并固化的方法制造绝缘介质层，可以由手工刮印、手工压印或其它更加简单的方式实现，且多余的粉末可以通过擦拭去除，从而降低了工艺难度和工艺成本，避免了工艺操作设备和晶圆尺寸对工艺实现的限制，最终拓展了该工艺的适用场景；

19、4)本发明能够加工形成“多层包裹”的导线结构，即形成“中间导线+最外围接地屏蔽层”的结构，有助于防止噪声的干扰和其余信号的串扰，提高了导线信号的信噪比。