一种具有内部限位环的硅通孔互连结构及其形成方法与流程

本发明涉及微电子封装领域，具体涉及一种具有内部限位环的硅通孔互连结构及其形成方法。

背景技术：

随着微机电系统不断向小型化、高密度和三维堆叠技术的发展，利用硅通孔制作的互连技术已成为半导体行业先进的技术之一。硅通孔互连技术是一项高密度封装技术，正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术，被认为是第四代封装技术。所谓硅通孔互连技术是通过硅晶片的通孔建立了从硅晶片的正面到背面的垂直电连接，从而实现了芯片与芯片、晶圆与晶圆多层堆叠之间的垂直导通，极大提高了封装密度和自由度，为三维堆叠技术提供了一种方法。这种技术不仅可以用在微电子领域，而且还可以用在机械、声学、流体、光电子、生物医学等领域。由于压力传感器、加速度计和陀螺仪、投射式微镜、喷墨打印头等快速增长的市场需求，这种新技术通常开发在单独的芯片上。

硅通孔直径通常为数十微米，深宽比最高可达50，通常以铜作为填充料。由于当前种子层的制作技术还不够完善，无法实现深孔的种子层沉积，导致当前的金属填充方式制作的硅通孔结构还无法满足mems封装的需要。同时由于硅通孔填充的铜金属层与孔外硅材料之间存在热膨胀系数(cte)失配的问题，当器件中硅通孔互连结构区域热量增加时(热量可来自服役中作为信号通道的硅通孔互连结构自发热，也可来自环境热源)，由于硅通孔互连结构区域中材料热膨胀系数失配导致的热机械应力进一步加剧，通常表现为铜金属层胀出，增加芯片局部出现分层的风险，最终可能会导致器件失效。因此，深孔金属填充的实现以及减小硅通孔热应力带来的损害是亟待解决的问题。

为了解决上述问题，目前都是考虑以外部散热的方式来降低硅通孔互连结构周围的温度，从而降低热膨胀系数失配的程度。然而，外部散热的方法成本较高，并且散热效果不理想。因此，开发一种散热效果更好，通孔填充更深，成本更低的硅通孔互连结构制作工艺是十分有必要的，避免硅通孔填充的铜金属层受热后向外膨胀破坏芯片之间的连接点。

技术实现要素：

为了有效解决上述背景技术问题的不足，通过分步深硅刻蚀的工艺在通孔内部形成内部限位环结构来代替传统的刻蚀工艺，通过双面盲孔电镀工艺将通孔金属完全填充，设计了一种具有内部限位环的硅通孔结构制作工艺。内部限位环结构可以在高温环境下有效地固定填充金属，具体是温度导致金属膨胀，内部限位环结构将金属固定，避免金属脱离硅通孔，从而延长高温环境下芯片的寿命。

一种具有内部限位环的硅通孔互连结构，可长期稳定工作在300℃的高温环境中，所述硅通孔互连结构包括：

衬底，所述衬底上开设有至少一个通孔；

第一绝缘层，所述第一绝缘层设置在所述衬底的上端面和下端面上；

第二绝缘层，所述第二绝缘层设置在所述通孔的内壁上；

种子层，所述种子层设置在所述通孔内第二绝缘层的表面；

金属层，所述金属层填充设置在种子层内侧；

以及设置在所述通孔，第二绝缘层，种子层和金属层上的限位部。

可选地，所述限位部包括：设置在所述通孔内壁上的第一凹陷部，所述通孔内壁设置有至少一个环形的第一凹陷部，设置在所述第二绝缘层上的第二凹陷部，设置在所述种子层上的第三凹陷部以及设置在所述第金属层上的限位环。

可选地，所述第二凹陷部对应所述通孔的第一凹陷部位置设置并且形状适配第一凹陷部，所述第三凹陷部对应所述第二绝缘层的的第二凹陷部位置设置并且形状适配第二凹陷部，所述限位环对应所述种子层的第三凹陷部的位置设置并且形状适配第三凹陷部。

