專利名稱：同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著人們對電子產(chǎn)品向小型化、高性能、多功能等方向的發(fā)展的要求，研究人員努力探求將電子系統(tǒng)越做越小，性能越來越強，功能越做越多，由此產(chǎn)生了許多新技術(shù)、新材料和新設(shè)計，其中三維封裝技術(shù)以及系統(tǒng)級封裝(System-in-Package，SiP)技術(shù)就是這些技術(shù)的典型代表。三維封裝技術(shù)，是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術(shù)。而將一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)的全部或大部份電子功能配置在一個封裝體中，就實現(xiàn)了系統(tǒng)級封裝。硅通孔互連技術(shù)正是實現(xiàn)三維封裝和系統(tǒng)級封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。硅通孔互連結(jié)構(gòu)是垂直互連，這樣一方面可以在垂直方向?qū)π酒M行堆疊， 實現(xiàn)三維集成，另一方面，垂直互連大大縮短了互連線的長度，集成系統(tǒng)的電氣性能將得到很大的提升。另外，隨著芯片管腳數(shù)進一步增多和管腳節(jié)距的進一步縮小，受有機基板工藝的限制，傳統(tǒng)基板線條微細化大大提高了制作成本，并難以滿足應(yīng)用的要求。應(yīng)用硅通孔互連的轉(zhuǎn)接板技術(shù)則是應(yīng)對這些問題的一種有效解決方案。由于使用半導(dǎo)體的工藝制程，應(yīng)用硅通孔互連的轉(zhuǎn)接板可以得到很高密度的布線和很小的節(jié)距。而且，硅轉(zhuǎn)接板的熱膨脹系數(shù)與芯片相近，這樣可以減小熱膨脹系數(shù)的失配，從而避免很多問題，極大地提高了封裝體的熱機械可靠性。但是，隨著電子系統(tǒng)頻率越來越高，硅通孔密度越來越大，以及系統(tǒng)級封裝中集成的芯片和元器件越來越多，電磁干擾(EMI)問題成為電子系統(tǒng)設(shè)計中是必須要考慮的一個重要的因素。電磁干擾也被稱為射頻干擾(RFI)，是由帶有變化電信號的電子電路和元件發(fā)出的電磁輻射引起的。電磁干擾會影響甚至破壞電子系統(tǒng)的正常工作。目前有三種主要方式用來改善或消除EMI。第一種技術(shù)是將敏感元件與電磁輻射源物理隔離。第二種技術(shù)是使用旁路或去耦電容和過濾器將不要的干擾信號接地。第三種技術(shù)是使用法拉第籠(Faraday cage)或阻隔外殼來屏蔽敏感元件或產(chǎn)生EMI的元件。在眾多技術(shù)中，采用同軸互連結(jié)構(gòu)， 可以有效實現(xiàn)屏蔽EMI的效果。應(yīng)用已有的技術(shù)，可以形成硅通孔互連同軸結(jié)構(gòu)，但是在工藝復(fù)雜性、成本和電性能方面都存在著各種的問題。例如，IBM在IBM J. RES. & DEV. VOL. 52 NO. 6發(fā)表的論文"Fabrication and characterization of robust through-silicon vias for silicon-carrier applications”所述，可以形成一個外環(huán)為摻雜多晶硅和內(nèi)芯為銅的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，但是外環(huán)和內(nèi)芯的刻蝕與填充要分步進行，如此則增加了工藝復(fù)雜性禾口成本支出。CEA-LETI 在 Electronics Packaging Technology Conference, 2009. EPTC，09. 11th, 2009，pp. 772-777.發(fā)表的論文‘‘Mid-process through silicon vias technology using tungsten metallization: Process optimization and electricalresults”所述，可以形成多環(huán)形的鎢填充的硅通孔，但是由于其互連都是環(huán)形結(jié)構(gòu)，互連的電阻受鎢層的厚度限制而阻值較大，導(dǎo)電性不佳。另外，由于硅襯底是半導(dǎo)體而非絕緣體，硅通孔互連與硅襯底之間還存在著寄生效應(yīng)，這樣也會在很大程度上使系統(tǒng)的電學(xué)性能受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，有效屏蔽EMI，減小傳輸損耗， 消弱硅通孔寄生效應(yīng)，增強硅通孔的魯棒性。本發(fā)明的另一目的在于提供一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，包括
娃基片；
硅通孔，貫穿所述硅基片； 重摻雜層，位于所述硅通孔的側(cè)壁； 外導(dǎo)電連接構(gòu)件，被所述重摻雜層圍繞； 至少一層絕緣層，被所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件圍繞；
