一种基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法

技术领域

本发明涉及传感器制造技术领域，具体涉及一种基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法。

背景技术

硅通孔TSV(Through-Silicon Via)技术是半导体集成电路产业迈向3D封装时代的关键技术。TSV工艺将传统的芯片之间引线连接的方式彻底改变，通过在芯片晶圆上开凿微型导孔来实现上下的导通。采用TSV工艺后，封装流程就放弃了金属引线键合工艺，而增加了蚀刻和钻孔等步骤。

尽管3D封装可以通过引线键合、倒装(Flip Chip，FC)凸点等各种芯片通路键合技术实现，但TSV技术是潜在集成度最高、芯片面积/封装面积比最小、封装结构和效果最符合SiP(System in Package)封装要求、应用前景最广的3D封装技术，TSV也被称为终极三维互联技术。

TSV技术允许半导体裸片和晶圆以较高的密度垂直互连在一起，实现2D平铺转向3D堆叠，采用TSV互连技术能够实现MEMS传感器的上下电学导通，有利于实现MEMS器件与IC的多层堆叠，为高性能、高密度和低功耗芯片制程技术奠定了坚实的基础，也为半导体行业的发展和突破提供了新思路。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法，用于至少部分解决传统2D封装电学接触质量差、功耗高、占地面积广等技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法，包括：S1，在SOI晶圆的顶硅层1制作欧姆接触区7；S2，采用刻蚀出凹槽的玻璃片8与顶硅层1阳极键合；S3，将欧姆接触区7作为刻蚀阻挡层，并在SOI晶圆的背硅层2上刻蚀通孔；S4，在通孔内壁溅射二氧化硅层5；S5，采用皮秒或飞秒激光刻蚀通孔底部的二氧化硅；S6，在二氧化硅层5内壁溅射金属种子层3；S7，在金属种子层3内壁电镀金属填料层4；S8，减薄抛光背硅层2，得到MEMS传感器垂直电学互连结构。

进一步地，S5中基于皮秒或飞秒激光的能量密度、持续时间以使通孔底部的二氧化硅被刻蚀。

进一步地，S3中刻蚀通孔包括依次采用ICP刻蚀背硅层2、RIE刻蚀SOI晶圆的埋氧层6。

进一步地，顶硅层1为n型低阻硅材料，厚度为0.1um～5um。

进一步地，欧姆接触区7为p型硅材料，其采用的注入离子元素为硼。

进一步地，二氧化硅层5的厚度为20nm～1um。

进一步地，金属种子层3的厚度为50nm～1um，材料包括铜、钨。

进一步地，金属填料层4的材料包括铜、钨。

进一步地，背硅层2减薄抛光后表面粗糙度小于10nm。

进一步地，S2中阳极键合的键合气压为10

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法，采用TSV通孔技术可以完成MEMS器件垂直方向的电学互连，实现3D封装，能够节省芯片布局布线的面积，同时由于有效减少走线距离，减小了寄生电容，在降低功耗的同时增大了信号的传输频率，提高了芯片的性能。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法的流程图；

图2示意性示出了根据本发明实施例基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连的结构示意图；

图3示意性示出了根据本发明实施例MEMS传感器垂直电学互连结构中进行阳极键合的工艺流程示意图；

图4示意性示出了根据本发明实施例MEMS传感器垂直电学互连结构中进行阳极键合的工艺流程示意图；

图5示意性示出了根据本发明实施例MEMS传感器垂直电学互连结构中进行通孔制作的工艺流程示意图；

图6示意性示出了根据本发明实施例MEMS传感器垂直电学互连结构中生长金属种子层的工艺流程示意图；

图7示意性示出了根据本发明实施例MEMS传感器垂直电学互连结构中电镀金属填料层的工艺流程示意图；

附图标记说明

1 SOI顶硅层

2 SOI背硅层

3 金属种子层

4 金属填料层

5 二氧化硅层

6 SOI埋氧层

7 欧姆接触区

8 玻璃片

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的实施例提供了一种基于TSV的MEMS传感器垂直电学互连结构的制备方法，请参见图1、图2，包括：S1，在SOI晶圆的顶硅层1制作欧姆接触区7；S2，采用刻蚀出凹槽的玻璃片8与顶硅层1阳极键合；S3，将欧姆接触区7作为刻蚀阻挡层，并在SOI晶圆的背硅层2上刻蚀通孔；S4，在通孔内壁溅射二氧化硅层5；S5，采用皮秒或飞秒激光刻蚀通孔底部的二氧化硅；S6，在二氧化硅层5内壁溅射金属种子层3；S7，在金属种子层3内壁电镀金属填料层4；S8，减薄抛光背硅层2，得到MEMS传感器垂直电学互连结构。

这里欧姆接触区7与通孔内的金属填料层4形成垂直电学互连结构，玻璃片8起保护作用，防止表面被污染以及提供高真空度环境。这里玻璃可选用pyrex7740或BF33等常用于阳极键合的玻璃型号，厚度可以为100～500um，凹槽的深度为5～50微米，通过硅-玻璃阳极键合与顶硅层键合在一起。S3包括刻蚀背硅层2和刻蚀埋氧层6，先在SOI晶圆的背硅层上制备图形化的光刻胶，并作为掩模，采用BOSCH工艺刻蚀SOI晶圆的背硅层2制作通孔，刻蚀截至到埋氧层6；再刻蚀或腐蚀埋氧层6，SOI顶硅层的欧姆接触区7作为刻蚀阻挡层。采用磁控溅射，在SOI的通孔内溅射二氧化硅5作为隔离层；采用皮秒激光器对通孔底部的二氧化硅进行刻蚀；采用磁控溅射，在SOI的通孔内溅射金属填充料薄层3作为种子层；采用电镀方法在电镀液中在SOI通孔内电镀金属填充料4；采用化学机械抛光方法对SOI背硅层2进行减薄抛光。

