CN103508413B - 用于制造具有电覆镀通孔的构件的方法 - Google Patents
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Abstract
描述一种用于制造具有电覆镀通孔(110)的部件(300)的方法，其中所述方法包括以下步骤：‑提供具有前侧(101)和与所述前侧(101)相反对置的背侧(102)的半导体衬底(100)，‑在所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)上产生环形包围接触区域(103)的绝缘沟槽(121)，‑在所述绝缘沟槽(121)中施加绝缘材料(122)，‑在所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)上通过去除所述接触区域(103)中被所述绝缘沟槽(121)包围的半导体材料(104)产生接触孔(111)，以及‑在所述接触孔(111)中沉积金属材料(114)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造构件、尤其是具有覆镀通孔的微机电构件的方法。
背景技术
微机电构件(MEMS，micro-electro-mechanical system：微机电***)的越来越小封装的发展其中要求各个元件——例如传感器、传感器罩和分析处理电路(ASIC)的堆叠和通孔敷镀。元件的重叠设置在此称为MEMS3D-集成。在硅衬底上构造的微机电构件中的覆镀通孔的一种可能性形成所谓的Through-Silicon-Vias(TSV)：硅过孔。这种TSV结构在此必须在其电阻以及其机械稳定性方面满足一些边缘条件。此外，在堆叠不同的微型部件——例如像传感器和ASIC时，特别重要的是，从封装的传感器例如加速传感器或转速传感器中，穿过传感器罩引出传感器信号。
在垂直接通的实现中，在同时尽可能小的体电阻(Durchgangswiderstand)的情况下，力求具有尽可能小的底面积的接触结构。为实现这点，通常在半导体衬底中产生很窄的、具有几乎垂直的壁的孔，这例如借助常用的开槽方法或激光实现。在随后沉积绝缘层和打开孔底部处的绝缘层之后，完全或部分地借助金属填充所述孔。
为使衬底中的电覆镀通孔金属化，此外使用化学气相淀积方法——例如铜-CVD(chemical vapour deposition：化学气相淀积)，或电镀方法——例如铜-电镀-沉积。但这些标准方法不适合用于已经封装的传感器晶片罩中的覆镀通孔的金属化，因为所使用的电镀熔液可能侵蚀和流经键合层。与此相反，铜-CVD工艺仅仅能够实现侧壁的铜浸湿而不能够实现接触孔的完全填充。此外，这些方法使用聚合物层或氧化物层作为绝缘层，聚合物层或氧化物层由于其小的厚度而有利于覆镀通孔与环绕的半导体材料之间的寄生电容。由于这种寄生电容，经常不满足对MEMS-Via(过孔)的严格要求。
发明内容
按照本发明，提出了一种用于制造具有电覆镀通孔的部件的方法，包括以下步骤：
-提供具有前侧和与所述前侧相反对置的背侧的半导体衬底，
-在所述半导体衬底的所述前侧上产生环形包围接触区域的绝缘沟槽，
-在所述绝缘沟槽中借助压制方法施加绝缘材料，
-在所述半导体衬底的所述前侧上通过去除所述接触区域中被所述绝缘沟槽包围的半导体材料产生接触孔，以及
-在所述接触孔中沉积金属材料，
其中，所述绝缘沟槽被构造为盲孔，以及其中在所述金属材料沉积在所述接触孔中之后从所述背侧减薄所述半导体衬底，从而在此暴露所述绝缘材料和所述金属材料，及其中，沉积在所述接触孔中的所述金属材料仅从所述接触孔的底部延伸到所述接触孔的上端，所述上端位于所述半导体衬底的前侧的高度上。
因此，本发明的任务在于，提供一种用于制造电覆镀通孔的中过孔(Via-Middle)方法，其能够与所属的微机电传感器的制造无关地实现罩晶片中覆镀通孔的制造。所述任务通过根据本发明中所述的方法解决。其他有利的实施方式在下述内容中说明。