至少一層內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件，被所述絕緣層圍繞，與所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件形成同軸結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述硅通孔為直孔或錐形孔。上述方案中，所述重摻雜層位于硅基片的表面，所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件位于所述硅基片表面的所述重摻雜層之上。上述方案中，所述內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件為實心結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述絕緣層和所述內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件重復(fù)交替設(shè)置，形成多環(huán)形同軸結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述硅基片為ρ型硅或者η型硅。上述方案中，所述重摻雜層的摻雜元素為III A族或者V A族元素，摻雜類型與硅基片類型相同或相反。上述方案中，所述重摻雜層的摻雜元素的濃度大于IO12原子/cm3。上述方案中，所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件包括至少一層接觸材料。上述方案中，所述接觸材料為鋁(Al)、鋁-硅、硅化鈦(TiSi2)、氮化鈦(TiN)、鎢、 硅化鉬(MoSi2 )、硅化鉬(PtSi )、硅化鈷(CoSi2)和硅化鎢(WSi2)中的一種或幾種。上述方案中，所述接觸材料與所述重摻雜層形成歐姆接觸。上述方案中，所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件包括至少一層導(dǎo)電材料。上述方案中，所述導(dǎo)電材料為鎳、鐵、銅、鋁、鉬、金、鈀、鈦、鉭、鎢、鋅、銀、錫及其一元或二元合金、多晶硅中的一種或幾種；所述導(dǎo)電材料為鋁(Al)、鋁-硅、硅化鈦(TiSi2)、 氮化鈦(TiN)、鎢、硅化鉬(MoSi2)、硅化鉬(PtSi )、硅化鈷(CoSi2)和硅化鎢(WSi2)中的一種或幾種。上述方案中，所述絕緣層包括至少一層絕緣材料。上述方案中，所述絕緣材料為玻璃、氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅 (SiON)、氧化鉭(Tii2O5)、氧化鋁(Al2O3)、聚合物中的一種或幾種。
上述方案中，所述內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件的材料為鎳、鐵、銅、鋁、鉬、金、鈀、鈦、鉭、鎢、 鋅、銀、錫及其一元或二元合金、多晶硅、碳納米管、導(dǎo)電膠中的一種或幾種。一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟 在硅基片上形成硅通孔；
在所述硅通孔的側(cè)壁上形成重摻雜層； 在所述重摻雜層表面形成外導(dǎo)電連接構(gòu)件； 在所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件表面形成絕緣層； 在所述絕緣層表面形成內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)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、下表面形成重摻雜層。上述方案中，所述重摻雜層的形成通過離子注入或者擴散摻雜的方法實現(xiàn)，摻雜的濃度大于IO12原子/cm3。上述方案中，所述外導(dǎo)電連結(jié)構(gòu)件包括至少一層接觸材料，所述接觸材料形成后經(jīng)過退火合金化處理，與重摻雜層形成歐姆接觸，退火溫度在30(TC -500°C。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下
本發(fā)明的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)可用于增強硅通孔的魯棒性，可以隔離噪聲，消除串?dāng)_， 屏蔽EMI，減小傳輸損耗，消弱硅通孔寄生效應(yīng)，可改善高頻性能；同時便于測量絕緣層特性，不需額外制造測量結(jié)構(gòu)，只需測量外導(dǎo)電連接構(gòu)件和內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件之間的絕緣特性即可得到絕緣層特性。


圖1為本發(fā)明實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為本發(fā)明另一實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖3為本發(fā)明另一實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4為本發(fā)明另一實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細描述。實施例1
如圖1所示，本實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，包括硅基片101、硅通孔、重摻雜層 103、外導(dǎo)電連接構(gòu)件104、絕緣層105和內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件106。其中硅基片為ρ型硅，硅通孔為直孔，貫穿硅基片101。重摻雜層103，位于硅通孔的硅側(cè)壁，摻雜元素為III A族或者 V A族元素，摻雜類型為ρ型雜質(zhì)，例如硼離子，摻雜濃度為IO19原子/cm3，摻雜深度為1微米。外導(dǎo)電連接構(gòu)件104至少包括一層接觸材料，被重摻雜層103圍繞，接觸材料為鋁(Al )、 鋁-硅、硅化鈦(TiSi2)、氮化鈦(TiN)、鎢、硅化鉬(MoSi2)、硅化鉬(PtSi)、硅化鈷(CoSi2) 和硅化鎢(WSi2)中的一種或幾種，厚度為0. 5微米-5微米，接觸材料在重摻雜層103與外導(dǎo)電連接構(gòu)件104界面形成歐姆接觸。絕緣層105，被外導(dǎo)電連接構(gòu)件104圍繞，其形成材料包括玻璃、氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiON)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鋁(Al2O3)、 聚合物中的一種或幾種，聚合物可以為聚酰亞胺(PI)、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚乙烯、聚苯并咪唑(PBO)或者乙烯丙烯酸共聚物(EAA)，厚度為1微米-200微米。