硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构及其制备方法与流程

本发明涉及微机电系统、封装领域，特别是针对硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构及其制备方法。

背景技术：

微机电系统(microelectromechanicalsystem,mems)是通过半导体工艺和微纳加工技术在硅或其他介质晶圆上形成微机械元件并最终与信号处理电路集成于一体的统称。由于mems器件具有可动结构易受组装工艺和实际应用场景的外力冲击和环境影响，因此通常需要进行气密或真空封装以保护器件脆弱的可动结构、实现与外界环境的隔离和器件性能的提升。mems封装通常有器件或芯片级(die-level)和晶圆级(wafer-levelpackage,wlp)两种封装方案。由于在晶圆层级封装能一次实现晶圆上所有器件的封装，因此能通过批量化制造极大地降低成本，并能提高工艺参数一致性、产品的成品率与可靠性，可见mems晶圆级封装是实现mems器件产品化和实用化的进程中的关键技术。晶圆级封装主要通过晶圆级键合技术实现，主要的键合技术包括硅玻璃阳极键合、硅硅熔融键合、玻璃浆料键合、聚合物键合、共晶键合、扩散键合等。

随着器件小型化、高信号接口密度、高速和低功耗的迫切需求，晶圆级三维封装目前已成为集成电路ic和mems超越摩尔定律的重要发展议题。在mems晶圆级三维封装中，一种以低阻硅本体为垂直互连通路的mems三维晶圆级封装形式正成为近年学界和业界研究开发的热点。然而，现有的以低阻硅本体为垂直互连通路的mems三维晶圆级封装形式却面临如下问题：低阻硅本体垂直互连结构要么需要绝缘沟槽进行绝缘物质的致密填充以确保mems封装的气密性，要么就需要对低阻硅本体垂直互连结构进行单独的密封环设计来保证mems封装的气密性。例如，申请公布号为cn106711121a的发明申请公开的一种硅柱通孔互连结构及其制作方法，该硅柱互连结构的盖板绝缘沟槽是要求盖板刻蚀穿透，通常需要通过几百微米宽度的键合密封环单独设计来实现硅柱互连结构与封装体内部的隔离，这导致该垂直互连结构整体所占据的晶圆面积或尺寸较大，进而限制了低阻硅本体垂直互连结构的互连密度提升和封装体的小型化。因此，如何在不对硅本体垂直互连结构进行相应绝缘沟槽填充的同时，对硅本体垂直互连结构进行密封设计来提升硅本体垂直互连结构的互连密度及封装体小型化能力则显得尤为关键和迫切。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构，该封装结构避免了每一硅柱互连结构所需的独立键合密封环，从而减小了硅柱互连结构整体的晶圆占用面积并提升硅柱互连密度，有利于封装结构的小型化。

本发明的另一个目的在于提供一种上述硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构，包括待封装的微机械器件结构单元以及作为封装体的盖板结构单元，所述微机械器件结构单元内部设有器件可动微结构，微机械器件结构单元的待封装一侧表面设有器件侧键合金属层；所述盖板结构单元包括依次设置的盖板侧键合金属层、盖板绝缘层、盖板硅片以及盖板顶层金属；其中，所述器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层之间相互连接形成键合结构，所述盖板绝缘层上设有盖板绝缘层窗口，所述盖板侧键合金属层通过该盖板绝缘层窗口与盖板硅片连接形成金属与半导体间的电学接触；所述盖板硅片以及盖板顶层金属上设有环绕在所述盖板绝缘层窗口四周的绝缘沟槽，所述器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层形成的键合结构对绝缘沟槽下方的盖板绝缘层形成支撑；所述盖板硅片在绝缘沟槽内侧形成硅柱垂直互连结构。