在根据本发明的、用于制造具有覆镀通孔的构件的方法中，首先提供具有前侧和与前侧相反对置的背侧的半导体衬底。然后在半导体衬底的前侧上产生环形包围接触区域的绝缘沟槽。在此，通过在绝缘沟槽中施加绝缘材料来产生环形的绝缘结构。此外，在半导体衬底的前侧上通过去除接触区域中被绝缘区域包围的半导体材料产生接触孔。最后在接触孔中沉积金属材料。电覆镀通孔的制造在此与构件的其他部分的制造完全无关地进行。因此Via-工艺步骤不必与构件的其他部分兼容。因此，覆镀通孔的制造也可以包括400℃以上的高温工艺以及分配或电镀工艺，利用它们特别是可以高效地制造具有小的底面积和高的纵横比的通孔。通过环形绝缘沟槽的使用，在覆镀通孔的金属填充与环绕的半导体材料之间可以产生特别厚的绝缘层。由此也可以降低漏电流和电容式干扰的危险。
根据一种实施方式，以盲孔的形式构造绝缘沟槽并且在金属材料沉积在接触孔中之后从背侧减薄半导体衬底，从而在此暴露绝缘材料和金属材料。所述方法允许处理期间晶片的更大层厚度，由此一方面简化晶片的操作并且另一方面减少晶片破裂的危险。
在借助金属填充的半导体晶片的一种实施方式中，与公知的中过孔(Via-Middle)方法不同地降低氧化物绝缘面上的金属涂抹的危险。
在另一种实施方式中规定，在绝缘沟槽中借助各向同性的蚀刻方法相对于绝缘材料选择性地去除留在接触区域中的半导体材料。由此实现接触孔的自调准的打开。在此，可以可靠地蚀刻具有高纵横比的深的接触孔。
另一种实施方式规定，借助压制方法在绝缘沟槽中施加的玻璃，尤其是硼硅玻璃用作绝缘材料。通过使用玻璃和尤其是硼硅玻璃作为绝缘材料的使用，可以产生相对较宽的绝缘沟槽，通过所述绝缘沟槽可以特别有效地降低可能的寄生电容和漏电流的危险。在此，所述压制方法特别好地适用于填充相对较宽的沟槽。因为玻璃具有与硅相当的热膨胀系数，所以可以因此避免衬底中热感应的机械应力。
在另一种实施方式中规定，与在半导体衬底的前侧上制造再布线一起进行金属材料在接触孔中的沉积。由此可以节省方法步骤，这又导致制造方法的简化并且与此相关地又导致构件的制造成本的降低。
在另一种实施方式中规定，借助磨削工艺、湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺或借助磨削工艺和湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺的组合来进行半导体衬底的减薄。借助磨削工艺可以有效地减薄特别厚的半导体层。与此相反，湿蚀刻工艺和干蚀刻工艺能够实现半导体材料的选择性去除。
另一种实施方式规定，使用电镀铜沉积方法、铜-CVD方法、金属膏印刷方法和/或借助纳米银墨的喷射-印刷方法用于借助金属材料填充接触孔。借助铜-电镀-金属化可以很可靠地实现接触孔的完全填充。与此相反，铜-CVD-金属化方法允许在接触孔的侧壁和底部上构造薄的金属层。借助金属膏印刷法方法和纳米银墨的喷射-印刷方法可以相对较迅速地实施接触孔的金属化。
在另一种实施方式中规定，在键合工艺范畴内在接触孔中沉积金属材料之后将半导体衬底与功能衬底连接。因为还在键合工艺之前进行接触孔中的金属沉积，所以金属化工艺不必与功能衬底兼容。尤其可以使用400℃以上的高温工艺以及分配或电镀工艺用于制造覆镀通孔，所述工艺可能导致功能衬底的功能结构的损坏或粘连。
在另一种实施方式中规定，在半导体衬底与功能衬底连接之前，在半导体衬底的前侧上产生一个空穴，用于容纳设置在功能衬底上的功能结构。借助这种空穴产生用于功能结构的容纳室，所述容纳室能够实现功能结构相对于外界气密的包围。
此外，根据本发明，提出一种构件，其包括具有从前侧至与前侧相反对置的背侧穿透半导体衬底的背侧接触部。覆镀通孔在此包括由环形地包围接触区域的且借助绝缘材料填充的绝缘沟槽组成的绝缘结构、设置在接触区域中的半导体衬底的背侧上的电接触结构以及设置在接触区域中由绝缘结构限界且将电接触结构与半导体衬底的前侧电连接的金属填充。由于制造具有任意厚度的绝缘沟槽的可能性，可以使覆镀通孔匹配不同的技术应用。尤其借助相对较宽的绝缘沟槽可以实现金属填充与环绕的半导体衬底的良好电绝缘。同时还可以减小干扰电容。此外，可以任意构造金属填充的直径，由此覆镀通孔的转移电阻可以相对简单地匹配不同的应用。
最后设置一实施形式，半导体衬底具有空穴并且如此与功能衬底连接，使得设置在功能衬底的表面上的功能结构位于空穴内。电接触结构在此与功能结构的互补的接触结构电连接。在所述装置中，半导体衬底用作用于功能衬底的功能结构的罩。覆镀通孔在此允许包围在两个衬底之间的功能结构的电连接。
