一种硅柱通孔互连结构及其制作方法与流程

本发明涉及微机电系统、封装领域，特别是针对硅柱通孔互连结构及其制作方法。

背景技术：

微机电系统(MEMS)，是Systems)，即微机电系统，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，然而，实现MEMS的商品化、市场化，需要对MEMS封装进行更深入、系统的研究。MEMS产品的封装形式是将其成功推向市场的关键因素，也是MEMS设计与制造中的一个关键因素，最佳的封装能使MEMS产品发挥其应有的功能。在封装技术中，气密封装可以用不透气及防水材料将器件与周围环境隔离开，并阻止器件工作寿命期间潮气的侵入，提高了MEMS器件的稳定性，延长MEMS产品的工作寿命，是理想的封装方式。

气密封装中的互连技术是为了实现气密封装内器件与外部的电路或器件的电连接。其中TSV(Through Silicon Via)技术是一种实现三维集成电路中堆叠芯片互连的技术解决方案。与过去半导体封装所使用的凸点叠加等技术不同，TSV能够使芯片在三维方向得到延伸，实现结构密度最大化和外形尺寸最小化，在提高芯片速度的同时降低其功耗。与传统的横向互连技术相比，TSV技术具备许多优势。TSV只在垂直方向进行通孔互连，连线的长度可以缩短到与芯片厚度相等，一方面缩短了信号的传输路径，减小电阻以及信号传输过程中的寄生效应和延迟时间，从而降低芯片发热量，提高芯片的高频性能；另一方面这种垂直结构减少了互连结构在芯片上的面积，缩小封装尺寸，在相同面积下形成的堆叠结构具有更高的性能和更多的功能。伴随MEMS技术的发展，许多MEMS器件基于立体结构来实现其功的信号线也较难引出，采用整片硅圆对MEMS器件进行圆片级封装，并在封装基片上制作垂直通孔用于信号互连可以解决这个问题，且不影响封装后的频率特性。

而本发明提出的硅柱通孔互连结构具有与TSV技术类似的优势，即可直接引出气密封装内引线、平面化互连、可堆叠、晶圆级封装。而硅柱通孔互连的结构与TSV不同，因此所需材料也不同。具体地说，TSV技术的通孔是电镀金属，而硅柱通孔互连结构以硅柱作为导体，不需要电镀通孔工艺，只需要在硅柱表面电镀、化学镀一层金属增强硅柱通孔导电性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅柱通孔互连结构及其制作方法，用于优化现有真空或气密封装存在较大台阶时的电连接问题，实现真空或气密封装内部结构与器件与外部直接的电连接，平面化引线连接，实现多层堆叠和晶圆级电学连接。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提采用如下技术方案：一种硅柱通孔互连结构的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)分别制作第一硅片和第二硅片；