可选地，所述通孔呈阵列式分布，所述通孔的阵列式分布排布包括：圆形、环形、扇形、矩形、平行四边形或梯形排布。

可选地，所述第一凹陷部均匀的排布在通孔内壁的上部、中部和/或下部。

可选地，所述第一凹陷部非均匀的排布在通孔内壁，所述第一凹陷部为对称或非对称结构。

可选地，所述限位环一体成形在所述金属层表面，所述限位环数量至少为一个，所述限位环为对称或非对称结构。

一种具有内部限位环的硅通孔互连结构形成方法，所述方法包括以下步骤：

s1、提供半导体衬底，使用深硅刻蚀工艺在衬底表面进行刻蚀制作盲孔，在刻蚀过程中采用分步深硅刻蚀工艺形成第一凹陷部；

s2、使用干湿干氧化工艺在所述衬底表面及通孔分别制作第一绝缘层和第二绝缘层；

s3、使用磁控溅射工艺在通孔内的第二绝缘层表面沉积种子层；

s4、使用双面盲孔电镀工艺对通孔内种子层内部的空间进行填充形成金属层；

s5、使用化学机械抛光工艺将衬底两个端面的金属层去除，使端面平整。

可选地，所述步骤s1中分步深硅刻蚀工艺具体为：使用bosch工艺对完成光刻工艺的衬底进行深硅刻蚀，根据刻蚀的目标深度与刻蚀设备的刻蚀速率设定刻蚀时间，通过多次、分段地刻蚀使刻蚀深度达到设定值，每次在深硅刻蚀完成后将刻蚀腔室内残留的气体完全排出，并进行短暂等待后再进行下一次刻蚀，重复上述步骤直至达到目标深度后停止。

可选地，所述步骤s4双面盲孔电镀工艺包括以下步骤：

s4.1、使用电镀工艺将金属材料从衬底的一端面对盲孔进行填充；

s4.2、使用减薄抛光工艺使衬底另一端面的盲孔漏出；

s4.3、使用电镀工艺将金属材料从衬底的另一端面对盲孔进行填充，使两个端面填充的金属柱形成一个整体。

本发明的有益效果在于，本发明通过多次深硅刻蚀在通孔内形成独特的限位环结构，使得该通孔互连结构对金属柱有较高的附着能力，极大地减小热应力影响，可长期稳定工作在300℃的高温环境中，适用于各种工作于高温环境的芯片的电学互连，利用双面盲孔电镀实现深孔的安全填充使得制作的通孔互连结构达到200μm以上的深度，可以广泛地应用于mems封装、集成电路器件的三维封装等。

本发明工艺简单，成本较低，可靠性高，制作的硅通孔结构由于内部限位环的存在，有较高的热机械可靠性，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明硅通孔互连结构外部示意图；

图2为本发明硅通孔互连结构内部示意图；

图3为本发明硅通孔内多个限位环结构示意图；

图4为本发明硅通孔互连结构仰视示意图；

图5为本发明硅通孔互连结构局部放大结构示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

1-衬底；2、3-第一绝缘层；8、9-第二绝缘层；4、6、7-种子层；5-金属层；10、11、12-限位环；13-通孔；14-第一凹陷部；15-第二凹陷部；16-第三凹陷部。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-2所示，为本发明第一实施例的外观立体图，提供一种具有内部限位环的硅通孔互连结构，可长期稳定工作在300℃的高温环境中，所述硅通孔互连结构包括：

衬底1，所述衬底1上开设有至少一个通孔13；

第一绝缘层2、3，所述第一绝缘层2、3设置在所述衬底1的上端面和下端面上；

第二绝缘层8、9，所述第二绝缘层8、9设置在所述通孔13的内壁上；

种子层4、6、7，所述种子层4、6、7设置在所述通孔13内第二绝缘层8、9的表面；

金属层5，所述金属层5填充设置在种子层4、6、7内侧；

以及设置在所述通孔13，第二绝缘层8、9，种子层4、6、7和金属层5上的限位部。

如图2、3、5所示，所述限位部包括：设置在所述通孔13内壁上的第一凹陷部14，所述通孔13内壁设置有至少一个环形的第一凹陷部14，设置在所述第二绝缘层8、9上的第二凹陷部15，设置在所述种子层4、6、7上的第三凹陷部16以及设置在所述第金属层5上的限位环10、11、12。