附图说明
下面根据附图详细描述本发明。示出：
图1示出工艺开始时的半导体衬底；
图2示出图1中的、具有在前侧上构造的环形绝缘沟槽的半导体衬底；
图3示出图2中的、具有借助绝缘材料填充的绝缘沟槽的半导体衬底；
图4示出图3中的、具有打开的接触孔的半导体衬底；
图5示出图4中的、具有完全借助金属填充的接触孔的半导体衬底；
图6示出图4中的、具有仅仅借助薄金属层金属化的接触孔的半导体衬底；
图7示出图5中的、减薄后的半导体衬底，其中，去除半导体衬底背侧上的半导体材料，直至暴露覆镀通孔；
图8示出图7中的、在与功能衬底键合前的半导体衬底，其中，已在半导体衬底的背侧上产生空穴，用于容纳功能衬底的功能结构；
图9示出通过半导体衬底与功能衬底的键合而形成的微机电构件；
图10示出图9中的、具有在半导体衬底的前侧上构造的再布线的微机电构件；
图11示出具有接触孔的仅借助薄金属层实现的金属化的微机电构件的一种替代的实施方式；
图12示出一种替代的变型方案，其中在半导体衬底的前侧上产生空穴；
图13示出图12中的、在与功能衬底键合之后的半导体衬底；
图14示出图9中的在减薄之后的已键合的半导体衬底，其中，已去除半导体衬底背侧上的半导体材料，直至暴露覆镀通孔；以及
图15示出图14中的、具有在半导体衬底的背侧上构造的再布线的微机电构件。
具体实施方式
下面根据具有至少一个微机电功能结构的微机电构件——例如微机电运动或转速传感器的制造示例性地详细解释根据本发明的方法。在此，在用作用于设置在功能衬底上的微机电功能结构的罩晶片的半导体衬底中产生至少一个覆镀通孔。在此，出发点是例如以硅晶片的形式的半导体衬底100。图1示出具有前侧101和与前侧相反对置的背侧102的半导体衬底100。
首先，在半导体衬底100中产生环形包围接触区域103的绝缘沟槽121。这一点优选借助常用的开槽方法实现，其中首先加载掩膜层(例如TEOS-氧化物或铝)并且借助平版印刷术和蚀刻工艺结构化。绝缘沟槽121随后借助各向异性的蚀刻方法，例如活性的离子蚀刻(DRIE；deep reactive ion etching：深反应离子蚀刻)或借助开槽工艺蚀刻，其中，蚀刻工艺在体衬底(Bulksubstrat)的确定深度中停止，从而形成盲孔绝缘环。替代地，绝缘沟槽的制造也可以借助激光器支持的结构化方法实现。图2示出在半导体衬底100的前侧101上以盲孔的形式构造的绝缘沟槽121。替代地，也可以通过半导体衬底100的整个厚度实现沟槽结构121。在这种情形中，取消用于暴露绝缘沟槽121的半导体衬底背侧去除。
在另一步骤中，绝缘沟槽121现在借助绝缘材料122完全填充。为此基本上可以考虑任何合适的方法和绝缘材料。但优选以玻璃——例如硼硅玻璃填充绝缘沟槽121。这优选以压制法实现。图3示出具有通过以玻璃122作为绝缘材料填充绝缘沟槽121而形成的绝缘结构120的半导体衬底100。
在随后的方法步骤中，借助合适的方法去除被绝缘结构120包围的半导体柱(Halbleiterstempel)104。为此，优选外部围绕绝缘结构或玻璃绝缘环120重新加载例如由TEOS-氧化物制成的掩膜层。然后选择性地蚀刻留在绝缘结构120中的半导体柱104与绝缘材料122。在硅作为半导体材料的情形中，为此例如可以使用XeF2以及CIF3作为蚀刻气体。图4示出在通过去除接触区域103中的半导体材料104来产生接触孔111之后相应的方法现状。
在另一方法步骤中，现在将打开的接触孔借助金属填充。优选使用借助铜的电镀金属化，用于完全填充接触孔111。所述工艺变型方案为此可以实现接触孔借助铜的可靠的填充。但替代地，也可以选择使用其他的金属化方法。为此，可以借助金属、如铜借助化学气相淀积方法(CVD，chemical vapour deposition：化学气相淀积)实现金属化。此外，还可能的是，使用喷射-印刷方法，其中使用具有可容易清除的有机物作为溶剂的例如纳米银墨，用于金属化。基本上还可考虑金属膏印刷方法。
图5示出具有借助金属114完全填充的接触孔111的半导体衬底100。
替代完全填充，可以仅仅通过在接触孔111的侧壁和底部上沉积薄金属层来实现金属化。相应的工艺变型方案在图6中示出。根据应用，接触孔111的侧壁和底部的薄的浸湿就已经足够。
