一种硅柱通孔互连结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种硅柱通孔互连结构及其制作方法，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；所述硅柱通孔和通孔上的金属层结构用于电连接，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。本发明专利技术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。

Silicon column through hole interconnection structure and manufacturing method thereof

The present invention provides a method for silicon column via interconnect structure and fabrication, the structure includes a first silicon wafer and the first second silicon wafer bonding; seal structure of the contact hole part of metal wire is electrically connected and non contact hole part of the metal ring is formed after the first silicon and the silicon wafer second key; column through holes and via holes on the metal layer structure for electrically connecting the electrical interconnection, to achieve a vacuum or hermetic package when internal and external devices and structure; the silicon column through hole outer surface of the metal layer is used to reduce the resistance of silicon pillar; solid substrate metal layer for bonding process, device and structure vacuum packaging. The present invention by silicon column via interconnect structure, to optimize the existing vacuum packaging or are electrically connected to larger steps; can achieve a vacuum or hermetic package internal structure and external devices and direct electrical connection; completely flat wire connections, can realize multilayer; can realize the electrical connection of the wafer level.

【技术实现步骤摘要】
一种硅柱通孔互连结构及其制作方法
本专利技术涉及微机电系统、封装领域，特别是针对硅柱通孔互连结构及其制作方法。
技术介绍
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(ThroughSiliconVia)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。而本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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显示了本专利技术硅柱通孔互连剖面图；图2显示了本专利技术硅柱通孔互连俯视示意图；图3至图11显示为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅柱通孔互连结构的制备方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种硅柱通孔互连结构的制备方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的硅柱通孔互连结构的制备方法，其特征在于，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，所述第一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。3.根据权利要求1或2所述的硅柱通孔互连结构的制备方法，其特征在于，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。4.根据权利要求2或3所述的硅柱通孔互连结构的制备方法，其特征在于，所述第一硅衬底和第二硅衬底为N型掺杂或P型掺杂。5.一种硅柱通孔多层堆叠互连结构的制备方法，其特征在于：采...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，蒋万里，徐德辉，王跃林，马颖蕾，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31