上述硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的工作原理是：

本发明的微机械晶圆级封装结构中，微机械器件结构单元和盖板结构单元之间利用器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层实现连接，并且在器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层上设置有环绕在盖板绝缘层窗口四周的绝缘隔断空间，该绝缘隔断空间将器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层分成内外两侧区域，其中，外侧区域借由器件侧键合金属层与盖板侧键合金属层的键合金属之间的互扩散或共晶反应(含金属与金属间、金属与硅片体硅间的共晶反应)作用形成的键合结构实现盖板结构单元对微机械器件结构单元整体四周的密封，形成绝缘密封环区域；而内侧区域则形成器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层的电学互连区域，利用器件侧键合金属层作为器件互连金属层(即为器件待信号接口区域)与盖板侧键合金属层电学互连区域借由键合金属之间的互扩散或共晶反应作用形成的键合结构实现有效的电学连接。并通过盖板绝缘层窗口与硅柱垂直互连结构形成键合金属与硅柱本体之间的金属/半导体欧姆接触，进一步通过盖板顶层金属对硅柱垂直互连结构的电信号接口区域实现器件互连金属层在封装体外的垂直信号接口或垂直电学引出。与此同时，硅柱垂直互连结构通过在其周围形成与盖板硅片隔离的环形绝缘沟槽实现硅柱垂直互连结构的电学独立，并由盖板侧键合金属层电学互连区域形成的键合结构实现强度支撑；此外，盖板侧键合金属层电学互连区域处形成的键合结构以及盖板绝缘层共同实现了绝缘沟槽对应外部环境与被盖板硅片所密封器件结构对应内部空间的气密隔离。

因此，本发明利用在盖板侧键合金属层电学互连区域形成的键合结构，不仅实现了所密封器件结构的电学信号引出，也同时实现了器件结构的密封，从而免除了对硅柱垂直互连结构进行相应盖板侧键合金属层绝缘密封环这样的单独键合密封环设计，进而减小硅柱互连结构整体的晶圆占用面积并提升硅柱互连密度。

优选地，所述器件侧键合金属层和盖板侧键合金属层在实现所述电互连的同时形成了环绕在所述盖板绝缘层窗口四周的绝缘隔断空间；所述绝缘隔断空间和绝缘沟槽相互错开，且绝缘沟槽位于绝缘隔断空间的内侧。这样可以避免在绝缘隔断空间和绝缘沟槽之间形成薄弱部位，可以由盖板侧键合金属层电学互连区域形成的键合结构对硅柱垂直互连结构实现强度支撑。

优选地，所述盖板结构单元在与微机械器件结构单元的器件可动微结构对应处设有盖板空腔，其目的在于为微机械器件结构单元的器件可动微结构提供运动空间。

优选地，所述微机械器件结构单元包括依次连接的衬底片、衬底绝缘层、器件片、器件绝缘层以及所述器件侧键合金属层，所述器件可动微结构设置于器件片上，所述器件绝缘层上设有器件绝缘层窗口，所述器件侧键合金属层通过该器件绝缘层窗口与器件片电导通。

一种硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备待晶圆级封装的微机械器件结构单元；

(2)准备低电阻率的硅晶圆作为盖板硅片，在所述盖板硅片一侧沉积盖板绝缘层，并光刻腐蚀，形成一定宽度的盖板绝缘层窗口，作为体硅电极引出窗口，以及形成体硅刻蚀窗口；

(3)沉积盖板侧键合金属层，在盖板绝缘层窗口处形成一定宽度的盖板侧键合金属层电学互连区域以构建该盖板侧键合金属层与盖板体硅的底部金属/半导体接触结构，并进行光刻腐蚀出绝缘隔断空间，在所封装器件结构的外围形成一定宽度的盖板侧键合金属层绝缘密封环区域；

(4)在所述盖板硅片中与盖板侧键合金属层相对的一侧沉积盖板顶层金属，构建该盖板顶层金属与盖板硅片的顶部金属/半导体接触结构，至此形成键合前的盖板结构单元；

(5)将所述待晶圆级封装的微机械器件结构单元与所述制备好的键合前的盖板结构单元进行面对面的对准键合，其中所述器件侧键合金属层与盖板侧键合金属层分别作为共晶键合介质或扩散键合介质发生相应的共晶反应或互扩散作用，最终形成所述微机械器件结构单元与所述盖板结构单元的器件封装整体键合结构；

(6)在所述器件封装整体键合结构的盖板硅片顶部进行光刻腐蚀，对盖板顶层金属进行湿法腐蚀或干法刻蚀以形成盖板顶层金属对硅柱垂直互连结构的电信号接口区域，随后进一步对盖板顶层金属所暴露出来的盖板硅片体硅区域进行湿法腐蚀或干法刻蚀以形成环状盖板绝缘沟槽，并且腐蚀或刻蚀将在绝缘沟槽所对应的盖板绝缘层处终止，从而形成独立的硅柱垂直互连结构，完成硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的制备。