在半导体衬底100的前侧101上完成施加电覆镀通孔110之后，将半导体衬底100背侧减薄，直至暴露绝缘结构120和金属填充114。在此，优选借助磨削方法，从半导体衬底100的背侧102去除半导体材料。替代地，对此也可以使用干式蚀刻法、湿式蚀刻法或不同方法——例如磨削和干式蚀刻或湿式蚀刻的组合。借助通过半导体晶片100的背侧减薄而暴露的覆镀通孔110的相应方法现状在图7中示出。
随后，在键合方法的范畴内，将半导体衬底100与功能衬底200连接。半导体衬底100在此用作用于功能衬底200或用于设置在功能衬底200上的微机电功能结构221的罩晶片。出于所述原因，在半导体衬底100中通过借助合适的方法去除半导体材料来产生用于容纳功能结构221的空穴105。在所述实施例中，在半导体衬底100的背侧102上产生空穴。但对此替代地，还可能的是，在半导体衬底100的前侧101上产生空穴。此外，在金属覆镀通孔上待键合的侧上产生至少一个接触焊盘130并且在半导体衬底100的表面上产生多个连接焊盘131、132。图8示出直接在与功能衬底200键合工艺之前具有空穴105、接触焊盘130以及连接焊盘131、132的半导体衬底100。功能衬底200具有相应互补的接触焊盘230以及相应互补的连接焊盘231、232。例如可以使用低共熔点系，例如铝/锗用于键合。但基本上可能的是，使用其他任何的导电系，例如金/锡。
图9示出在功能衬底200上键合的半导体衬底100。半导体衬底100在此构成覆盖功能衬底200的功能结构121的罩。同时通过覆镀通孔120实现功能结构121向外的电连接。通过两个衬底100、200键合时的热步骤，两个接触焊盘130、230熔化成一个共同的接触结构330并且两个连接焊盘131和231以及两个连接焊盘132和232分别一起熔化成一个共同的连接结构331和332。
最后，在半导体衬底100的前侧101上还产生金属接触部114的再布线。这例如可以借助结构化的铝印制导线实现。还能够借助丝网印刷法印刷印制导线。在此，例如可以使用由银或金制成的导电膏。图10示出具有在半导体衬底的前侧101上构造的再布线结构151、152、153、154的被构造为键合的衬底堆叠的构件300。
图11示出具有覆镀通孔110的构件300的一种替代的构型，其中金属化114仅被实现为薄金属层。
替代图7至10中所示的工艺变型方案，在键合工艺之后才实现半导体晶片110的减薄。从图6中所示的方法现状出发，在此，在半导体衬底100的前侧101上产生空穴105、接触焊盘130以及连接焊盘131、132。图12示出具有设置在前侧101上的空穴105的半导体衬底100。
半导体衬底100然后借助其前侧101与功能衬底200连接。这种方法现状在图13中示出。
然后进行半导体衬底的背侧减薄，其中，完全暴露覆镀通孔110。这种方法现状在图14中示出。
最后，在半导体衬底100的背侧102上产生再布线结构151、152、153、154。这种方法现状在图15中示出。
尽管已通过优选的实施例详细地说明和描述本发明的细节，但本发明不限于所公开的示例。而是可以由本领域人员从中导出其他变型方案，而不脱离本发明的保护范围。除在此提到的材料——例如衬底材料、金属化材料和绝缘材料，基本上还可以使用其他合适的材料。为此不同材料的任何有意义的组合基本上是适合的。
此外，这里制造的覆镀通孔除了微机电构件外，基本上还可以用在微电子构件中。
基本上可能的是，借助以下方法来制造微机电构件：借助所谓的晶片上晶片(Wafer-on-Wafer)方法——其中晶片彼此键合并且随后分离已键合的晶片、借助所谓的晶片上晶粒(Die-on-Wafer)方法——其中将各个晶粒键合在晶片上并且随后分离晶片，或者借助所谓的晶粒上晶粒(Die-on-Die)方法——其中彼此键合已经分离的晶粒。
此外，基本上还可能的是，已经在接触孔的金属化范畴内产生再布线或再布线的至少一部分。
Claims (10)
1.一种用于制造具有电覆镀通孔(110)的部件(300)的方法，包括以下步骤：
-提供具有前侧(101)和与所述前侧(101)相反对置的背侧(102)的半导体衬底(100)，
-在所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)上产生环形包围接触区域(103)的绝缘沟槽(121)，
