用于系统级封装的TSV转接板的制作方法

本发明属半导体集成电路技术领域，特别涉及一种用于系统级封装的TSV转接板。

背景技术：

随着微电子技术的不断进步，仅依靠在单一芯片上集成更多的器件来提高芯片的性能已经无法满足实际的需求。因此，叠置芯片封装技术逐渐成为技术发展的主流。叠置芯片封装技术是在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内的垂直方向叠置多个芯片的封装技术。其中，硅通孔(Through-Silicon Via，简称TSV)转接板是实现上下芯片互连的连接板，其不仅可以减小互连线的长度，而且可以降低电路的功耗。

在半导体行业里面，随着集成电路集成度的提高以及器件特征尺寸的减小，集成电路中静电放电(Electro-Static Discharge，简称ESD)引起的潜在性损坏已经变得越来越明显。据有关报道，集成电路领域的故障中有近35％的故障是由ESD所引发的，因此芯片内部都设计有ESD保护结构来提高器件的可靠性。

转接板通常是指芯片与封装基板之间的互连和引脚再分布的功能层。转接板可以将密集的I/O引线进行再分布，实现多芯片的高密度互连，成为纳米级集成电路与毫米级宏观世界之间电信号连接最有效的手段之一。在利用转接板实现多功能芯片集成时，不同芯片的抗静电能力不同，在三维堆叠时抗静电能力弱的芯片会影响到封装后整个系统的抗静电能力，因此如何提高基于TSV工艺的系统级封装的抗静电能力成为半导体行业亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了提高基于TSV工艺的系统级封装的抗静电能力，本发明提供了一种用于系统级封装的TSV转接板；本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的实施例提供了一种用于系统级封装的TSV转接板，包括：

Si衬底101；

至少两个TSV区102，设置于Si衬底101内；

至少两个隔离区103，设置于Si衬底101内并位于每两个TSV区102之间；

二极管104，设置于隔离区103之上；

互连线105，对TSV区102的第一端面和二极管104进行串行连接。

在本发明的一个实施例中，还包括钝化层106，设置于Si衬底101之上，用于对TSV区102与二极管104以及二极管104之间进行隔离。

在本发明的一个实施例中，TSV区102内的材料为多晶硅，多晶硅的掺杂浓度为2×10²¹cm^-3，掺杂杂质为磷。

在本发明的一个实施例中，TSV区102上下贯通Si衬底101。

在本发明的一个实施例中，TSV区102的第一端面和二极管104与互连线105之间设置有钨插塞。

在本发明的一个实施例中，TSV区102的第二端面上设置有钨插塞和铜凸点107。

在本发明的一个实施例中，还包括设置于Si衬底101两侧的绝缘层108。

在本发明的一个实施例中，TSV区的深度为40～80μm。

在本发明的一个实施例中，隔离区的深度为400～500nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的TSV转接板通过在TSV转接板上设置ESD防护器件二极管，增强了层叠封装芯片的抗静电能力；

2、本发明通过在TSV转接板上设置二极管，利用转接板较高的散热能力，提高了器件工作中的大电流通过能力；

3、本发明提供的TSV转接板的二极管周围利用上下贯通的隔离沟槽，具有较小的漏电流和寄生电容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于系统级封装的TSV转接板结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于系统级封装的TSV转接板的制备方法流程图；

图3a-图3h为本发明实施例提供的另一种用于系统级封装的TSV转接板的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种用于系统级封装的TSV转接板结构示意图，包括：