如图2、3、5所示，所述第二凹陷部15对应所述通孔13的第一凹陷部14位置设置并且形状适配第一凹陷部14，所述第三凹陷部16对应所述第二绝缘层8、9的的第二凹陷部15位置设置并且形状适配第二凹陷部15，所述限位环10、11、12对应所述种子层4、6、7的第三凹陷部16的位置设置并且形状适配第三凹陷部16。

如图1所示，所述衬底1整体可以为任意立体几何形状，包括：圆柱体、立方体、长方体等形状，并不做具体限定，本发明附图中，仅示出了长方体结构。

如图1所示，所述衬底1上设置的通孔13，用于制作硅通孔互连结构，所述通孔13形状包括但不限于：圆形、矩形或平行四边形。所述通孔13也可呈阵列式分布，所述通孔13的阵列式分布排布为圆形、环形、扇形、矩形、平行四边形或梯形排布。所述衬底1材料可采用si材料，优选的，所述衬底1采用高阻硅作为制作材料。所述通孔13内部由外向内依次由第二绝缘层8、9，种子层4、6、7，金属层5填充。

如图2、3、5所示，所述第一凹陷部14通过分布刻蚀工艺形成在所述通孔13内壁上。所述第一凹陷部14可以均匀的排布在通孔13内壁的上部、中部和/或下部。所述第一凹陷部14也可以非均匀的排布在通孔13内壁。所述第一凹陷部14可以为一个、两个或多个。所述第一凹陷部14形状包括但不限于为适配通孔13截面形状的圆形、矩形或平行四边形。所述第一凹陷部14在通孔13内的分布可以是对称的，也可以是非对称的。

如图2、3、5所示，所述第一绝缘层2、3和第二绝缘层8、9通过高热氧化工艺附着在所述衬底1上，高温热氧化工艺形成的第一绝缘层2、3和第二绝缘层8、9可以紧密附着在衬底1表面，不易脱落，同时可以完全覆盖通孔13内部。优选的，所述第一绝缘层2、3通过干湿干氧化工艺形成在衬底1的上端面及下端面上，所述第二绝缘层8、9通过干湿干氧化工艺形成在通孔13的内壁上。所述第一绝缘层2、3和第二绝缘层8、9可采用sio2、sin、sion或其他低k材料。所述第一绝缘层2、3和第二绝缘层8、9的覆盖使得衬底1绝缘，同时对衬底1提供一定的保护。

由于所述衬底1的通孔13内具有第一凹陷部14，所述第二绝缘层8、9形成在通孔13内壁时，会附着在所述第一凹陷部14内壁，形成适配第一凹陷部14形状的第二凹陷部15。

如图2、3、5所示，所述种子层4、6、7可通过磁控溅射工艺附着在所述第二绝缘层8、9表面，所述种子层4、6、7可采用包括tan、ta、tin、ti材料中的一种或多种。由于所述第二绝缘层8、9上具有第二凹陷部15，所述种子层4、6、7形成在第二绝缘层8、9上时，会附着在所述第二凹陷部15内壁，形成适配第二凹陷部15形状的第三凹陷部16。

如图2-5所示，所述金属层5完全填充在所述第二绝缘层8、9与种子层4、6、7共同界定的圆环形环形空间内，所述金属层5可通过双面盲孔电镀工艺形成，所述金属层5沉积填充在所述种子层4、6、7内侧。所述金属层5可采用cu、al或w材料。过双面盲孔电镀工艺，可以实现深孔的金属填充，增大可填充金属的厚度，同样增加完成硅通孔结构后硅片衬底1的厚度，使其可以满足mems封装对硅片衬底1的可靠性要求；

如图2、3、5所示，所述限位环10、11、12一体成形在所述金属层5表面，由于所述种子层4、6、7上具有第三凹陷部16，所述金属层5在种子层4、6、7内部的形成过程中，金属层5会将所述第三凹陷部16完全填充，使金属层5表面形成适配第三凹陷部16形状的环状限位凸起。所述限位环10、11、12适配所述第三凹陷部16，可以为一个或多个，所述限位环10、11、12可以为对称分布，也可以为不对称分布。所述限位环10、11、12能够提高金属层5在通孔13内的固定性，实现更优的效果。

