专利名称：硅通孔结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种硅通孔结构及其制造方法。
背景技术：
硅通孔技术是一种热门的封装技术，其主要技术流程为硅片减薄、刻蚀硅通孔、导电物质填充硅通孔以及微封盖与带硅通孔硅片的键合。目前的硅通孔结构存在一些问题第一，刻蚀硅通孔会对硅片造成损伤，造成硅片结构破坏，而且刻蚀出垂直且侧壁形貌良好(平滑且孔径一致)的硅通孔技术难度大，难以实现，硅通孔的不良形状和形貌对封装器件性能的有很大影响；第二，填充硅通孔的导电物质主要是金属(比如铜和钨)，它们和硅的热膨胀系数不同，因此在有电流通过时金属和硅之间存在热应力，严重地造成硅片开裂，从而降低真空封装的可靠性和寿命。相应的，目前硅通孔的制造方法也存在以下问题第一，硅通孔刻蚀工艺一致性难解决，刻蚀时间长，而且容易造成硅片破坏，降低了成品率；第二，用导电物质填充硅通孔前需要对硅通孔侧壁进行绝缘处理，由于硅通孔的侧壁形貌并不是完全平滑和垂直，因此难保证真个硅通孔侧壁均能实现良好绝缘；第三，导电物质填充硅通孔一般是电镀或者化学气相沉积铜、钨等金属实现的，但是目前这种填充方法容易产生空隙，对封装器件的电性能和封装的气密性保持造成不利影响；第四，无论是刻蚀硅通孔还是导电物质填充工艺，工艺步骤繁琐，耗时间长，影响了制造效率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种硅通孔结构，其制造工艺简单，同时可提高真空封装的可靠性和寿命。本发明的另一个目的在于提供一种硅通孔结构的制造方法，其制造工艺简单，可避免刻蚀、绝缘处理等工艺对硅片的破坏，并能够提高制造硅通孔结构的成品率。本发明的技术方案如下一种硅通孔结构，其形成于硅片上，并包括掺杂粒子构成的导电区和绝缘区，其特征在于绝缘区与导电区掺杂的粒子的极性相反，导电区表面覆盖有金属电极，硅片的表面除金属电极之外的区域覆盖有绝缘层。一种硅通孔结构的制造方法，包括以下步骤将硅片的厚度减薄至5微米至20微米；去除硅片表面的所有绝缘层；在硅片的导电区表面和绝缘区表面制作掺杂掩膜，以对导电区和绝缘区分别进行粒子掺杂，绝缘区与导电区掺杂的粒子的极性相反；在粒子掺杂完成后去除掺杂掩膜；在导电区表面覆盖金属电极；在硅片的表面除金属电极之外的区域覆盖绝缘层。采用化学机械抛光、机械磨削或湿法腐蚀对硅片进行减薄。去除硅片表面的所有绝缘层的步骤包括清洗硅片，以去除其表面的灰尘、颗粒等杂质；通过刻蚀工艺去除硅片表面的所有绝缘层。
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对导电区进行粒子掺杂的步骤包括在硅片表面上覆盖一层光刻胶或金属；去除硅片的导电区表面上覆盖的光刻胶或金属；对硅片的导电区进行粒子掺杂。对绝缘区进行粒子掺杂的步骤包括在硅片表面上覆盖一层光刻胶或金属；去除硅片的绝缘区表面上覆盖的光刻胶或金属；对硅片的绝缘区进行粒子掺杂。在导电区表面覆盖金属电极的步骤包括在硅片表面上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除硅片的导电区表面的光刻胶；在硅片表面上覆盖一层金属；剥离硅片表面的剩余光刻胶。在导电区表面覆盖金属电极的步骤还可包括在硅片表面上覆盖一层金属；在金属上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除硅片的导电区表面之外的光刻胶；通过刻蚀工艺去除硅片的导电区表面之外的金属；去除硅片表面的剩余光刻胶。在硅片的表面除金属电极之外的区域覆盖绝缘层的步骤包括在硅片表面上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除硅片的导电区表面之外的光刻胶；在硅片表面上覆盖绝缘层；剥离硅片表面的剩余光刻胶。