一种多晶硅应力传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路制造、封装和测量技术领域，特别是涉及一种多晶硅应力传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]随着三维封装和三维芯片堆叠技术的发展，娃通孔互连(Through SiliconVia, TSV)技术已成为集成电路工业中先进的技术之一。与传统二维集成相比较，TSV互连技术提供了垂直和更短距离的连接，降低了信息流通的距离，提高了封装集成度。TSV互连已经赢得越来越多的关注，并在射频系统、成像传感器、高速逻辑存储芯片、多核处理器等方面得到广泛应用。
[0003]由于TSV结构是由电镀铜填充的Cu-Si复合结构，该结构具有Cu/Ta或Ti/Si02/Si多层界面，且界面具有一定工艺粗糙度。在TSV结构中，由于Cu和Si的热膨胀系数相差6倍，致使TSV器件往往存在较高的热应力问题。较大热应力的存在对TSV的可靠性会产生严重的影响，这不利于TSV技术的发展和应用，也制约了基于TSV技术封装产品的市场化进程，研究TSV结构的应力分布对于改进TSV工艺、提高可靠性具有重要的意义。
[0004]在分析硅通孔结构TSV热应力问题时，往往利用TSV结构的对称性，将应力简化为沿TSV结构轴向与径向的应力分布，如图1所示。目前，有关TSV结构内部热应力分布的研究主要通过有限元分析软件仿真及剖面分析，有限元分析是通过在软件里设定TSV结构各层材料的性能参数，进行划分网格来计算得到通孔各个方向的应力分布，这与实际的应力分布往往有一定的差异，而剖面分析是沿TSV剖面切割后利用测试设备进行热处理过程的应力量测，这本身对TSV产生破坏，且TSV剖面结构分析并不能体现完整TSV结构热应力状况。也有文献报道采用微型拉曼光谱仪对硅通孔表面的热应力分布进行分析，众所周知，通孔结构的应力主要集中在通孔内部，而表面的热应力大部分往往得到释放，仅仅分析表面的热应力是远远不够的。另外，多晶硅与单晶硅类似，同样存在压阻效应，其电阻率(或电阻)相对变化值与应力有一定的线性关系，且多晶硅电阻沿纵向的灵敏度要远远大于横向的，因此，本发明将多晶硅电阻制作在通孔侧壁上，且保持电阻纵向与通孔的轴向同向，忽略径向应力项，可以利用多晶硅的压阻效应，计算TSV的轴向应力大小。
[0005]鉴于以上所述，本发明提供一种多晶硅应力传感器及其制作方法，通过利用多晶硅的压阻效应来监测硅孔结构的轴向应力大小。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多晶硅应力传感器及其制作方法，用于解决现有技术中硅孔结构轴向应力难以检测等问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多晶硅应力传感器，至少包括:
[0008]硅衬底；
[0009]娃孔结构,形成于所述娃衬底中；
[0010]第一阻挡层，覆盖于所述硅衬底正表面及所述硅孔结构的上部侧壁；
[0011]多晶硅层，形成于所述第一阻挡层表面、及所述硅孔结构的下部侧壁及底部；
[0012]第二阻挡层，覆盖于所述多晶硅层表面；
[0013]电极结构，包括用于引出所述多晶硅层的第一电极以及用于引出所述硅衬底的第二电极。
[0014]作为本发明的多晶娃应力传感器的一种优选方案，所述娃衬底为P型掺杂或N型掺杂，掺杂浓度为118?102°/cm3，且所述多晶硅层的掺杂类型与所述硅衬底的掺杂类型相同。
[0015]作为本发明的多晶娃应力传感器的一种优选方案，所述娃孔结构的孔径为5?50微米，深度为35?50微米。