-在所述绝缘沟槽(121)中借助压制方法施加绝缘材料(122)，
-在所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)上通过去除所述接触区域(103)中被所述绝缘沟槽(121)包围的半导体材料(104)产生接触孔(111)，以及
-在所述接触孔(111)中沉积金属材料(114)，
其中，所述绝缘沟槽(121)被构造为盲孔，以及其中在所述金属材料(114)沉积在所述接触孔(111)中之后从所述背侧(102)减薄所述半导体衬底(100)，从而在此暴露所述绝缘材料(122)和所述金属材料(114)，及其中，沉积在所述接触孔中的所述金属材料仅从所述接触孔的底部延伸到所述接触孔的上端，所述上端位于所述半导体衬底的前侧的高度上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述绝缘沟槽(121)中借助各向同性的蚀刻方法相对于绝缘材料(122)选择性地去除留在所述接触区域(103)中的所述半导体材料(104)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用借助压制方法施加到所述绝缘沟槽(121)中的硼硅玻璃作为绝缘材料(122)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，与在所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)上制造再布线(150)一起进行所述金属材料(114)在所述接触孔(111)中的沉积。
5.根据权利要求2所述的方法，其中借助磨削工艺、湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺或借助磨削工艺和湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺的组合来进行所述半导体衬底(100)的减薄。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用电镀铜沉积方法、铜-CVD方法、金属膏印刷方法和/或借助纳米银墨的喷射-印刷方法用于借助所述金属材料(114)填充所述接触孔(111)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在键合工艺范畴在所述接触孔(111)中沉积金属材料(114)之后将所述半导体衬底(100)与功能衬底(200)连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述半导体衬底(100)与所述功能衬底(200)连接之前，在所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)上产生一个空穴(105)，用于容纳设置在所述功能衬底(200)上的功能结构(221)。
9.一种包括半导体衬底(100)的部件(300)，具有从前侧(101)至与所述前侧(101)相反对置的背侧(102)穿透半导体衬底(100)的电覆镀通孔(110)，其中，所述电覆镀通孔(110)包括由环形地包围接触区域(103)和借助绝缘材料(122)填充的绝缘沟槽(121)组成的绝缘结构(120)、设置在所述接触区域(103)中的所述半导体衬底(100)的所述背侧(102)上的电接触结构(330)以及设置在所述接触区域(103)中由所述绝缘结构(120)限界且将所述电接触结构(330)与所述半导体衬底(100)的所述前侧(101)电连接的金属填充(114)，其中，所述绝缘材料(122)借助压制方法施加在所述绝缘沟槽(121)中，其中，所述半导体衬底(100)具有空穴(105)并且如此与功能衬底(210)连接，使得设置在所述功能衬底(210)的表面上的功能结构(221)位于所述空穴(105)内。
10.根据权利要求9所述的部件(300)，其中，使用借助压制方法施加到所述绝缘沟槽(121)中的硼硅玻璃作为绝缘材料(122)。
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