2)将制作好的第一硅片和第二硅片对准键合以形成键合片，该键合片包括形成接触孔部分金属引线的电连接和非接触孔部分金属环的密封结构；

3)对所述第二硅片的硅柱通孔结构刻蚀，形成电连接的硅柱结构；

4)对所述键合片化学镀，在硅柱结构表面形成降低硅柱电阻的金属层。

优选地，制作所述第一硅片的具体步骤如下：

a1)提供一第一硅衬底，通过光刻、离子注入，在所述第一硅衬底上形成反型层；

a2)沉积第一绝缘层并光刻腐蚀，形成若干第一接触孔；

a3)依次沉积第一金属粘附层和第一金属层，在预设的第一接触孔处形成金属层与所述第一硅衬底的电连接，在非接触孔处金属层与所述第一硅衬底绝缘；

a4)对所述第一金属层图形化并腐蚀，形成用于电连接的第一金属接触和用于真空或气密封装的第一金属环。

优选地，制作所述第二硅片的具体步骤如下：

b1)提供一第二硅衬底，通过腐蚀衬底，在所述第二硅衬底反面形成空腔结构；

b2)在第二硅衬底的正反两面沉积第二绝缘层并光刻腐蚀，在所述第二硅衬底的正反两面形成若干第二接触孔；

b3)依次沉积第二金属粘附层和第二金属层，在预设的接触孔处形成金属层与第二硅衬底电连接，在非接触孔处金属层与第一硅衬底绝缘；

b4)对第二金属层图形化并腐蚀，形成用于电连接的第二金属接触和用于真空或气密封装的第二金属环。

本发明还提供一种硅柱通孔多层堆叠互连结构的制备方法，采用上述方法制备的硅柱通孔互连结构后，继续采用上述第二硅片的制备方法制作至少一层第三硅片，将所述第三硅片与完成的硅柱通孔互连结构键合，对所述第三硅片的硅柱通孔结构刻蚀，形成电连接的硅柱结构；在该硅柱结构表面形成降低硅柱电阻的金属层后以形成硅柱通孔多层堆叠互连结构。

本发明再提供一种硅柱通孔互连结构，该结构包括第一硅片以及与该第一硅片键合的第 二硅片；所述第一硅片和第二硅片键合后形成接触孔部分金属引线的电连接和非接触孔部分金属环的密封结构；

所述第一硅片包括形成有反型层的第一硅衬底、位于该第一硅衬底上的第一绝缘层；形成于所述第一绝缘层上的若干与第一硅衬底接触的第一接触孔；沉积于该第一接触孔内壁和部分绝缘层上的第一金属粘附层以及形成于所述第一金属粘附层上的第一金属层；

所述第二硅片包括在下表面设有空腔结构的第二硅衬底、形成于该第二硅衬底正反两面的第二绝缘层、形成于所述第二绝缘层上的若干与第二硅衬底接触的第二接触孔、沉积于该第二接触孔内壁和部分绝缘层上的第二金属粘附层以及形成于所述第二金属粘附层上的第二金属层；

刻蚀形成于第二硅片上电连接的若干硅柱结构；

形成于所述硅柱结构表面用于降低硅柱电阻的金属层。

本发明又提供一种硅柱通孔多层堆叠互连结构，该硅柱通孔多层堆叠互连结构包括键合于上述硅柱通孔互连结构上的至少一层第三硅片；所述第三硅片包括在反面设有空腔结构的第三硅衬底、形成于该第三硅衬底正反两面的第三绝缘层、形成于所述第三绝缘层上的若干与第三硅衬底接触的第三接触孔、沉积于该第三接触孔内壁和部分绝缘层上的第三金属粘附层以及形成于所述第三金属粘附层上的第三金属层；刻蚀形成于第三硅片上电连接的若干硅柱结构；形成于所述硅柱结构表面用于降低硅柱电阻的金属层。

本发明实现真空或气密封装时内部器件及结构与外部的电学互连；所述硅柱通孔外表面金属层用于降低硅柱电阻；所述固体基板上的金属层用于键合工艺，实现器件及结构的真空或气密封装。本发明通过硅柱通孔互连结构，能够优化现有真空或气密封装存在较大台阶时的电连接问题；可以实现真空或气密封装内部结构与器件与外部直接的电连接；完全平面化引线连接，可以实现多层堆叠；可以实现晶圆级的电学连接。

附图说明

图1显示了本发明硅柱通孔互连剖面图；

图2显示了本发明硅柱通孔互连俯视示意图；

图3至图11显示为本发明实施硅柱通孔互连结构制作流程图；其中，图3到图6为第一硅片的制备流程图；图7到图9为第二硅片的制备流程图；

图3显示为在第一硅衬底上光刻并离子注入形成反型层后沉积绝缘层后的示意图；

图4显示为在第一硅衬底的绝缘层部分区域光刻、刻蚀出接触孔，为金属电极和衬底电连接作准备；然后沉积金属粘附层的示意图；

图5显示为沉积金属层，覆盖金属粘附层及所述接触孔，在接触孔处形成金属层与硅衬底的电连接，在非接触孔处金属层与硅衬底绝缘；

图6显示为光刻、腐蚀依次沉积的金属层和金属粘附层，形成用于电连接的金属接触和用于真空或气密封装的金属环；

图7显示为在第二硅衬底上经过光刻、KOH腐蚀形成空腔结构；然后在正反两面沉积绝缘层的示意图；

图8显示为在第二硅衬底正反两面绝缘层部分区域光刻、刻蚀出接触孔，为金属电极和衬底电连接作准备；然后依次沉积金属粘附层和金属层，覆盖第二硅衬底及所述接触孔，在接触孔处形成金属层与基底的电连接，在非接触孔处金属层与基底绝缘；