本发明的实施方式是结合MEMS硅加工工艺，在SOI顶硅层制备出有效图形区与欧姆接触区，通过阳极键合进行正面保护，在SOI背硅层通过刻蚀制备出通孔，并且溅射二氧化硅进行侧壁保护，利用激光烧蚀底部二氧化硅，之后通孔内电镀金属，完成上下电学连接。这种结构保证了器件的完整性，减少了平面布线面积，也可以与IC互连，降低功耗，提高性能。

在上述实施例的基础上，S5中基于皮秒或飞秒激光的能量密度、持续时间以使通孔底部的二氧化硅被刻蚀。

通孔侧壁的二氧化硅充当绝缘层，起电学隔离的作用，因此只用去除底部的二氧化硅，这里采用皮秒或飞秒激光具有精度高、功率大等技术效果，并通过调节激光器发射的激光参数、持续时间来控制烧蚀的强度，其中激光波长为1064nm，平均功率13W，脉冲能量为100μJ。

在上述实施例的基础上，S3中刻蚀通孔包括依次采用ICP刻蚀背硅层2、RIE刻蚀SOI晶圆的埋氧层6。

采用ICP刻蚀硅具有侧壁保护，高深宽比的优点，采用RIE刻蚀埋氧层具有各向异性刻蚀效果好的优点。

在上述实施例的基础上，顶硅层1为n型低阻硅材料，厚度为0.1um～5um。

顶硅层采用n型低阻硅材料具有电阻率低的优点，厚度在该范围内具小电阻的技术效果。

在上述实施例的基础上，欧姆接触区7为p型硅材料，其采用的注入离子元素为硼。

欧姆接触区7采用注入离子元素为硼为p型硅材料具有电阻率低、形成PN隔离的技术效果。利用激光烧蚀形成于背部的二氧化硅层，通过在TSV通孔电镀金属，欧姆接触区7与下部基板完成连接。

在上述实施例的基础上，二氧化硅层5的厚度为20nm～1um，起电学隔离的作用。

在上述实施例的基础上，金属种子层3的厚度为50nm～1um，材料包括铜、钨。

金属种子层起助于金属后续生长的作用，只需较薄的一层即可，材料为电学连接常用的金属材料均可，这里并不限定于铜和钨。

在上述实施例的基础上，金属填料层4的材料包括铜、钨。

金属填料层在金属种子层的基础上继续生长，厚度为10um～100um，材料也为电学连接常用的金属材料均可，这里并不限定于铜和钨。金属填料层4并不一定完全填满整个通孔，只要金属能形成贯穿整个通孔的结构即可。采用电镀方法在电镀液中在SOI通孔内电镀金属填充料的步骤中，是通过调节电化学溶液比例、温度及时间来控制金属在通孔中的填充效果。

在上述实施例的基础上，背硅层2减薄抛光后表面粗糙度小于10nm。

采用化学机械研磨抛光对SOI背硅层进行研磨与抛光，去除表面多余铜；表面粗糙度小于10nm，有利于保证后续阳极键合的密封性与真空度。

在上述实施例的基础上，S2中阳极键合的键合气压为10

玻璃片与SOI晶圆之间的连接采用阳极键合具有产生牢固而持久，无需粘合剂或过高的温度的优点，键合气压在该范围内有高真空度的技术效果，键合后玻璃片8与顶硅层1之间密封腔的气压在该范围内，可以保持高真空状态。

本发明提供的一种基于TSV三维封装的MEMS传感器垂直电学互连技术的制造方法，通过飞秒/皮秒激光器对通孔底部二氧化硅进行烧蚀，之后溅射金属种子层，实现MEMS传感器的欧姆接触区与背硅层通孔上下导通，减小了封装面积和走线距离，有利于MEMS传感器电信号高质量引出，一方面保证了器件的电学性能，另一方面减小了寄生电容，提高了工作频率。同时微型MEMS传感器尺寸小，成本低，易集成，广泛应用于航空航天/医疗检测/汽车工业/消费电子等领域，本发明有着可观的经济与社会效益。

下面以一具体实施例对本发明进行详细描述，请参见图2～7，图2是MEMS传感器垂直电学互连结构示意图，图3～7是工艺过程示意图，具体步骤如下：

S1，采用离子注入与高温退火，在SOI晶圆的顶硅层1制作出与有效图形区连接的欧姆接触区7；

S2，选取一片pyrex7740玻璃片8，通过电子束蒸发2um的金属铝并进行图形化作为掩膜，刻蚀出5um的凹槽；将刻蚀出凹槽的玻璃片与SOI晶圆的顶硅层1进行阳极键合，对有效图形区进行保护，请参见图3；

S3，在SOI晶圆的背硅层2上制备图形化的光刻胶，并作为刻蚀掩模，采用ICPBOSCH工艺刻蚀SOI晶圆的背硅层2制作通孔，刻蚀截至到SOI的埋氧层6；采用RIE干法刻蚀埋氧层6，SOI顶硅层的欧姆接触区7作为刻蚀阻挡层，请参见图4；

S4，采用磁控溅射，在通孔内溅射200nm二氧化硅5作为隔离层，请参见图5；

S5，采用皮秒激光器对通孔底部的二氧化硅进行刻蚀，请参见图6；

S6，采用磁控溅射，在SOI的通孔内溅射50nm金属铜种子层3作为种子层，请参见图7；

S7，采用电镀方法在电镀液中在SOI通孔内电镀金属铜4；

S8，采用化学机械研磨抛光对SOI背硅层进行研磨与抛光，去除表面多余铜，表面粗糙度小于10nm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。