当芯片处于高温环境中，由于各部分组成材料的性能不同，会导致热失配产生，硅通孔互连结构内金属层5膨胀，由于内部具有第一凹陷部14、第二凹陷部15、第三凹陷部16和限位环10、11、12的存在，使得金属层5被固定在硅通孔互连结构中无法脱离，提高了芯片在高温环境下的工作时间和工作温度上限，确保了芯片各部分的电学互连，从而使芯片长期稳定工作于高温环境中。

一种具有内部限位环的硅通孔互连结构形成方法，所述方法包括以下步骤：

s1、提供半导体衬底，使用深硅刻蚀工艺在衬底表面进行刻蚀制作盲孔，在刻蚀过程中采用分步深硅刻蚀工艺形成第一凹陷部；

s2、使用干湿干氧化工艺在所述衬底表面及盲孔内分别制作第一绝缘层和第二绝缘层；

s3、使用磁控溅射工艺在盲孔内的第二绝缘层表面沉积种子层；

s4、使用双面盲孔电镀工艺对盲孔内种子层内部的空间进行填充形成金属层；

s5、使用化学机械抛光工艺将衬底两个端面的金属层去除，使端面平整。

所述步骤s1中深硅刻蚀工艺具体为：使用bosch工艺对完成光刻工艺的衬底进行常规的深硅刻蚀。

所述步骤s1中分步深硅刻蚀工艺具体为：使用bosch工艺对完成光刻工艺的衬底进行深硅刻蚀，根据刻蚀的目标深度与刻蚀设备的刻蚀速率设定刻蚀时间，通过多次、分段地刻蚀使刻蚀深度达到设定值，每次在深硅刻蚀完成后将刻蚀腔室内残留的气体完全排出，并进行短暂等待后再进行下一次刻蚀，重复上述步骤直至达到目标深度后停止。

所述分步深硅刻蚀工艺可以分为两步、三步或多步深硅刻蚀对衬底1进行刻蚀。

所述步骤s4双面盲孔电镀工艺包括以下步骤：

s4.1、使用电镀工艺将金属材料从衬底的一端面对盲孔进行填充；

s4.2、使用减薄抛光工艺使衬底另一端面的盲孔漏出；

s4.3、使用电镀工艺将金属材料从衬底的另一端面对盲孔进行填充，使两个端面填充的金属柱形成一个整体。

所述金属材料包括：cu、al或w材料。

所述硅通孔互连结构使用双面盲孔电镀的方法进行填充时，两次电镀时通孔13底部都处于密闭状态，整体呈一端开口状。

本发明原理是：

利用bosch工艺每次刻蚀都会扩大刻蚀窗口的特点，将一次深硅刻蚀达到目标深度替换为多次深硅刻蚀达到目标深度，相邻两次深硅刻蚀之间便会形成向内凹陷的环形结构，在完成金属填充后形成的金属层便会嵌入通孔内。硅通孔结构通过分步深硅刻蚀方法形成内部限位环结构，提高了对填充金属的固定能力，极大地减少了热应力对结构的损伤，延长了硅通孔结构在高温环境下的工作时间，可应用于极其恶劣的高温工作环境，提高了芯片的高温可靠性，从而提高了芯片的工作寿命，是十分理想的耐高温硅通孔结构。

本发明有益效果在于：

本发明通过多次深硅刻蚀在通孔内形成独特的限位环结构，使得该通孔互连结构对金属柱有较高的附着能力，极大地减小热应力影响，可长期稳定工作在300℃的高温环境中，适用于各种工作于高温环境的芯片的电学互连，利用双面盲孔电镀实现深孔的安全填充使得制作的通孔互连结构达到200μm以上的深度，可以广泛地应用于mems封装、集成电路器件的三维封装等。

本发明工艺简单，成本较低，可靠性高，制作的硅通孔结构由于内部限位环的存在，有较高的热机械可靠性，具有很高的实用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。