图9显示为在第二硅衬底正反两面光刻、腐蚀沉积的金属层和粘附层，形成用于电连接的金属接触和用于真空或气密封装的金属环；

图10显示为将第一硅片与第二硅片对准键合形成键合片的示意图；

图11显示为对上述键合片中的第二硅片深刻蚀形成硅柱通孔互连结构；然后对键合片电镀或化学镀，在硅柱上形成金属层的示意图；

图12显示为硅柱通孔结构多层堆叠的结构示意图。

元件标号说明

11、11’ 第一、第二硅衬底

12 反型层

13、13’ 第一、第二绝缘层

14、14’ 第一、第二金属粘附层

15、15’ 第一、第二金属层

16 空腔结构

17 硅柱通孔结构

18 金属电镀或化学镀层

19 第一金属密封环

20 第二金属密封环

22 第一金属接触

23 第二金属接触

201、202、191、192 金属环

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明涉及一种硅柱通孔互连结构，用于实现真空或气密封装内器件与外部的电路或器件的平面化电连接。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1硅柱通孔互连剖面图和图2俯视示意图所示，本发明提供一种硅柱通孔互连结构，该结构包括第一硅片以及与该第一硅片键合的第二硅片；所述第一硅片和第二硅片键合后形成接触孔部分金属引线的电连接17(即硅柱通孔结构)和非接触孔部分金属环的密封结构；密封的两个嵌套的金属环19、20之间形成的密封腔内设有相关器件结构，本发明中对该器件结构不做赘述。所述密封腔内形成有引线接触21，该引线接触21位于反型层12上。

具体的，所述第一硅片包括形成有反型层12的第一硅衬底11、位于该第一硅衬底11上的第一绝缘层13；形成于所述第一绝缘层13上的若干与第一硅衬底接触的第一接触孔；沉积于该第一接触孔内壁和部分绝缘层上的第一金属粘附层14以及形成于所述第一金属粘附层上的第一金属层15；

所述第二硅片包括在下表面设有空腔结构16的第二硅衬底11’、形成于该第二硅衬底11’正反两面的第二绝缘层13’、形成于所述第二绝缘层13’上的若干与第二硅衬底11’接触的第二接触孔、沉积于该第二接触孔内壁和部分绝缘层上的第二金属粘附层14’以及形成于所述第二金属粘附层上的第二金属层15’；

刻蚀形成于第二硅片上电连接的若干硅柱结构17；

形成于所述硅柱结构表面用于降低硅柱电阻的金属层18。

本发明硅柱通孔互连结构的制备方法包括以下步骤：

1)分别制作第一硅片和第二硅片；

2)将制作好的第一硅片和第二硅片对准键合以形成键合片，该键合片包括形成接触孔部分金属引线的电连接和非接触孔部分金属环的密封结构；

3)对所述第二硅片的硅柱通孔结构刻蚀，形成电连接的硅柱结构17；

4)对所述键合片化学镀，在硅柱结构表面形成降低硅柱电阻的金属层18。

图3至图11显示为本发明实施硅柱通孔互连结构制作流程图；其中，图3到图6为第

一硅片的制备流程图。

制作所述第一硅片的具体步骤如下：

a1)提供一第一硅衬底11，所述第一硅衬底为N型掺杂或P型掺杂。通过光刻、离子注入，在所述第一硅衬底上的部分区域形成反型层12；接着沉积覆盖反型层12和第一硅衬底11的第一绝缘层13，具体参照图3所示。

a2)光刻腐蚀第一绝缘层，形成若干第一接触孔后沉积第一金属粘附层14；所述第一金属粘附层14覆盖所述第一绝缘层上表面和第一接触孔的内壁。其中，至少两个第一接触孔位于所述反型层两端上并与该反型层贯通，位于接触孔底面的第一金属粘附层14与所述反型层接触。如图4所示。

