CN102412228A - 同轴硅通孔互连结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种同轴硅通孔互连结构。所述互连结构，包括：硅基片；硅通孔，贯穿硅基片；重掺杂层，位于硅通孔的侧壁；外导电连接构件，被重掺杂层围绕；至少一层绝缘层，被外导电连接构件围绕；至少一层内导电连接构件，被绝缘层围绕，与外导电连接构件形成同轴结构。本发明还提供一种同轴硅通孔互连结构的制造方法。本发明可用于增强硅通孔的鲁棒性，可以隔离噪声，消除串扰，屏蔽EMI，减小传输损耗，消弱硅通孔寄生效应，可改善高频性能；同时便于测量绝缘层特性，不需额外制造测量结构，只需测量外导电连接构件和内导电连接构件之间的绝缘特性即可得到绝缘层特性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种同轴硅通孔互连结构及其制造方法。
背景技术
随着人们对电子产品向小型化、高性能、多功能等方向的发展的要求，研究人员努力探求将电子***越做越小，性能越来越强，功能越做越多，由此产生了许多新技术、新材料和新设计，其中三维封装技术以及***级封装（System-in-Package，SiP）技术就是这些技术的典型代表。
三维封装技术，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。而将一个***或子***的全部或大部份电子功能配置在一个封装体中，就实现了***级封装。硅通孔互连技术正是实现三维封装和***级封装的关键技术之一。硅通孔互连结构是垂直互连，这样一方面可以在垂直方向对芯片进行堆叠，实现三维集成，另一方面，垂直互连大大缩短了互连线的长度，集成***的电气性能将得到很大的提升。另外，随着芯片管脚数进一步增多和管脚节距的进一步缩小，受有机基板工艺的限制，传统基板线条微细化大大提高了制作成本，并难以满足应用的要求。应用硅通孔互连的转接板技术则是应对这些问题的一种有效解决方案。由于使用半导体的工艺制程，应用硅通孔互连的转接板可以得到很高密度的布线和很小的节距。而且，硅转接板的热膨胀系数与芯片相近，这样可以减小热膨胀系数的失配，从而避免很多问题，极大地提高了封装体的热机械可靠性。
但是，随着电子***频率越来越高，硅通孔密度越来越大，以及***级封装中集成的芯片和元器件越来越多，电磁干扰（EMI）问题成为电子***设计中是必须要考虑的一个重要的因素。电磁干扰也被称为射频干扰（RFI），是由带有变化电信号的电子电路和元件发出的电磁辐射引起的。电磁干扰会影响甚至破坏电子***的正常工作。目前有三种主要方式用来改善或消除EMI。第一种技术是将敏感元件与电磁辐射源物理隔离。第二种技术是使用旁路或去耦电容和过滤器将不要的干扰信号接地。第三种技术是使用法拉第笼（Faraday cage）或阻隔外壳来屏蔽敏感元件或产生EMI的元件。在众多技术中，采用同轴互连结构，可以有效实现屏蔽EMI的效果。
应用已有的技术，可以形成硅通孔互连同轴结构，但是在工艺复杂性、成本和电性能方面都存在着各种的问题。例如，IBM在IBM J. RES. & DEV. VOL. 52 NO. 6发表的论文“Fabrication and characterization of robust through-silicon vias for silicon-carrier applications”所述，可以形成一个外环为掺杂多晶硅和内芯为铜的同轴硅通孔互连结构，但是外环和内芯的刻蚀与填充要分步进行，如此则增加了工艺复杂性和成本支出。CEA-LETI在Electronics Packaging Technology Conference, 2009. EPTC’09. 11th, 2009, pp. 772-777.发表的论文“Mid-process through silicon vias technology using tungsten metallization: Process optimazation and electrical results”所述，可以形成多环形的钨填充的硅通孔，但是由于其互连都是环形结构，互连的电阻受钨层的厚度限制而阻值较大，导电性不佳。
另外，由于硅衬底是半导体而非绝缘体，硅通孔互连与硅衬底之间还存在着寄生效应，这样也会在很大程度上使***的电学性能受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同轴硅通孔互连结构，有效屏蔽EMI，减小传输损耗，消弱硅通孔寄生效应，增强硅通孔的鲁棒性。
