用于系统级封装的TSV转接板的制作方法

本实用新型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：

目前为止集成电路的特征尺寸已经低至7nm，在单个芯片上集成的晶体管数量已经到达百亿级别，伴随百亿级别的晶体管数量的要求，片上资源和互连线长度问题成为现今集成电路领域发展的瓶颈，3D集成电路被认为是未来集成电路的发展方向，它在原有电路的基础上，在Z轴上层叠，以求在最小的面积上集成更多的功能，这种方法克服了原有集成度的限制，利用新兴技术硅通孔(Through-Silicon Via，简称TSV)，大幅度的提高了集成电路的性能，降低线上延迟，减小芯片功耗。

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：

为了提高系统级封装的抗静电能力，本实用新型提供了一种用于系统级封装的TSV转接板；本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本实用新型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10；

设置于所述Si衬底10内的第一TSV区101、第一隔离区102、第一横向二极管103、第二隔离区104、第二横向二极管105、第三隔离区106以及第二TSV区107；其中，所述第一横向二极管103设置于所述第一隔离区102和所述第二隔离区104形成的横向封闭区域内，所述第二横向二极管105设置于所述第二隔离区104和所述第三隔离区106形成的横向封闭区域内；所述第一TSV区101和所述第二TSV区107设置于所述第一隔离区102、所述第一横向二极管103、所述第二隔离区104、所述第二横向二极管105和所述第三隔离区106形成区域的外侧；

铜互连线108，对所述第一TSV区101的第一端面、所述第一横向二极管103、所述第二横向二极管105以及所述第二TSV区107的第一端面进行串行连接；

其中，所述第一TSV区101、所述第一隔离区102、所述第二隔离区104、所述第三隔离区106以及所述第二TSV区107均上下贯通所述Si衬底10；所述第一TSV区101的第二端面和所述第二TSV区107的第二端面上依次设置有钨插塞和铜凸点109。

在本发明的一个实施例中，所述第一TSV区101的第一端面与所述第一横向二极管103的阳极、所述第一横向二极管103的阴极与所述第二横向二极管105的阳极、所述第二横向二极管105的阴极与所述第二TSV区107的第一端面分别通过所述互连线108连接。

在本发明的一个实施例中，述第一TSV区101的第一端面、所述第一横向二极管103的阳极、所述第一横向二极管103的阴极、所述第二横向二极管105的阳极、所述第二横向二极管105的阴极以及所述第二TSV区107的第一端面与所述互连线108之间均设置有钨插塞。

在本发明的一个实施例中，所述TSV转接板还包括设置于所述Si衬底10表面的SiO2绝缘层110。

在本发明的一个实施例中，所述第一TSV区101、所述第一隔离区102、所述第二隔离区104、所述第三隔离区106以及所述第二TSV区107的深度为40～80μm。

在本发明的一个实施例中，所述第一TSV区101和所述第二TSV区107内填充的材料为多晶硅。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的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、本实用新型通过在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、本实用新型提供的TSV转接板的二极管周围利用上下贯通的隔离区，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实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型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为本实用新型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3i为本实用新型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实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本实用新型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10；

设置于所述Si衬底10内的第一TSV区101、第一隔离区102、第一横向二极管103、第二隔离区104、第二横向二极管105、第三隔离区106以及第二TSV区107；其中，所述第一横向二极管103设置于所述第一隔离区102和所述第二隔离区104形成的横向封闭区域内，所述第二横向二极管105设置于所述第二隔离区104和所述第三隔离区106形成的横向封闭区域内；所述第一TSV区101和所述第二TSV区107设置于所述第一隔离区102、所述第一横向二极管103、所述第二隔离区104、所述第二横向二极管105和所述第三隔离区106形成区域的外侧；

互连线，对所述第一TSV区101的第一端面、所述第一横向二极管103、所述第二横向二极管105以及所述第二TSV区107的第一端面进行串行连接；

其中，所述第一TSV区101、所述第一隔离区102、所述第二隔离区104、所述第三隔离区106以及所述第二TSV区107均上下贯通所述Si衬底10。

具体地，所述第一TSV区101的第一端面与所述第一横向二极管103的阳极、所述第一横向二极管103的阴极与所述第二横向二极管105的阳极、所述第二横向二极管105的阴极与所述第二TSV区107的第一端面分别通过互连线108连接。

进一步地，所述第一TSV区101的第一端面、所述第一横向二极管103的阳极、所述第一横向二极管103的阴极、所述第二横向二极管105的阳极、所述第二横向二极管105的阴极以及所述第二TSV区107的第一端面与互连线108之间均设置有钨插塞。

优选地，所述互连线108的材料为铜。

具体地，所述第一TSV区101的第二端面和所述第二TSV区107的第二端面上依次设置有钨插塞和铜凸点109。

优选地，所述TSV转接板还包括设置于所述Si衬底10上下表面的SiO2绝缘层110。

进一步地，第一隔离区102、第二隔离区104和第三隔离区106与Si衬底上表面和下表面的SiO2绝缘层110用于形成封闭的隔离区域以隔离第一横向二极管403和第二横向二极管405。

优选地，所述Si衬底10的掺杂类型为N型或P型，掺杂浓度为10¹⁴～10¹⁷cm^-3。

优选地，所述第一TSV区101、所述第一隔离区102、所述第二隔离区104、所述第三隔离区106以及所述第二TSV区107的深度为40～80μm。

优选地，所述第一TSV区101和所述第二TSV区107内填充的材料为多晶硅。

优选地，所述多晶硅的掺杂浓度为2×10²¹cm^-3，掺杂材料为磷。

本实施例提供的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；同时，本实施例提供TSV转接板在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为本实用新型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，对本实用新型的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TSV和隔离沟槽；