a3)接着沉积第一金属层15，在所述第一接触孔处形成金属填充层与所述第一硅衬底电连接，在非接触孔处的第一金属层与所述第一硅衬底绝缘；如图5所示。

a4)对所述第一金属层图形化并腐蚀，形成用于电连接的金属接触和用于真空或气密封装的金属环191和金属环201。本实施例中，金属接触包括第一金属接触22和构成硅柱结构的至少两个第二金属接触23，其中，第一金属接触22位于反型层一端上，一个第二金属接触23位于反型层另一端上，另一个第二金属接触23位于远离反型层的第一硅衬底上。所述远离反型层的第一硅衬底上第二金属接触23周围形成有金属环201。金属环191包围所述金属环201，部分金属环191位于反型层上的第一金属接触22和构成硅柱结构的一个第二金属接触23之间，另一部分金属环位于金属环201外侧。请参阅图6所示。

图7到图9为第二硅片的制备流程图，具体步骤如下：

b1)提供一第二硅衬底11’，所述第二硅衬底为N型掺杂或P型掺杂。通过腐蚀该第二硅衬底11’，在所述第二硅衬底11’反面形成空腔结构16；本实施例中的空腔为梯形，位于第一金属接触22上方。在第二硅衬底的正反两面沉积第二绝缘层13’。如图7所示。

b2)光刻腐蚀所述第二绝缘层13’，在所述第二硅衬底11’的正反两面形成对称的若干第二接触孔；所述第二接触孔与第二硅衬底接触；依次沉积第二金属粘附层14’和第二金属层15’，在接触孔处形成金属填充层，所述接触孔底面的第二金属粘附层14’与与第二硅衬底电连接，所述接触孔外的粘附层覆盖第二绝缘层13’。所述金属层15’覆盖所述金属粘附层14’以及接触孔。如图8所示。

b3)对第二硅衬底正反两面的第二金属层图形化并腐蚀，形成正反两面对称的、用于电 连接的第二金属接触和用于真空或气密封装的金属环192和202。在非接触孔处的第二金属层与第一硅衬底绝缘。该第二金属接触和第一硅片上的金属接触配合。如图9所示。

请继续参照图10所示，所述第一硅片的正面和第二硅片的反面键合，形成键合片。其中，金属环191和金属环192接触，金属环201和金属环202接触，形成嵌套的第一金属密封环19和第二金属密封环20。其中，一个金属接触位于较小金属密封环内。另一个金属接触位于较大金属密封环外。在一个金属接触位于空腔结构下方。

最后，对所述第二硅片的硅柱通孔结构刻蚀，形成电连接的硅柱结构17；接着对所述键合片化学镀或电镀，在硅柱结构17表面形成降低硅柱电阻的金属层18。所述硅柱结构17包括硅衬底，位于硅衬底两端并设有接触孔的绝缘层，填充于该接触孔内的金属粘附层和金属层以及位于该接触孔上方的金属层。如图11所示。

实施例二

请具体参阅图12所示。本发明还提供一种硅柱通孔多层堆叠互连结构的制备方法，采用实施例一制备的硅柱通孔互连结构后，继续采用上述第二硅片的制备方法制作至少一层第三硅片，将所述第三硅片与完成的硅柱通孔互连结构键合，对所述第三硅片的硅柱通孔结构刻蚀，形成电连接的硅柱结构；在该硅柱结构表面形成降低硅柱电阻的金属层后以形成硅柱通孔多层堆叠互连结构。

本发明优化真空或气密封装存在较大台阶时的电连接问题，无需打线工艺。在真空或气密封装时，将内部引线先通过金属引线或反型层连接到真空或气密封装外部，并通过硅柱直接引出；将内部引线通过硅柱直接引出并且不影响封装的气密性。该硅柱通孔连接结构完全平面化引线连接，并且此方法没有层数限制，可以无限堆叠(如图12所示)且适合晶圆级的电学连

综上所述，本发明提供一种硅柱通孔互连结构及其制作方法。此结构能够优化现有真空或气密封装存在较大台阶时的电连接问题；可以实现真空或气密封装内部结构与器件与外部直接的电连接；完全平面化引线连接，可以实现多层堆叠；可以实现晶圆级的电学连接。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。