本发明的另一目的在于提供一种同轴硅通孔互连结构的制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种同轴硅通孔互连结构，包括：
硅基片；
硅通孔，贯穿所述硅基片；
重掺杂层，位于所述硅通孔的侧壁；
外导电连接构件，被所述重掺杂层围绕；
至少一层绝缘层，被所述外导电连接构件围绕；
至少一层内导电连接构件，被所述绝缘层围绕，与所述外导电连接构件形成同轴结构。
上述方案中，所述硅通孔为直孔或锥形孔。
上述方案中，所述重掺杂层位于硅基片的表面，所述外导电连接构件位于所述硅基片表面的所述重掺杂层之上。
上述方案中，所述内导电连接构件为实心结构或环形结构。
上述方案中，所述绝缘层和所述内导电连接构件重复交替设置，形成多环形同轴结构。
上述方案中，所述硅基片为p型硅或者n型硅。
上述方案中，所述重掺杂层的掺杂元素为III A族或者V A族元素，掺杂类型与硅基片类型相同或相反。
上述方案中，所述重掺杂层的掺杂元素的浓度大于1012原子/cm3。
上述方案中，所述外导电连接构件包括至少一层接触材料。
上述方案中，所述接触材料为铝（Al）、铝-硅、硅化钛（TiSi2）、氮化钛（TiN）、钨、硅化钼（MoSi2）、硅化铂（PtSi）、硅化钴（CoSi2）和硅化钨（WSi2）中的一种或几种。
上述方案中，所述接触材料与所述重掺杂层形成欧姆接触。
上述方案中，所述外导电连接构件包括至少一层导电材料。
上述方案中，所述导电材料为镍、铁、铜、铝、铂、金、钯、钛、钽、钨、锌、银、锡及其一元或二元合金、多晶硅中的一种或几种；所述导电材料为铝（Al）、铝-硅、硅化钛（TiSi2）、氮化钛（TiN）、钨、硅化钼（MoSi2）、硅化铂（PtSi）、硅化钴（CoSi2）和硅化钨（WSi2）中的一种或几种。
上述方案中，所述绝缘层包括至少一层绝缘材料。
上述方案中，所述绝缘材料为玻璃、氧化硅（SiO2）、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiON)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、聚合物中的一种或几种。
上述方案中，所述内导电连接构件的材料为镍、铁、铜、铝、铂、金、鈀、钛、钽、钨、锌、银、锡及其一元或二元合金、多晶硅、碳纳米管、导电胶中的一种或几种。
一种同轴硅通孔互连结构的制造方法，包括如下步骤：
在硅基片上形成硅通孔；
在所述硅通孔的侧壁上形成重掺杂层；
在所述重掺杂层表面形成外导电连接构件；
在所述外导电连接构件表面形成绝缘层；
在所述绝缘层表面形成内导电连接构件。
上述方案中，在所述在硅基片上形成硅通孔之后，在所述硅基片上、下表面形成重掺杂层。
上述方案中，所述重掺杂层的形成通过离子注入或者扩散掺杂的方法实现，掺杂的浓度大于1012原子/cm3。
上述方案中，所述外导电连结构件包括至少一层接触材料，所述接触材料形成后经过退火合金化处理，与重掺杂层形成欧姆接触，退火温度在300℃-500℃。
与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明的同轴硅通孔互连结构可用于增强硅通孔的鲁棒性，可以隔离噪声，消除串扰，屏蔽EMI，减小传输损耗，消弱硅通孔寄生效应，可改善高频性能；同时便于测量绝缘层特性，不需额外制造测量结构，只需测量外导电连接构件和内导电连接构件之间的绝缘特性即可得到绝缘层特性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的同轴硅通孔互连结构的示意图；
图2为本发明另一实施例提供的同轴硅通孔互连结构的示意图；
图3为本发明另一实施例提供的同轴硅通孔互连结构的示意图；