Si衬底101；

至少两个TSV区102，设置于Si衬底101内；

至少两个隔离区103，设置于Si衬底101内并位于每两个TSV区102之间；

二极管104，设置于隔离区103之上；

互连线105，对TSV区102的第一端面和二极管104进行串行连接。

具体地，还包括钝化层106，设置于Si衬底101之上，用于对TSV区102与二极管104以及二极管104之间进行隔离。

优选地，TSV区102内的材料为多晶硅，多晶硅的掺杂浓度为2×10²¹cm^-3，掺杂杂质为磷。

优选地，TSV区102上下贯通Si衬底101。

具体地，TSV区102的第一端面和二极管104与互连线105之间设置有钨插塞。

进一步地，TSV区102的第二端面上设置有钨插塞和铜凸点107。

进一步地，还包括设置于Si衬底101两侧表面的绝缘层108。

具体地，隔离区103用于和Si衬底101上下表面的绝缘层108形成封闭的隔离区域以隔离二极管104。

优选地，TSV区的深度为40～80μm。

优选地，隔离区的深度为400～500nm。

本实施例提供的TSV转接板，通过在TSV转接板上设置横向二极管，增强了系统级封装的抗静电能力，解决了系统级封装时抗静电能力弱的芯片会影响到封装后整个系统的抗静电能力的问题；同时，本实施例提供TSV转接板的二极管周围设置上下贯通的隔离区，具有较小的漏电流和寄生电容。

实施例二

请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种用于系统级封装的TSV转接板的制备方法流程图，本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的TSV转接板的制备方法进行详细描述如下。具体地，包括如下步骤：

S201、选取Si衬底；

S202、利用刻蚀工艺在Si衬底上制备多个TSV；

S203、在Si衬底上淀积多晶硅材料对TSV进行填充形成TSV区；

S204、在TSV区之间的Si衬底上制备多个隔离区；

S205、在隔离区上制备横向结构的二极管；

S206、利用电镀工艺在Si衬底上表面制备铜互连线；

S207、利用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)工艺，对Si衬底进行减薄，直到漏出TSV；

S208、在Si衬底下表面利用电镀的方法形成铜凸点以完成TSV转接板的制备。

其中，选取Si衬底的原因在于，Si的热力学性能与芯片相同，利用Si材料作为转接板可以最大程度上减小由于热膨胀系数的差异和残余应力引起的芯片的弯曲和芯片应力。Si衬底的晶向可以是(100)、(110)或者(111)，另外，衬底的掺杂类型可以为N型，也可以为P型。

优选地，S202可以包括如下步骤：

S2021、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤完成TSV刻蚀图形；

S2022、利用深度反应离子刻蚀法(Deep Reactive Ion Etching，简称DRIE)工艺，刻蚀Si衬底形成TSV。

其中，TSV的数量为至少两个，TSV的深度小于Si衬底的厚度；

进一步地，S203可以包括如下步骤：

S2031、热氧化TSV使TSV内壁形成氧化层；

S2032、利用湿法刻蚀工艺刻蚀TSV内壁的氧化层以完成TSV内壁的平整化。

S2033、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤完成TSV填充图形

S2034、利用化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)工艺，淀积多晶硅材料对TSV进行填充，同时通入掺杂气体进行原位掺杂，实现掺杂元素的原位激活，形成高掺杂的多晶硅TSV区。

其中，其中，通过TSV内壁的平整化可以防止TSV侧壁的突起形成电场集中区域；通过在TSV区进行高掺杂的多晶硅填充，可以形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的导电材料，有利于减小TSV的电阻。

优选地，S204可以包括：

S2041、利用CVD工艺，在Si衬底上淀积SiO₂层和Si₃N₄层；

S2042、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤，在TSV区之间的Si衬底完成沟槽隔离区图形；

S2043、利用干法刻蚀工艺形成隔离沟槽；

S2044、利用CVD工艺，淀积SiO₂对隔离沟槽进行填充，形成隔离区。

优选地，S205包括：

S2051、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤在隔离区上形成二极管器件沟槽；

S2052、利用CVD工艺，在二极管器件沟槽内淀积多晶硅材料；

S2053、光刻P⁺有源区，采用带胶离子注入工艺进行P⁺注入，去除光刻胶，形成二极管的阳极；

S2054、光刻N⁺有源区，采用带胶离子注入工艺进行N⁺注入，去除光刻胶，形成二极管的阴极；

S2055、进行高温退火，激活杂质；

S2056、利用PECVD工艺，在衬底表面淀积SiO₂；

S2057、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

其中，通过在隔离区上制备横向二极管，可以形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的二极管阳极和阴极，形成杂质分布陡峭的PN结，进一步提高了防静电器件的性能。