內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件106為實心填充，被絕緣層105圍繞，與外導(dǎo)電連接構(gòu)件104絕緣，其形成材料為鎳、鐵、銅、鋁、鉬、 金、鈀、鈦、鎢、鋅、銀、錫及其一元或二元合金(合金化元素包括銀、金、鎳、鐵、鈷、錳、錸)、多晶硅、碳納米管或者導(dǎo)電膠中的一種或幾種。本實施例中，硅基片101還可以是η型硅，重摻雜層103的摻雜類型可以與硅基片類型相同或相反。本實施例中，外導(dǎo)電連接構(gòu)件104還包括至少一層導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料為鎳、鐵、 銅、鋁、鉬、金、鈀、鈦、鉭、鎢、鋅、銀、錫及其一元或二元合金(合金化元素包括銀、金、鎳、 鐵、鈷、錳、錸)、多晶硅中的一種或幾種；所述導(dǎo)電材料也可以與接觸材料相同，為鋁(Al)、 鋁-硅、硅化鈦(TiSi2)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)、硅化鉬(MoSi2)、硅化鉬(PtSi)、硅化鈷 (CoSi2)和硅化鎢(WSi2)中的一種或幾種。本實施例中，絕緣層105和內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件106可以重復(fù)交替設(shè)置，形成環(huán)形同軸結(jié)構(gòu)。本實施例還提供一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟
(1)在硅基片101上采用刻蝕或者激光打孔的方法形成硅通孔；
(2)在硅通孔的側(cè)壁上形成重摻雜層，摻雜方法為擴散摻雜或者離子注入；
(3)在重摻雜層表面通過蒸發(fā)、濺射、電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法形成外導(dǎo)電連接構(gòu)件，然后在300°C-500°C下進行退火合金化處理，在重摻雜層103與外導(dǎo)電連接構(gòu)件104界面形成歐姆接觸；
(4)通過濺射、蒸發(fā)或化學(xué)氣相沉積方法在外導(dǎo)電連接構(gòu)件104表面形成至少一層導(dǎo)電材料，與絕緣層105接觸；
(5)在硅通孔內(nèi)通過旋涂的方法填充絕緣材料；
(6)在填充絕緣材料的硅通孔內(nèi)通過激光打孔的方法形成絕緣層105；
(7)在所述絕緣層表面通過電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、回流或者熔融金屬填充的方法形成內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件106。實施例2
如圖2所示，本實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)中，內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件106為環(huán)形填充，被絕緣層105圍繞，其他結(jié)構(gòu)特征和制造方法與圖1所示的實施例1所述相同。實施例3
如圖3所示，本實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)中，硅通孔為錐形孔，其他結(jié)構(gòu)特征和制造方法與圖1所示的實施例1相同。實施例4
如圖4所示，本實施例提供的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)中，重摻雜層和外導(dǎo)電連接構(gòu)件可延伸至硅基片上、下表面。制造此結(jié)構(gòu)的方法與實施例1中的方法基本相同，只是在形成重摻雜層和外導(dǎo)電連接構(gòu)件時，不僅僅在硅通孔內(nèi)，在硅基片上、下表面也形成重摻雜層和外導(dǎo)電連接構(gòu)件。本發(fā)明的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)可用于增強硅通孔的魯棒性，可以隔離噪聲，消除串?dāng)_，屏蔽EMI，消弱硅通孔寄生效應(yīng)，減小傳輸損耗，可改善高頻性能；同時便于測量絕緣層特性，不需額外制造測量結(jié)構(gòu)，只需測量外導(dǎo)電連接構(gòu)件和內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件之間的絕緣特性即可得到絕緣層特性。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 娃基片；硅通孔，貫穿所述硅基片； 重摻雜層，位于所述硅通孔的側(cè)壁； 外導(dǎo)電連接構(gòu)件，被所述重摻雜層圍繞； 至少一層絕緣層，被所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件圍繞；至少一層內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件，被所述絕緣層圍繞，與所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件形成同軸結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述硅通孔為直孔或錐形孔。
3.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述重摻雜層位于硅基片的表面，所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件位于所述硅基片表面的所述重摻雜層之上。