在硅片的表面除金属电极之外的区域覆盖绝缘层的步骤还可包括在硅片表面上覆盖一层金属；在金属上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除硅片的导电区表面的光刻胶；通过刻蚀工艺去除硅片的导电区表面的绝缘层；去除硅片表面的剩余光刻胶。本发明硅通孔结构的优点在于通过粒子掺杂方式形成硅通孔结构的导电区和绝缘区，导电区和绝缘区的基体都还是硅片本身，避免了目前硅通孔技术中金属和硅片热膨胀系数不同造成的热应力问题，能够提高器件的可靠性和寿命；同时，由于本发明硅通孔结构实际上的硅通孔已经被经过粒子掺杂的导电区和绝缘区代替，硅通孔结构不存在漏气的问题，其良好的气密性能使其能够运用于真空封装领域并提高封装的气密性保持寿命。本发明硅通孔结构的制造方法的优点在于与目前主流的硅通孔制造技术相比， 本发明不需要对硅片进行硅通孔刻蚀、也不需要硅通孔侧壁绝缘处理、粘附层、阻挡层金属溅射、硅通孔电镀或者化学气相沉积等填充工艺，降低了工艺难度，提高了制造效率，同时避免了刻蚀、绝缘处理等工艺对硅片的破坏，从而能够提高制造硅通孔结构的成品率。
图1为本发明硅通孔结构的示意图。图2为图1的剖视图。图3为本发明硅通孔结构的制造方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述。如图1、图2所示，本发明的硅通孔结构形成于硅片1上，并包括掺杂粒子构成的导电区2和绝缘区3。导电区2表面覆盖有金属电极4，硅片的表面除金属电极4之外的区域覆盖有绝缘层5。绝缘区3与导电区2掺杂的粒子的极性相反。如图3所示，本发明硅通孔的制造方法包括以下步骤(1)将硅片的厚度减薄至5微米至20微米；
(2)去除硅片表面的所有绝缘层；(3)在硅片的导电区表面和绝缘区表面制作掺杂掩膜，以对导电区和绝缘区分别进行粒子掺杂，绝缘区与导电区掺杂的粒子的极性相反；(4)在粒子掺杂完成后去除掺杂掩膜；
(5)在导电区表面覆盖金属电极；(6)在硅片的表面除金属电极之外的区域覆盖绝缘层。在步骤(1)中，是采用化学机械抛光、机械磨削或湿法腐蚀对硅片进行减薄。步骤(2)进一步包括以下子步骤(21)清洗硅片，以去除其表面的灰尘、颗粒等杂质；(22)通过刻蚀工艺去除硅片表面的所有绝缘层。在本实施方式中，刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀。步骤(3)中，对导电区进行粒子掺杂的步骤包括以下子步骤(31)在硅片表面上覆盖一层光刻胶或金属；(32)通过光刻和显影去除硅片的导电区表面上覆盖的光刻胶或金属；(33)对硅片的导电区进行粒子掺杂。在步骤(32)中，若硅片表面覆盖的为光刻胶，则采用光刻和显影方法去除硅片的导电区表面上覆盖的光刻胶；若硅片表面覆盖的为金属，则采用光刻、显影以及刻蚀方法去除硅片的导电区表面上覆盖的金属。步骤(3)中，对绝缘区进行粒子掺杂的步骤包括以下子步骤(34)在硅片表面上覆盖一层光刻胶或金属；(35)去除硅片的绝缘区表面上覆盖的光刻胶或金属；(36)对硅片的绝缘区进行粒子掺杂。在步骤(35)中，若硅片表面覆盖的为光刻胶，则采用光刻和显影方法去除硅片的绝缘区表面上覆盖的光刻胶；若硅片表面覆盖的为金属，则采用光刻、显影以及刻蚀方法去除硅片的绝缘区表面上覆盖的金属。掺杂的粒子为三价元素和五价元素中的一种或多种，掺杂掩膜是由光刻胶或金属制成。步骤( 进一步包括以下子步骤(51)在硅片表面上覆盖一层光刻胶；(52)通过光刻和显影去除硅片的导电区表面的光刻胶；(53)在硅片表面上覆盖一层金属；(54)剥离硅片表面的剩余光刻胶。或者，步骤(5)可包括以下子步骤(51，)在硅片表面上覆盖一层金属；(52’ )在金属上覆盖一层光刻胶；(53’ )通过光刻和显影去除硅片的导电区表面之外的光刻胶；(54’ )通过刻蚀工艺去除硅片的导电区表面之外的金属；(55’ )去除硅片表面的剩余光刻胶。步骤(6)进一步包括以下子步骤