图4为本发明另一实施例提供的同轴硅通孔互连结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供的同轴硅通孔互连结构，包括硅基片101、硅通孔、重掺杂层103、外导电连接构件104、绝缘层105和内导电连接构件106。其中硅基片为p型硅，硅通孔为直孔，贯穿硅基片101。重掺杂层103，位于硅通孔的硅侧壁，掺杂元素为III A族或者V A族元素，掺杂类型为p型杂质，例如硼离子，掺杂浓度为1019原子/cm3，掺杂深度为1微米。外导电连接构件104至少包括一层接触材料，被重掺杂层103围绕，接触材料为铝（Al）、铝-硅、硅化钛（TiSi2）、氮化钛（TiN）、钨、硅化钼（MoSi2）、硅化铂（PtSi）、硅化钴（CoSi2）和硅化钨（WSi2）中的一种或几种，厚度为0.5微米-5微米，接触材料在重掺杂层103与外导电连接构件104界面形成欧姆接触。绝缘层105，被外导电连接构件104围绕，其形成材料包括玻璃、氧化硅（SiO2）、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiON)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、聚合物中的一种或几种，聚合物可以为聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯(BCB)、聚乙烯、聚苯并咪唑（PBO）或者乙烯丙烯酸共聚物（EAA），厚度为1微米-200微米。内导电连接构件106为实心填充，被绝缘层105围绕，与外导电连接构件104绝缘，其形成材料为镍、铁、铜、铝、铂、金、鈀、钛、钨、锌、银、锡及其一元或二元合金（合金化元素包括银、金、镍、铁、钴、锰、铼）、多晶硅、碳纳米管或者导电胶中的一种或几种。
本实施例中，硅基片101还可以是n型硅，重掺杂层103的掺杂类型可以与硅基片类型相同或相反。
本实施例中，外导电连接构件104还包括至少一层导电材料，导电材料为镍、铁、铜、铝、铂、金、钯、钛、钽、钨、锌、银、锡及其一元或二元合金（合金化元素包括银、金、镍、铁、钴、锰、铼）、多晶硅中的一种或几种；所述导电材料也可以与接触材料相同，为铝（Al）、铝-硅、硅化钛（TiSi2）、氮化钛（TiN）、钨（W）、硅化钼（MoSi2）、硅化铂（PtSi）、硅化钴（CoSi2）和硅化钨（WSi2）中的一种或几种。
本实施例中，绝缘层105和内导电连接构件106可以重复交替设置，形成环形同轴结构。
本实施例还提供一种同轴硅通孔互连结构的制造方法，包括如下步骤：
（1）在硅基片101上采用刻蚀或者激光打孔的方法形成硅通孔；
（2）在硅通孔的侧壁上形成重掺杂层，掺杂方法为扩散掺杂或者离子注入；
（3）在重掺杂层表面通过蒸发、溅射、电镀、化学镀、化学气相沉积或者物理气相沉积的方法形成外导电连接构件，然后在300℃-500℃下进行退火合金化处理，在重掺杂层103与外导电连接构件104界面形成欧姆接触；
（4）通过溅射、蒸发或化学气相沉积方法在外导电连接构件104表面形成至少一层导电材料，与绝缘层105接触；
（5）在硅通孔内通过旋涂的方法填充绝缘材料；
（6）在填充绝缘材料的硅通孔内通过激光打孔的方法形成绝缘层105；
（7）在所述绝缘层表面通过电镀、化学镀、化学气相沉积、物理气相沉积、回流或者熔融金属填充的方法形成内导电连接构件106。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供的同轴硅通孔互连结构中，内导电连接构件106为环形填充，被绝缘层105围绕，其他结构特征和制造方法与图1所示的实施例1所述相同。
实施例3：
如图3所示，本实施例提供的同轴硅通孔互连结构中，硅通孔为锥形孔，其他结构特征和制造方法与图1所示的实施例1相同。
实施例4：
如图4所示，本实施例提供的同轴硅通孔互连结构中，重掺杂层和外导电连接构件可延伸至硅基片上、下表面。制造此结构的方法与实施例1中的方法基本相同，只是在形成重掺杂层和外导电连接构件时，不仅仅在硅通孔内，在硅基片上、下表面也形成重掺杂层和外导电连接构件。
本发明的同轴硅通孔互连结构可用于增强硅通孔的鲁棒性，可以隔离噪声，消除串扰，屏蔽EMI，消弱硅通孔寄生效应，减小传输损耗，可改善高频性能；同时便于测量绝缘层特性，不需额外制造测量结构，只需测量外导电连接构件和内导电连接构件之间的绝缘特性即可得到绝缘层特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种同轴硅通孔互连结构，其特征在于，包括：
硅基片；
硅通孔，贯穿所述硅基片；
重掺杂层，位于所述硅通孔的侧壁；
外导电连接构件，被所述重掺杂层围绕；
至少一层绝缘层，被所述外导电连接构件围绕；
至少一层内导电连接构件，被所述绝缘层围绕，与所述外导电连接构件形成同轴结构。
2.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述硅通孔为直孔或锥形孔。