4.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件為實心結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕緣層和所述內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件重復(fù)交替設(shè)置，形成多環(huán)形同軸結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述硅基片為ρ型硅或者η型硅。
7.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述重摻雜層的摻雜元素為III A族或者V A族元素，摻雜類型與硅基片類型相同或相反。
8.如權(quán)利要求7所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述重摻雜層的摻雜元素的濃度大于IO12原子/cm3。
9.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件包括至少一層接觸材料。
10.如權(quán)利要求9所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述接觸材料為鋁(Al)、 鋁-硅、硅化鈦(TiSi2)、氮化鈦(TiN)、鎢、硅化鉬(MoSi2)、硅化鉬(PtSi)、硅化鈷(CoSi2) 和硅化鎢(WSi2)中的一種或幾種。
11.如權(quán)利要求9所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述接觸材料與所述重摻雜層形成歐姆接觸。
12.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件包括至少一層導(dǎo)電材料。
13.如權(quán)利要求12所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)電材料為鎳、鐵、 銅、鋁、鉬、金、鈀、鈦、鉭、鎢、鋅、銀、錫及其一元或二元合金、多晶硅中的一種或幾種；所述導(dǎo)電材料為鋁(Al)、鋁-硅、硅化鈦(TiSi2)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)、硅化鉬(MoSi2)、硅化鉬 (PtSi)、硅化鈷(CoSi2)和硅化鎢(WSi2)中的一種或幾種。
14.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕緣層包括至少一層絕緣材料。
15.如權(quán)利要求14所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕緣材料為玻璃、氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiON)、氧化鉭(Tei2O5)、氧化鋁(Al2O3)、聚合物中的一種或幾種。
16.如權(quán)利要求1所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件的材料為鎳、鐵、銅、鋁、鉬、金、鈀、鈦、鉭、鎢、鋅、銀、錫及其一元或二元合金、多晶硅、碳納米管、 導(dǎo)電膠中的一種或幾種。
17.一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括如下步驟在硅基片上形成硅通孔；在所述硅通孔的側(cè)壁上形成重摻雜層；在所述重摻雜層表面形成外導(dǎo)電連接構(gòu)件；在所述外導(dǎo)電連接構(gòu)件表面形成絕緣層；在所述絕緣層表面形成內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件。
18.如權(quán)利要求17所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)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、下表面形成重摻雜層。
19.如權(quán)利要求17所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述重摻雜層的形成通過離子注入或者擴散摻雜的方法實現(xiàn)，摻雜的濃度大于IO12原子/cm3。
20.如權(quán)利要求17所述的同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述外導(dǎo)電連結(jié)構(gòu)件包括至少一層接觸材料，所述接觸材料形成后經(jīng)過退火合金化處理，與重摻雜層形成歐姆接觸，退火溫度在300°C -500°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及微電子封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)。所述互連結(jié)構(gòu)，包括硅基片；硅通孔，貫穿硅基片；重摻雜層，位于硅通孔的側(cè)壁；外導(dǎo)電連接構(gòu)件，被重摻雜層圍繞；至少一層絕緣層，被外導(dǎo)電連接構(gòu)件圍繞；至少一層內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件，被絕緣層圍繞，與外導(dǎo)電連接構(gòu)件形成同軸結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供一種同軸硅通孔互連結(jié)構(gòu)的制造方法。本發(fā)明可用于增強硅通孔的魯棒性，可以隔離噪聲，消除串?dāng)_，屏蔽EMI，減小傳輸損耗，消弱硅通孔寄生效應(yīng)，可改善高頻性能；同時便于測量絕緣層特性，不需額外制造測量結(jié)構(gòu)，只需測量外導(dǎo)電連接構(gòu)件和內(nèi)導(dǎo)電連接構(gòu)件之間的絕緣特性即可得到絕緣層特性。
文檔編號H01L21/768GK102412228SQ20111033653
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者于大全, 王惠娟, 赫然 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所