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(61)在硅片表面上覆盖一层光刻胶；(62)通过光刻和显影去除硅片的导电区表面之外的光刻胶；(63)在硅片表面上覆盖绝缘层；(64)剥离硅片表面的剩余光刻胶。或者，步骤(6)可包括以下子步骤(61，)在硅片表面上覆盖绝缘层；(62’ )在绝缘层上覆盖一层光刻胶；(63’ )通过光刻和显影去除硅片的导电区表面的光刻胶；(64’ )通过刻蚀工艺去除硅片的导电区表面的绝缘层；(65’ )去除硅片表面的剩余光刻胶。在本实施方式中，绝缘层是由氮化硅或二氧化硅制成。示例1 首先，通过化学机械抛光将硅片1双面抛光减薄到5微米厚。其后，清洗硅片1，以去除其表面的灰尘、颗粒等杂质，通过反应离子刻蚀去除硅片 1表面的所有绝缘层。其后，在硅片1表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1导电区2表面上覆盖的光刻胶，用硅片1上剩余的光刻胶作掺杂掩膜，通过离子注入对导电区2掺杂五价元素磷。其后，粒子掺杂完成后去除硅片1表面的光刻胶。其后，在硅片1表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1的绝缘区3表面上覆盖的光刻胶，用硅片1上剩余的光刻胶作掺杂掩膜，通过离子注入对绝缘区3掺杂三价元素硼。其后，粒子掺杂完成后去除硅片1表面的光刻胶。其后，在硅片1表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片的导电区2表面的光刻胶，然后在硅片1上表面溅射一层金属铜，剥离硅片1表面的光刻胶。最后，在硅片上1表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1的导电区2 表面之外的光刻胶，在硅片1上表面通过低压化学气相沉积生长二氧化硅绝缘层5，剥离硅片1表面的剩余光刻胶。示例 2 首先，通过机械磨削将硅片1双面抛光减薄到20微米厚。其后，清洗硅片1，以去除其表面的灰尘、颗粒等杂质，通过氢氟酸酸进行湿法刻蚀，以去除硅片1表面的所有绝缘层。其后，在硅片1表面上溅射一层钛，在钛层上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1导电区2表面上覆盖的光刻胶，用感应离子耦合刻蚀工艺去除硅片1导电区2表面上的钛，以硅片1上剩余的钛作掺杂掩膜，通过热扩散工艺对导电区2掺杂三价元素硼。其后，粒子掺杂完成后去除硅片1表面的钛。其后，在硅片1表面上溅射一层钛，在钛层上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1绝缘区3表面上覆盖的光刻胶，用感应离子耦合刻蚀工艺去除硅片1绝缘区3表面上的钛，以硅片1上剩余的钛作掺杂掩膜，通过热扩散工艺对绝缘区3掺杂五价元素磷。
其后，粒子掺杂完成后去除硅片1表面的钛。其后，在硅片1表面上溅射一层钛，在钛层上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1导电区2表面之外覆盖的光刻胶，通过感应离子耦合刻蚀工艺去除硅片导电区2 表面之外的钛，剥离硅片1表面的光刻胶。最后，在硅片上1表面上覆盖绝缘层，在绝缘层上覆盖一层光刻胶，通过光刻和显影去除硅片1的导电区2表面上的光刻胶，通过感应离子耦合刻蚀工艺去除硅片的导电区 2表面的绝缘层，剥离硅片1表面的剩余光刻胶。
权利要求
1.一种硅通孔结构，其形成于硅片上，并包括掺杂粒子构成的导电区和绝缘区，其特征在于所述绝缘区与所述导电区掺杂的粒子的极性相反，所述导电区表面覆盖有金属电极， 所述硅片的表面除所述金属电极之外的区域覆盖有绝缘层。