优选地，S206可以包括如下步骤：

S2061、利用溅射或CVD工艺，在Si衬底上表面形成衬垫层和阻挡层，并利用CVD工艺在TSV区的第一端以及二极管的阳极和阴极形成钨插塞；

S2062、淀积绝缘层，光刻铜互连图形，利用电化学镀铜工艺淀积铜，通过化学机械研磨工艺去除多余的铜，形成TSV区的第一端与二极管串接的铜互连线。

进一步地，在制备铜互连线时，可利用金属互连线围绕成螺旋状而使其具有电感的特性以更好用于射频集成电路的静电防护。

优选地，S207可以包括如下步骤：

S2071、利用高分子材料作为中间层，将Si衬底上表面与辅助圆片键合，通过辅助圆片支撑Si衬底上表面；

S2072、利用机械磨削减薄工艺对Si衬底下表面进行减薄，直到减到略大于TSV深度的厚度；

S2073、利用CMP工艺对Si衬底下表面进行平整，直到露出TSV区的第二端。

优选地，S208可以包括如下步骤：

S2081、利用溅射或CVD工艺在Si衬底下表面形成衬垫层和阻挡层，利用CVD工艺在TSV区的第二端形成钨插塞；

S2082、淀积绝缘层，在TSV区的第二端光刻铜凸点图形，利用电化学镀铜工艺淀积铜，通过化学机械研磨工艺去除多余的铜，在TSV区的第二端形成铜凸点。

S2083、利用加热机械的工艺拆除临时键合的辅助圆片。

本实施例提供的TSV转接板的制备方法，与现有工艺相兼容，有利于产业化；采用横向结构的二极管器件，寄生电容小，对射频集成电路影响小。

实施例三

本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的TSV转接板的制备方法中具体参数举例描述如下。具体地，请参照图3a-图3h，图3a-图3h为本发明实施例提供的另一种用于系统级封装的TSV转接板的制备方法流程图。

S301、选取Si衬底301，如图3a所示；

优选地，Si衬底的掺杂浓度为10¹⁴～10¹⁷cm^-3，厚度为150～250μm。

S302、如图3b所示；利用刻蚀工艺在Si衬底上制备三个TSV302，可以包括如下步骤：

S3021、在1050℃～1100℃的温度下，利用热氧化工艺在Si衬底上表面生长一层800nm～1000nm的SiO₂层；

S3022、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤完成TSV刻蚀图形；

S3023、利用DRIE工艺刻蚀Si衬底，形成深度为40～80μm的TSV；

S3024、利用CMP工艺，去除Si衬底上的SiO₂，对衬底表面进行平坦化。

S303、如图3c所示；在Si衬底上淀积多晶硅材料对TSV进行填充形成TSV区，具体可以包括如下步骤：

S3031、在1050℃～1100℃的温度下，热氧化TSV内壁形成厚度为200nm～300nm的氧化层；

S3032、利用湿法刻蚀工艺，刻蚀TSV内壁的氧化层以完成TSV及隔离沟槽内壁的平整化。以防止TSV侧壁的突起形成电场集中区域；

S3033、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤完成TSV填充图形；

S3034、在600℃～620℃的温度下，利用CVD工艺淀积多晶硅材料对TSV进行填充，同时通入掺杂气体进行原位掺杂，并实现掺杂元素的原位激活，形成高掺杂的多晶硅填充。这样在对TSV填充时可以形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的导电材料填充，利于减小TSV的电阻。多晶硅掺杂浓度优选2×10²¹cm^-3，掺杂杂质优选磷；

S3035、利用CMP工艺，对衬底表面进行平坦化。

S304、如图3d所示；在两个TSV区之间的Si衬底上分别制备两个隔离区303，具体可以包括如下步骤：

S3041、利用CVD工艺，在Si衬底上连续生长两层材料，第一层可以是厚度为20～50nm的SiO₂层，第二层可以是厚度为30～60nm的Si₃N₄层；

S3042、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等步骤，在两个TSV区之间的Si衬底上分别形成浅沟槽隔离区图形；

