新型耐高温硅通孔(TSV) MEMS衬底在2.5D/3D集成中的创新应用研究

为解决高密度集成中热应力与电性能平衡难题，研究人员开发了采用低阻硅柱导体和聚合物衍生SiO2绝缘层的耐高温TSV衬底。该技术实现20:1/35:1高深宽比结构，在90V偏压下泄漏电流低至1nA，为MEMS阵列集成提供可靠解决方案。

　　

随着集成电路向高密度、三维化发展，硅通孔(Through-Silicon Via, TSV)技术成为实现2.5D/3D集成的关键。然而传统金属填充TSV面临热膨胀系数(CTE)失配导致的应力开裂问题，且聚合物绝缘材料难以承受高温工艺。针对MEMS阵列器件对电阻要求宽松但需耐高温的特点，中国国家重点研发计划支持的研究团队创新性地提出以低阻硅柱替代金属导体，结合聚合物衍生二氧化硅绝缘层的解决方案。

研究采用真空辅助旋涂技术制备高深宽比环形绝缘沟槽，通过优化Bosch刻蚀工艺参数控制倾斜角度。在4英寸和8英寸晶圆上分别实现400μm/20μm（20:1）和700μm/20μm（35:1）的TSV结构。电学测试显示，两种结构在90V直流偏压下的泄漏电流仅为20nA和1nA，1MHz频率下寄生电容分别为10pF和9.6fF。热氧化SiO₂与溶液衍生SiO₂复合绝缘层展现出优异的高温稳定性。

TSV制备
通过对比不同刻蚀配方发现，调整沉积/刻蚀时间比可有效控制沟槽倾角。采用低阻(0.001-0.0015Ω·cm)硅衬底避免金属填充带来的CTE失配问题，聚合物前驱体溶液经高温固化形成连续SiO₂绝缘层。

环形沟槽制备结果
优化后的刻蚀工艺使8英寸晶圆深沟槽的垂直度偏差<0.5°，4英寸晶圆实现±1μm的线宽均匀性。X射线光电子能谱证实绝缘层SiO₂纯度达99.3%，高温处理后无裂纹产生。

结论
该研究开创性地将硅柱导体与复合SiO₂绝缘层结合，解决了传统TSV在高密度MEMS集成中的热可靠性和工艺兼容性问题。35:1的高深宽比创下同类技术纪录，为声波谐振器、真空规等低频MEMS器件的3D集成提供了新思路。论文发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，通讯作者为Yanlong Wang。

研究团队特别指出，该技术未来可拓展至需要高温工艺的MEMS传感器领域，其工艺简化和独立衬底特性将显著降低3D集成的失效风险。通过国家重大研发计划的支持，这项源自中国的研究为后摩尔时代集成技术提供了新的技术路径。