优选地，在步骤(3)中，进一步包括：在所述盖板硅片含有键合金属层一侧，进行光刻腐蚀，并利用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，首先暴露出盖板硅片指定的体硅区域，随后并对盖板硅片指定的体硅区域进行体硅的刻蚀或腐蚀以形成盖板空腔结构。

优选地，所述硅柱垂直互连结构中，所述盖板侧键合金属层与体硅之间以及盖板顶层金属与体硅之间金属/半导体接触在键合工艺高温作用下转变为欧姆接触，或者在键合工艺后通过单独的热处理或退火工艺形成欧姆接触，该欧姆接触实现器件封装内部电学信号的垂直引出。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明中的硅柱互连结构的盖板绝缘沟槽在盖板绝缘层处刻蚀停止(盖板绝缘层及其附着的键合金属起到了密封的作用)，此时只需要盖板绝缘沟槽落在作为密封功能的键合金属区域里面即可实现硅柱互连结构与封装体内部的隔离，只需要盖板绝缘沟槽通常几十微米的宽度略窄于密封功能区域宽度，避免了每一硅柱互连结构所需的独立键合密封环，从而减小了硅柱互连结构整体的晶圆占用面积并提升硅柱互连密度，有利于封装结构的小型化。

2、通过器件侧键合金属层作为器件互连金属层与盖板侧键合金属层电学互连区域经由键合金属形成的键合结构实现电互连，并通过硅柱垂直互连结构及其上下侧所形成的金属/半导体欧姆接触实现器件互连金属层在封装体外的垂直信号接口，而盖板侧键合金属层电学互连区域处形成的键合结构以及盖板绝缘层共同实现了绝缘沟槽对应外部环境与被盖板硅片所密封器件结构对应内部空间的气密隔离，由此免除了对硅柱垂直互连结构进行单独的键合密封环设计，进而减小硅柱互连结构整体对晶圆的占用面积，促进硅柱互连密度提升和封装小型化。

附图说明

图1为本发明的硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的第一种实施方式的结构示意图；

图2显示为本发明所针对的待晶圆级封装的微机械器件结构单元的结构示意图；

图3至图8为本发明图1所示封装结构的制作流程图，其中：

图3为在盖板硅片上设置盖板绝缘层的结构示意图；

图4为在盖板绝缘层上设置器件侧键合金属层的结构示意图；

图5为在盖板硅片上刻蚀盖板空腔的结构示意图；

图6为将待晶圆级封装的微机械器件结构单元与制备好的键合前的盖板结构单元进行面对面对准键合的结构示意图；

图7为在盖板顶层金属和盖板硅片上刻蚀盖板绝缘沟槽的结构示意图。

图8为本发明的硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的第二种实施方式的结构示意图。

图9为本发明的硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的第三种实施方式的结构示意图。

图中附图标记分别为：

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

本发明涉及一种硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构及其制备方法，用于在实现微机电系统晶圆级真空或气密封装的同时实现封装体内部器件与外部的电路或器件的硅柱垂直互连和信号接口。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参见图1，为本发明的其中一种硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构示意图，其包含待封装的微机械器件结构单元1以及盖板结构单元2两个部分。其中，微机械器件结构单元1包括依次连接的衬底片101、衬底绝缘层102、器件片103、器件绝缘层104以及器件侧键合金属层105(或作为互连金属层)等微机电系统典型构成要素，也即作为待晶圆级封装的微机械器件结构单元1。所述器件片103上设有器件可动微结构106，所述器件片103与器件侧键合金属层105之间电学连通。所述盖板结构单元2包括依次设置的盖板侧键合金属层201、盖板绝缘层202、盖板硅片203以及盖板顶层金属204；其中，所述器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201之间相互连接形成键合结构，所述盖板绝缘层202上设有盖板绝缘层窗口2021，所述盖板侧键合金属层201通过该盖板绝缘层窗口2021与盖板硅片203连接形成金属与半导体间的电学接触。所述盖板硅片203以及盖板顶层金属204上设有环绕在所述盖板绝缘层窗口四周的绝缘沟槽207；所述器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201形成的键合结构对绝缘沟槽207下方的盖板绝缘层202形成支撑。所述盖板硅片203在绝缘沟槽207内侧形成硅柱垂直互连结构208，具体地，绝缘沟槽207内侧的盖板硅片203顶部与盖板顶层金属204形成电信号接口区域，绝缘沟槽207内侧的盖板硅片203底部通过盖板绝缘层窗口2021与盖板侧键合金属层201形成金属与半导体间的电学接触。