3.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述重掺杂层位于硅基片的表面，所述外导电连接构件位于所述硅基片表面的所述重掺杂层之上。
4.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述内导电连接构件为实心结构或环形结构。
5.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述绝缘层和所述内导电连接构件重复交替设置，形成多环形同轴结构。
6.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述硅基片为p型硅或者n型硅。
7.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述重掺杂层的掺杂元素为III A族或者V A族元素，掺杂类型与硅基片类型相同或相反。
8.如权利要求7所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述重掺杂层的掺杂元素的浓度大于1012原子/cm3。
9.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述外导电连接构件包括至少一层接触材料。
10.如权利要求9所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述接触材料为铝（Al）、铝-硅、硅化钛（TiSi2）、氮化钛（TiN）、钨、硅化钼（MoSi2）、硅化铂（PtSi）、硅化钴（CoSi2）和硅化钨（WSi2）中的一种或几种。
11.如权利要求9所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述接触材料与所述重掺杂层形成欧姆接触。
12.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述外导电连接构件包括至少一层导电材料。
13.如权利要求12所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述导电材料为镍、铁、铜、铝、铂、金、钯、钛、钽、钨、锌、银、锡及其一元或二元合金、多晶硅中的一种或几种；所述导电材料为铝（Al）、铝-硅、硅化钛（TiSi2）、氮化钛（TiN）、钨（W）、硅化钼（MoSi2）、硅化铂（PtSi）、硅化钴（CoSi2）和硅化钨（WSi2）中的一种或几种。
14.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述绝缘层包括至少一层绝缘材料。
15.如权利要求14所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述绝缘材料为玻璃、氧化硅（SiO2）、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiON)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、聚合物中的一种或几种。
16.如权利要求1所述的同轴硅通孔互连结构，其特征在于：所述内导电连接构件的材料为镍、铁、铜、铝、铂、金、钯、钛、钽、钨、锌、银、锡及其一元或二元合金、多晶硅、碳纳米管、导电胶中的一种或几种。
17.一种同轴硅通孔互连结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在硅基片上形成硅通孔；
在所述硅通孔的侧壁上形成重掺杂层；
在所述重掺杂层表面形成外导电连接构件；
在所述外导电连接构件表面形成绝缘层；
在所述绝缘层表面形成内导电连接构件。
18.如权利要求17所述的同轴硅通孔互连结构的制造方法，其特征在于，在所述在硅基片上形成硅通孔之后，在所述硅基片上、下表面形成重掺杂层。
19.如权利要求17所述的同轴硅通孔互连结构的制造方法，其特征在于：所述重掺杂层的形成通过离子注入或者扩散掺杂的方法实现，掺杂的浓度大于1012原子/cm3。
20.如权利要求17所述的同轴硅通孔互连结构的制造方法，其特征在于：所述外导电连结构件包括至少一层接触材料，所述接触材料形成后经过退火合金化处理，与重掺杂层形成欧姆接触，退火温度在300℃-500℃。
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