2.—种硅通孔结构的制造方法，包括以下步骤 将硅片的厚度减薄至5微米至20微米；去除所述硅片表面的所有绝缘层；在所述硅片的导电区表面和绝缘区表面制作掺杂掩膜，以对所述导电区和所述绝缘区分别进行粒子掺杂，所述绝缘区与所述导电区掺杂的粒子的极性相反； 在粒子掺杂完成后去除所述掺杂掩膜； 在所述导电区表面覆盖金属电极；在所述硅片的表面除所述金属电极之外的区域覆盖绝缘层。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于采用化学机械抛光、机械磨削或湿法腐蚀对所述硅片进行减薄。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述去除所述硅片表面的所有绝缘层的步骤包括清洗所述硅片，以去除其表面的灰尘、颗粒等杂质； 通过刻蚀工艺去除所述硅片表面的所有绝缘层。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述对所述导电区进行粒子掺杂的步骤包括在所述硅片表面上覆盖一层光刻胶或金属； 去除所述硅片的导电区表面上覆盖的光刻胶或金属； 对所述硅片的导电区进行粒子掺杂。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述对所述绝缘区进行粒子掺杂的步骤包括在所述硅片表面上覆盖一层光刻胶或金属； 去除所述硅片的绝缘区表面上覆盖的光刻胶或金属； 对所述硅片的绝缘区进行粒子掺杂。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述导电区表面覆盖金属电极的步骤包括在所述硅片表面上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除所述硅片的导电区表面的光刻胶；在所述硅片表面上覆盖一层金属；剥离所述硅片表面的剩余光刻胶。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述导电区表面覆盖金属电极的步骤包括在所述硅片表面上覆盖一层金属； 在所述金属上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除所述硅片的导电区表面之外的光刻胶； 通过刻蚀工艺去除所述硅片的导电区表面之外的金属；去除所述硅片表面的剩余光刻胶。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述在所述硅片的表面除所述金属电极之外的区域覆盖绝缘层的步骤包括在所述硅片表面上覆盖一层光刻胶；通过光刻和显影去除所述硅片的导电区表面之外的光刻胶；在所述硅片表面上覆盖绝缘层；剥离所述硅片1表面的剩余光刻胶。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述在所述硅片的表面除所述金属电极之外的区域覆盖绝缘层的步骤包括在所述硅片表面上覆盖绝缘层； 在所述绝缘层上覆盖一层光刻胶； 通过光刻和显影去除所述硅片的导电区表面的光刻胶； 通过刻蚀工艺去除所述硅片的导电区表面的绝缘层； 去除所述硅片表面的剩余光刻胶。
全文摘要
本发明公开了一种硅通孔结构的制造方法，包括以下步骤将硅片的厚度减薄至5微米至20微米；去除硅片表面的所有绝缘层；在硅片的导电区表面和绝缘区表面制作掺杂掩膜，以对导电区和绝缘区分别进行粒子掺杂，绝缘区与导电区掺杂的粒子的极性相反；在粒子掺杂完成后去除掺杂掩膜；在导电区表面覆盖金属电极；在硅片的表面除金属电极之外的区域覆盖绝缘层。本发明的方法制造工艺简单，可避免刻蚀、绝缘处理等工艺对硅片的破坏，并能够提高制造硅通孔结构的成品率。本发明还公开了一种硅通孔结构。
文档编号H01L21/768GK102420201SQ201110363430
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者刘胜, 徐明海, 徐春林, 汪学方, 王宇哲, 胡畅 申请人:华中科技大学