参见图1，所述盖板结构单元2中，所述器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201上设置有绝缘隔断空间206，该绝缘隔断空间206用于对器件单元进行绝缘；所述绝缘隔断空间206和绝缘沟槽207相互错开，且绝缘沟槽207位于绝缘隔断空间206的内侧。这样可以避免在绝缘隔断空间206和绝缘沟槽207之间形成薄弱部位，可以由盖板侧键合金属层201电学互连区域形成的键合结构对硅柱垂直互连结构208实现强度支撑。

参见图1，所述盖板结构单元2在与微机械器件结构单元1的器件可动微结构106对应处设有盖板空腔2031，其目的在于为微机械器件结构单元1的器件可动微结构106提供运动空间。所述器件侧键合金属层105、盖板侧键合金属层201以及盖板绝缘层202在与所述盖板空腔2031对应处也设置有空槽，这些空槽共同为微机械器件结构单元1的器件可动微结构106提供运动空间。与此同时，器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201上的上述空槽与所述绝缘隔断空间206相连通。

参见图1，本发明的微机械晶圆级封装结构中，微机械器件结构单元1和盖板结构单元2之间利用器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201实现连接，并且在器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201上设置有环绕在电学互连区域四周的绝缘隔断空间206，该绝缘隔断空间206将器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201分成内外两侧区域，其中，外侧区域借由器件侧键合金属层105与盖板侧键合金属层201的键合金属之间的互扩散或共晶反应(含金属与金属间、金属与硅片体硅间的共晶反应)作用形成的键合结构实现盖板结构单元2对微机械器件结构单元1整体四周的密封，形成绝缘密封环区域205；而内侧区域则形成器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201的电学互连区域，利用器件侧键合金属层105作为器件互连金属层(即为器件待信号接口区域)与盖板侧键合金属层201电学互连区域借由键合金属之间的互扩散或共晶反应作用形成的键合结构实现有效的电学连接。并通过盖板绝缘层窗口2021与硅柱垂直互连结构208形成键合金属与硅柱本体之间的金属/半导体欧姆接触，进一步通过盖板顶层金属204对硅柱垂直互连结构208的电信号接口区域实现器件互连金属层在封装体外的垂直信号接口或垂直电学引出。与此同时，硅柱垂直互连结构208通过在其周围形成与盖板硅片203隔离的环形绝缘沟槽207实现硅柱垂直互连结构208的电学独立，并由盖板侧键合金属层201电学互连区域形成的键合结构实现强度支撑；此外，盖板侧键合金属层201电学互连区域处形成的键合结构以及盖板绝缘层202共同实现了绝缘沟槽207对应外部环境与被盖板硅片203所密封器件结构对应内部空间的气密隔离。

因此，本发明利用在盖板侧键合金属层201电学互连区域形成的键合结构，不仅实现了所密封器件结构的电学信号引出，也同时实现了器件结构的密封，从而免除了对硅柱垂直互连结构208进行相应盖板侧键合金属层201绝缘密封环这样的单独键合密封环设计，进而减小硅柱互连结构整体的晶圆占用面积并提升硅柱互连密度。

本发明的硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)准备一含有绝缘层(衬底绝缘层102与器件绝缘层104，该器件绝缘层104上刻蚀有空槽1041)、金属层(器件侧键合金属层105(或作为互连金属层，如共晶焊料au-sn、al-ge、sn-ag-cu系统或cu-cu互扩散系统等等中的某一对应键合介质金属))、器件可动微结构106等微机电系统典型构成要素且由衬底片101和器件片103所构建的微机械器件结构单元1，也即作为待晶圆级封装的微机械器件结构单元1。对器件侧键合金属层105进行图形化刻蚀，形成环形空槽1051和空槽1052。