[0016]作为本发明的多晶娃应力传感器的一种优选方案，所述第一阻挡层为氧化娃或氮化硅，厚度为0.3?0.5微米。
[0017]作为本发明的多晶娃应力传感器的一种优选方案，所述多晶娃层的厚度为0.5?2微米。
[0018]作为本发明的多晶硅应力传感器的一种优选方案，所述第一电极及第二电极均制作于所述娃衬底的正表面上。
[0019]作为本发明的多晶硅应力传感器的一种优选方案，通过所述硅孔结构内的多晶硅层测量所得的应力为所述硅孔结构的轴向内部应力。
[0020]本发明还提供一种多晶硅应力传感器的制造方法，包括步骤:
[0021]I)提供一娃衬底，于所述娃衬底中刻蚀出具有第一深度的娃孔结构；
[0022]2)于所述硅衬底表面及硅孔结构表面形成第一阻挡层；
[0023]3)去除所述硅孔结构底部的第一阻挡层，将所述硅孔结构刻蚀至第二深度；
[0024]4)于所述第一阻挡层表面、及所述硅孔结构的下部侧壁及底部形成多晶硅层；
[0025]5)于所述多晶硅层表面形成第二阻挡层；
[0026]6)制作用于引出所述多晶硅层的第一电极以及用于引出所述硅衬底的第二电极。
[0027]作为本发明的多晶娃应力传感器的制造方法的一种优选方案，所述娃衬底为P型掺杂或N型掺杂，掺杂浓度为118?102°/cm3，且所述多晶硅的掺杂类型与所述硅衬底的掺杂类型相同。
[0028]作为本发明的多晶硅应力传感器的制造方法的一种优选方案，步骤4)包括以下步骤:
[0029]4-1)采用低压化学气相沉积工艺于所述第一阻挡层表面、及所述硅孔结构的下部侧壁及底部形成多晶硅层，所述多晶硅层的厚度为0.5?2微米；
[0030]4-2)采用高温扩散工艺实现所述多晶硅层掺杂，掺杂扩散温度为800?1100°C，时间20?60分钟。
[0031]作为本发明的多晶娃应力传感器的制造方法的一种优选方案，所述第一深度为30?40微米，第二深度为35?50微米，所述硅孔结构的孔径为5?50微米。
[0032]作为本发明的多晶娃应力传感器的制造方法的一种优选方案，所述第一电极及第二电极均制作于所述娃衬底的正表面上。
[0033]如上所述，本发明提供一种多晶硅应力传感器及其制作方法，所述多晶硅应力传感器至少包括:硅衬底；硅孔结构，形成于所述硅衬底中；第一阻挡层，覆盖于所述硅衬底正表面及所述硅孔结构的上部侧壁；多晶硅层，形成于所述第一阻挡层表面、及所述硅孔结构的下部侧壁及底部；第二阻挡层，覆盖于所述多晶硅层表面；电极结构，包括用于引出所述多晶硅层的第一电极以及用于引出所述硅衬底的第二电极。本发明将多晶硅力敏电阻制作在盲孔或通孔的侧壁上，并通过衬底硅的连接作用，实现力敏电阻两端引线及焊盘在硅片正面的制作，同时本发明利用多晶硅电阻在孔内部的轴向力敏度远大于径向灵敏度，可用于对盲孔电镀填铜、通孔热处理过程引入的内部轴向应力的测量，本发明制作的多晶硅力敏电阻作为硅孔结构的一部分，对硅孔结构无破坏作用，同时又能实现对硅孔结构内部应力的监测。
【附图说明】
[0034]图1显示为硅孔结构的应力简化分布图，包含轴向应力及径向应力。
[0035]图2显示为本发明的多晶硅应力传感器的结构示意图。
[0036]图3?图9显示为本发明的多晶硅应力传感器的制造方法各步骤所呈现的结构示意图。
[0037]图10显示为本发明的用于监测电镀铜填充硅孔结构引入轴向应力的方法所采用的结构示意图。
[0038]图11显示为本发明的用于监测硅孔结构在背面减薄形成硅通孔过程中产生的轴向应力的方法所采用的结构示意图。
[0039]图12显示为本发明的用于监测硅孔结构在倒装过程产生轴向应力的方法所采用的结构示意图。
[0040]元件标号说明
[0041]101 硅衬底
[0042]102 硅孔结构
[0043]103 第一阻挡层
[0044]104