一种具有内部限位环的硅通孔互连结构及其形成方法技术

一种具有内部限位环的硅通孔互连结构及其形成方法，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。本发明专利技术工艺简单，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。

【技术实现步骤摘要】
一种具有内部限位环的硅通孔互连结构及其形成方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了有效解决上述
技术介绍
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。本专利技术的有益效果在于，本专利技术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。本专利技术工艺简单，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为本专利技术硅通孔互连结构外部示意图；图2为本专利技术硅通孔互连结构内部示意图；图3为本专利技术硅通孔内多个限位环结构示意图；图4为本专利技术硅通孔互连结构仰视示意图；图5为本专利技术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专利技术的实施例，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，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，所述硅通孔包括：/n衬底(1)，所述衬底(1)上开设有至少一个通孔(13)；/n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；/n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；/n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；/n金属层(5)，所述金属层(5)填充设置在种子层(4、6、7)内侧；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，所述硅通孔包括：
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。


2.根据权利要求1所述的具有内部限位环的硅通孔互连结构，其特征在于，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)。


3.根据权利要求2所述的具有内部限位环的硅通孔互连结构，其特征在于，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)。


4.根据权利要求1所述的具有内部限位环的硅通孔互连结构，其特征在于，所述通孔(13)呈阵列式分布，所述通孔(13)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。


5.根据权利要求2所述的具有内部限位环的硅通孔互连结构，其特征在于，所述第一凹陷部(14)均匀的排布在通孔(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊强，李孟委，李明浩，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14