S203、利用化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)工艺，在Si衬底上淀积SiO2对隔离沟槽进行填充形成隔离区；

S204、利用CVD工艺，在Si衬底上淀积多晶硅材料对TSV进行填充，同时通入掺杂气体对多晶硅进行原位掺杂形成TSV区；

S205、利用离子注入工艺在Si衬底上制备二极管的阳极；

S206、利用离子注入工艺在Si衬底上制备二极管的阴极；

S207、利用电镀工艺在Si衬底上表面制备铜互连线；

S208、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；

S209、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)或者(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、利用光刻工艺刻蚀TSV及隔离沟槽图形；

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

其中，TSV的数量为一个或多个，TSV的深度小于Si衬底的厚度；隔离沟槽的数量为多个，隔离沟槽的深度小于Si衬底厚度。

具体地，S203可以包括如下步骤：

S2031、热氧化TSV和隔离沟槽使盲孔的内壁形成氧化层；

S2032、利用湿法刻蚀工艺刻蚀TSV和隔离沟槽内壁的氧化层以完成盲孔内壁的平整化。

其中，通过盲孔内壁的平整化可以防止盲孔侧壁的突起形成电场集中区域。

S2033、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等工艺完成隔离沟槽填充图形；

S2034、利用CVD工艺，淀积SiO2对隔离沟槽进行填充形成隔离区。

其中，隔离区贯穿整个转接板，可有效的将器件与衬底进行隔离，减小了有源区与衬底间的寄生电容。

优选地，S204可以包括如下步骤：

S2041、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等工艺完成TSV填充图形

S2042、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，实现掺杂元素的原位激活，形成高掺杂的多晶硅TSV区。

其中，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，S205可以包括如下步骤：

S2051、利用CMP工艺，对Si衬底表面进行平整化处理；

S2052、在两个相邻的隔离区之间光刻P⁺有源区，利用带胶离子注入的方式进行P⁺注入，去除光刻胶，形成二极管的阳极。

优选地，S206可以包括如下步骤：

S2061、在两个相邻的隔离区之间光刻N⁺有源区，利用带胶离子注入的方式进行N⁺注入，去除光刻胶，形成二极管的阴极；

S2062、进行高温退火，使离子注入的杂质激活。

优选地，S207可以包括如下步骤：

S2071、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；

S2072、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，S208可以包括如下步骤：

S2081、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；

S2082、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；

S2083、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，S209可以包括如下步骤：

S2091、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；

S2092、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。

S2093、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转接板的制备方法均可在现有的TSV工艺平台中实现，因此兼容性强，适用范围广，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，对本实用新型的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3i，图3a-图3i为本实用新型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衬底上制备两个TSV302及三个隔离沟槽303，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、显影等工艺完成TSV及隔离沟槽刻蚀图形；

S3023、利用DRIE工艺刻蚀Si衬底，形成40～80μm深的TSV及隔离沟槽。

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；利用CVD工艺，在Si衬底上淀积SiO2304对隔离沟槽进行填充形成隔离区，具体可以包括如下步骤：

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

S3032、利用湿法刻蚀工艺，刻蚀TSV及隔离沟槽的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及隔离沟槽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、显影等工艺完成隔离沟槽填充图形；

S3034、在690℃～710℃的温度下，利用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)工艺，淀积SiO2对隔离沟槽进行填充，形成隔离区；可以理解的是，该SiO2材料主要用于隔离，其可以由未掺杂多晶硅等其他材料替代。

S3035、利用CMP工艺，对衬底表面进行平坦化。

S304、如图3d所示；利用CVD工艺，在Si衬底上淀积多晶硅材料305对TSV进行填充，同时通入掺杂气体对多晶硅进行原位掺杂形成TSV区，具体可以包括如下步骤：

S3041、利用光刻工艺，通过涂胶、光刻、显影等工艺完成TSV填充图形；

S3042、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。

S305、如图3e所示；利用离子注入工艺，在Si衬底上形成二极管的阳极306，具体可以包括如下步骤：

S3051、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S3052、在两个相邻的隔离区之间光刻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。硅掺杂浓度优选5×10¹⁸cm^-3，掺杂杂质优选硼。

S306、如图3f所示；在Si衬底上利用离子注入工艺形成二极管的阴极307，具体可以包括如下步骤：

S3061、在两个相邻的隔离区之间光刻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。硅掺杂浓度优选5×10¹⁸cm^-3，掺杂杂质优选磷。

S3062、将衬底在950～1100℃温度下，退火15～120s，进行杂质激活。

S307、如图3g所示；利用电镀工艺在Si衬底上表面形成铜互连线308，具体可以包括如下步骤：

S3071、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；

S3072、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；

S3073、利用CVD工艺淀积Ti膜形成衬垫层，利用CVD工艺淀积TiN膜形成阻挡层，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钨形成钨插塞309；

S3074、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S3075、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；

S3076、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化。

S3077、利用PECVD工艺，在衬底表面淀积SiO2层；

S308、如图3h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：

S3081、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；

S3082、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；

S3083、利用CMP工艺对Si衬底下表面进行平整，直到露出TSV区；

S309、如图3i所示；在Si衬底下表面利用电镀的方法形成铜凸点310，具体可以包括如下步骤：

S3091、利用PECVD工艺，在衬底下表面淀积SiO2层；

S3092、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；

S3093、利用CVD工艺淀积Ti膜形成衬垫层，利用CVD工艺淀积TiN膜形成阻挡层，利用CVD工艺在TSV区的第二端淀积钨形成钨插塞；

S3094、利用CMP工艺对衬底表面进行平坦化；

S3095、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；

S3096、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。本实用新型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实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。例如，本实用新型中提及的多个隔离区仅仅是依据本实用新型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，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，不应局限于这些说明，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。