(2)准备一低电阻率的硅晶圆作为盖板硅片203(如选用电阻率为0.02ω·cm的硅片)，在所述硅片一侧沉积盖板绝缘层202(如氧化硅、氮化硅等)，并在绝缘层处光刻腐蚀，形成一定宽度的盖板绝缘层窗口2021，作为体硅电极引出窗口；以及形成用于后续刻蚀盖板空腔2031的体硅刻蚀窗口2022。

(3)沉积盖板侧键合金属层201(如共晶焊料au-sn、al-ge、sn-ag-cu系统或cu-cu互扩散系统等等中的某一对应键合介质金属)，并进行光刻腐蚀，形成用于构成后续的绝缘隔断空间206的环形空槽2011以及用于为器件可动微结构106提供运动空间的空槽2012；在预设盖板绝缘层窗口2021处形成一定宽度的盖板侧键合金属层电学互连区域以构建盖板侧键合金属层201与盖板硅片203的底部金属/半导体接触结构，同时在所封装器件结构的外围形成一定宽度的盖板侧键合金属层绝缘密封环区域205；进一步地，对由盖板绝缘层202的体硅刻蚀窗口2022所暴露出的指定体硅区域进行光刻腐蚀，并利用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法进行盖板硅片203的刻蚀以形成盖板空腔2031。

(4)在所述盖板硅片203另一侧沉积盖板顶层金属204(如au、al等等)，构建沉积盖板顶层金属204与盖板硅片203的顶部金属/半导体接触结构，至此形成键合前的盖板结构单元2。

(5)将所述待晶圆级封装的微机械器件结构单元1与所述制备好的键合前的盖板结构单元2进行面对面的对准键合工艺，其中所述器件侧键合金属层105与盖板侧键合金属层201分别作为共晶键合介质或扩散键合介质发生相应的共晶反应或互扩散作用，并且所述盖板顶层金属204与盖板硅片203的顶部金属/半导体接触和盖板侧键合金属层201与盖板硅片203的底部金属/半导体接触在键合工艺高温作用下转变为欧姆接触，最终形成所述微机械器件结构与所述盖板结构单元2的器件封装整体键合结构。

(6)在所述器件封装整体键合结构的盖板硅片203顶部进行光刻腐蚀，对盖板顶层金属204进行湿法腐蚀或干法刻蚀以形成盖板顶层金属204对硅柱垂直互连结构208的电信号接口区域，随后进一步对盖板顶层金属204所暴露出来的盖板硅片203体硅区域进行湿法腐蚀或干法刻蚀以形成环状盖板绝缘沟槽207，并且腐蚀或刻蚀将在绝缘沟槽207所对应的盖板绝缘层202处终止，从而形成独立的硅柱垂直互连结构208，完成硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构的制备。

本发明的制备方法中，所述硅柱垂直互连结构208中，所述盖板侧键合金属层201与体硅之间以及盖板顶层金属204与体硅之间金属/半导体接触除了可以在键合工艺高温作用下转变为欧姆接触，还可以在键合工艺后通过单独的热处理或退火工艺形成欧姆接触，该欧姆接触实现器件封装内部电学信号的垂直引出。

综上所述，本发明提供一种硅柱垂直互连的微机械晶圆级封装结构及其制备方法。本发明利用在盖板侧键合金属层电学互连区域形成的键合结构，不仅可实现所密封器件结构的电学信号垂直引出，也同时能实现器件结构的密封，从而在不需对绝缘沟槽207进行填充的基础上免除了对硅柱垂直互连结构208进行相应盖板侧键合金属层绝缘密封环这样的单独键合密封环设计，进而减小硅柱互连结构整体的晶圆占用面积并提升硅柱互连密度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度的产业利用价值。

实施例2

参见图8，本实施例中的器件侧键合金属层105和盖板侧键合金属层201上没有设置有绝缘隔断空间206，此种情况适用于器件只需要一个盖板硅片硅柱垂直互连的信号接口的情况，即器件只有一个电极需要从封装结构中引出。

实施例3

参见图9，本实施例中的设有两种硅柱垂直互连结构208，与实施例1不同是，另一种硅柱垂直互连结构208用于将器件侧键合金属层105上的电信号引出，此种情况适用于器件需要多个盖板硅片硅柱垂直互连的信号接口的情况，即器件需要多个电极需要从封装结构中引出，因此各电极需要设置密封隔断空206间实现彼此的电学隔离或独立。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。