3.2　TSV侧壁绝缘技术

绝缘层主要用于TSV之间及TSV与硅衬底之间的导电隔离，目前主流使用的材料是氧化硅，制作方式根据温度限制有很多选择。使用液体源，如正硅酸乙酯（TEOS）的等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD），对于深宽比为10∶1的TSV盲孔，可以在底部获得超过10%的侧壁覆盖，沉积温度可以低至180℃。图3-8所示的是典型TEOS PECVD工艺在10μm×100μm TSV的覆盖情况，最薄弱位置厚度不到表面厚度的15%。针对大尺寸TSV，只要最薄位置达到一定厚度，即可满足应用要求。PECVD工艺不仅工艺温度相对较低，而且工艺产率较高，在Via-last型TSV方面有广泛的应用。使用TEOS和O3的次常压化学气相沉积（SACVD）沉积，工艺温度一般为300～600℃，可以实现超过60%的台阶覆盖（Step-Coverage），典型结果如图3-9所示，在Via-middle型TSV制造方面有很好的应用。热氧化方案可以在1000℃的高温下实现100%的台阶覆盖，且氧化硅层特别致密，可以应用于无源衬底TSV中介层的加工，典型覆盖效果如图3-10所示。热氧化工艺为前端制程，对清洗工艺和环境清洁度要求较高，一般的封装厂很难满足条件。等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术可以在低温下实现接近100%的台阶覆盖，图3-11所示的是PEALD技术在5μm×50μm TSV的覆盖情况，但衬底生长速率较慢，仅适合直径较小、对介质层厚度要求不高的场合，否则产率方面将受到很多限制。也有一些设备商宣称可以采用类似热氧化的方式，一次加工很多圆片，以改善其产率低的问题。

图3-8　典型TEOS PECVD工艺在10μm×100μm TSV的覆盖情况

图3-9　脉冲式TEOS/O3 SACVD在TSV内的覆盖情况［41］

图3-10　热氧化工艺在10μm×100μm TSV内的覆盖情况

除了氧化硅材料，还有其他的一些材料可以作为侧壁绝缘层，最为典型的是有机聚合物材料。针对大尺寸低深宽比TSV，可以采用喷涂（Spray Coating）或者特殊的旋涂（Spin Coating）方式直接在侧壁获得聚合物层，图3-12所示的是一个典型结果。针对高深宽比TSV，也有一些聚合物绝缘层涂覆方式，如法国Alchimer公司提出使用湿法电接枝（Electro Grafting）的方式，可以在特定电阻率硅衬底上实现有效覆盖侧壁绝缘层的、高深宽比的TSV［62］，典型结果如图3-13所示。

图3-11　PEALD技术在5μm×50μm TSV的覆盖情况［41］

图3-12　大尺寸TSV侧壁涂覆聚合物胶层典型结果

图3-13　电接枝实现TSV侧壁绝缘层涂覆典型结果

相比传统的二氧化硅材料，聚合物材料具有较低的介电常数、良好的热稳定性和热机械性能，是一种优良的TSV绝缘层材料［63］。通常，利用低深宽比（如1∶1）TSV封装的图像传感器产品，通过传统的旋涂工艺可以在TSV孔壁和表面形成绝缘保护层［64， 65］。但是，旋涂工艺仅有效利用了大约10%的材料，大量的聚合物材料被浪费，增加了经济和环境成本。

利用超声雾化原理的喷涂技术能够将聚合物溶剂雾化成直径小于30μm的液滴［66］，使得聚合物溶液能够进入较大直径的TSV中，待溶剂蒸发后在TSV孔壁形成聚合物绝缘层。喷涂工艺对聚合物材料的利用率达到了80%以上，相较于旋涂而言，可以大幅降低该封装工艺的成本。喷涂所形成的聚合物涂层所面临的主要挑战是确保涂层达到一定厚度的同时依然有较高的台阶覆盖率，特别是在深宽比大于1∶1的TSV孔壁形成均匀完整的聚合物涂层成了该技术的难点。

结合MEMS封装工艺的相关技术，欧洲校际微电子研究中心（IMEC）的Pham等人［67］提出了一种应用TSV的Zero-Level的封装形式，在底部直径为70μm、开口直径为120μm、深度为100μm的TSV孔壁上喷涂了一层聚合物光刻胶材料，聚合物涂层最薄处为0.7μm，并在TSV底部进行曝光，保留侧壁的聚合物材料作为绝缘层。德国夫琅禾费可靠性和微集成研究所（Fraunhofer IZM）的Wilke等人［68］研究了三种应用于图像传感器圆片级封装的聚合物绝缘层涂层工艺，分别为旋涂、喷涂及真空压入工艺，在底部直径为65μm、开口直径为80μm、深度为50μm的TSV中比较了三种工艺的聚合物涂层形貌，并且根据涂层之后的聚合物层用途比较了三种工艺各自的优势和劣势。Töpper等人［69］还特别研究了适用于TSV绝缘层的多种聚合物材料及光刻胶产品，分析了大部分已经开始量产的聚合物材料的物理化学特性。Schott公司的Shariff等人［70］研究了刻蚀形貌对聚合物喷涂工艺所形成的涂层形貌的影响。他们在底部直径为80μm、深度为125μm、开口角度为68的TSV内通过喷涂形成了内绝缘层（Inter Dielectric Layer，IDL），并讨论了采用聚合物绝缘层的TSV封装的良率。奥地利EV Group的Matthias等人［71］开发出了具有纳米颗粒尺度的喷涂设备，并且在TSV直径小于100μm、深度大于200μm的深孔侧壁均匀喷涂了聚合物材料层，其台阶覆盖率接近100%。

中国科学院微电子研究所庄越宸等人［72， 73］采用正交实验设计的方法，研究了喷涂工艺中聚合物溶液流量、N2流量和基板温度三个工艺参数对不同深宽比TSV侧壁绝缘层台阶覆盖率的影响。通过对实验数据的极差分析与方差分析，得到各因素对台阶覆盖率的影响规律。在选定的参数范围内，对1.5∶1深宽比的TSV来说，绝缘层台阶覆盖率随聚合物溶液流量的增加先减小再增大，随N2压强的增加先减小再增加，随温度的升高而不断减小；对于2∶1深宽比的TSV，绝缘层台阶覆盖率随着聚合物溶液流量的增加先减小再增加，随着温度的升高而减小，N2压强的增加对台阶覆盖率的影响可以忽略；对于3∶1深宽比的TSV，绝缘层台阶覆盖率随着聚合物溶液流量的增加先增大再减小，随着温度的升高而减小，N2压强的变化对台阶覆盖率的影响可以忽略。实验还得到了在深宽比为1.5∶1时最大为16.52%的台阶覆盖率、在深宽比为2∶1时最大为15.16%的台阶覆盖率，以及深宽比为3∶1时，最大为9.66%的台阶覆盖率。