S3043、采用湿法刻蚀工艺，刻蚀Si₃N₄层，形成隔离区图形，再采用干法刻蚀，形成深400～500nm的浅沟槽；

S3044、采用CVD工艺，在750℃温度下，淀积SiO₂材料，将沟槽填满；

S3045、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S305、如图3e所示；在隔离区上制备横向结构的二极管304，具体可以包括如下步骤：

S3051、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等工艺在隔离区上形成二极管器件图形；

S3052、利用LPCVD工艺，在600℃～950℃的温度下，选择性外延生长多晶硅，同时通入掺杂气体进行原位掺杂，并实现掺杂元素的原位激活，形成N^-掺杂的多晶硅填充。掺杂浓度为5×10¹⁴cm^-3，掺杂杂质优选磷；

S3053、光刻P⁺有源区，利用带胶离子注入工艺进行P⁺注入，去除光刻胶，形成二极管的阳极。掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，掺杂杂质为硼；

S3054、光刻N⁺有源区，利用带胶离子注入工艺进行N⁺注入，去除光刻胶，形成二极管的阴极。掺杂浓度优选5×10¹⁸cm^-3，掺杂杂质优选磷；

S3055、将衬底在950～1100℃温度下，退火15～120s，进行杂质激活；

S3056、利用PECVD工艺，在衬底表面淀积SiO₂；

S3057、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S306、如图3f所示；利用电镀工艺在Si衬底上表面形成铜互连线305，具体可以包括如下步骤：

S3061、利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺，在衬底表面淀积SiO₂层；

S3062、在TSV区的第一端以及二极管的阳极和阴极，利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等工艺完成接触孔图形；

S3063、利用CVD工艺，在TSV区的第一端以及二极管的阳极和阴极淀积Ti膜、TiN膜和钨以形成钨插塞；

S3064、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S3065、淀积SiO₂绝缘层，光刻铜互连图形，利用电化学镀铜的方法淀积铜，通过化学机械研磨的方法去除多余的铜，形成TSV区的第一端与二极管串接铜互连线；

S3066、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S3067、利用PECVD工艺，在衬底表面淀积SiO₂层；

S307、如图3g所示；利用化学机械抛光工艺对Si衬底进行减薄，漏出TSV区，具体可以包括如下步骤：

S3071、利用高分子材料作为中间层，将Si衬底上表面与辅助圆片键合，通过辅助圆片的支撑完成Si衬底的减薄；

S3072、利用机械磨削减薄工艺对Si衬底下表面进行减薄，直到减到略大于TSV区深度的厚度，优选大于TSV深度10μm；

S3073、利用CMP工艺对Si衬底下表面进行平整，直到露出TSV区；

S308、如图3h所示；在Si衬底下表面利用电镀的方法形成铜凸点306，具体可以包括如下步骤：

S3081、利用PECVD工艺，在衬底下表面淀积SiO₂层；

S3082、在TSV区的第二端，利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等工艺完成接触孔图形；

S3083、利用CVD工艺，在TSV区的第二端面淀积Ti膜、TiN膜和钨以形成钨插塞；

S3084、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化；

S3085、淀积SiO₂绝缘层，在TSV区的第二端光刻铜凸点图形，利用电化学镀铜工艺淀积铜，通过化学机械研磨工艺去除多余的铜，刻蚀SiO₂层，在TSV区的第二端形成铜凸点；

S3086、利用加热机械的方法拆除临时键合的辅助圆片。

本实施例提供的TSV转接板的制备方法，采用二极管器件周边被SiO₂绝缘层包围的工艺，可有效减小有源区与衬底间的寄生电容。本发明在考虑工艺可行性的基础上通过优化设置一定长度的TSV孔及利用给定范围的掺杂浓度，并且考虑器件的电流通过能力，减小了寄生电容和电阻，并利用TSV孔引入的电感对器件的寄生电容进行一定程度的调谐，在提高系统级封装抗ESD能力的同时扩大了ESD保护电路的工作范围。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。例如，本发明中提及的多个隔离区仅仅是依据本发明提供的器件结构截面图进行说明，其中，多个隔离区也可以是某一个整体中例如环状体的截面图显示的第一部分和第二部分，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，不应局限于这些说明，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。