CN103241704A

CN103241704A - 三维集成传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103241704A
Application number: CN2013101760977A
Authority: CN
Inventors: 王喆垚; 宋振
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: CN103241704B

Abstract

本发明公开了一种三维集成传感器及其制备方法，包括：提供信号处理电路芯片和传感器芯片，其中，定义信号处理电路芯片中制造有信号处理电路的一面为正面，定义传感器芯片中制造有传感器的一面为正面；在信号处理电路芯片上制造穿透整个芯片厚度的三维互连；在信号处理电路芯片的背面制造凹槽阵列，每个凹槽与传感器芯片上的传感单元位置对应；利用金属凸点键合或高分子层键合，将传感器芯片与信号处理电路芯片集成，其中，传感器芯片正面与信号处理电路芯片的背面相对，传感器与信号处理电路芯片之间通过三维互连实现电学连接。本发明还公开了一种三维集成传感器。本发明的传感器及其制备方法具有集成度高、灵敏可靠的优点。

Description

三维集成传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种三维集成传感器及其制备方法。

背景技术

基于微加工技术制造的微型传感器由于具有低成本、低功耗、高灵敏度、体积小、重量轻、易于与信号处理电路集成等优势，已经成为传感器的主流技术。利用微加工技术实现传感器与信号处理电路的集成有很多优点。首先，处理电路靠近微传感器，可以减小由于引线产生的寄生参数、抑制外部干扰，显著提高被测信号的信噪比，对电容等易受分布参数影响的信号检测能够实现更高的测量精度；其次，集成电源电压不仅降低传感器对外部电源的要求，使用更加方便，还能够改善输出信号的稳定性，集成温度补偿电路可以获得更接近传感器的温度测量和更准确的补偿；第三，集成模拟-数字转换电路，可以在片上将传感器的模拟信号转换为数字信号进行后续的处理和传输，进一步提高信号传输过程的抗干扰能力；第四，集成传感器系统体积减小、功耗低、器件数量少、封装管脚少，可靠性高。

由于传感器需要的微结构、微加工制造工艺和材料与信号处理电路的制造工艺、材料存在差别，多数情况下传感器与信号处理电路在制造过程中可能产生负面的相互影响，完全实现集成还有较大的难度。目前常用的传感器与信号处理电路集成方法包括：交叉工艺、先MEMS后集成电路工艺和先集成电路后MEMS工艺。如ADI公司开发的iMEMS技术、美国Sandia国家实验室开发的Summit V等基于多晶硅结构的集成制造工艺。iMEMS工艺和Summit工艺尽管有一定的适用性，但是工艺顺序严重限制了传感器设计的灵活性，并且这些都是表面微加工与电路的集成方法，所制造的结构厚度仅有几个微米，有时无法满足使用的要求。反应离子深刻蚀技术（DRIE）的发展，为高深宽比结构与信号传感器电路的集成提供了可能，但是由于传感器与信号处理电路都位于芯片的同一表面，信号处理电路占用传感器的面积，对阵列式传感器会导致芯片面积大幅增加，带来芯片成品率降低和成本增加。同时在同一表面对制造悬空结构也有很大的困难，目前较多使用的牺牲层技术虽然可以实现悬空，但是对于复杂悬空结构的实现有较大困难。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有集成度高、灵敏可靠的三维集成传感器的制备方法，本发明的另一目的在于提出一种三维集成传感器。

为实现上述目的，根据本发明实施例的三维集成传感器及其制备方法，包括步骤：A.提供信号处理电路芯片和传感器芯片,其中，定义所述信号处理电路芯片中制造有信号处理电路的一面为正面，定义所述传感器芯片中制造有传感器的一面为正面；B.在所述信号处理电路芯片上制造穿透整个芯片厚度的三维互连；C.在所述信号处理电路芯片的背面制造凹槽阵列，每个凹槽与所述传感器芯片上的传感单元位置对应；D.利用金属凸点键合或高分子层键合，将所述传感器芯片与所述信号处理电路芯片集成，其中，所述传感器芯片正面与所述信号处理电路芯片的背面相对，所述传感器与所述信号处理电路芯片之间通过所述三维互连实现电学连接。

在本发明的一个实施例中，所述传感器由所述凹槽之间的侧壁支撑，使所述传感器悬空在所述信号处理电路芯片背面的所述凹槽的上方。

在本发明的一个实施例中，还包括：E.对所述传感器芯片的背面进行减薄或者局部减薄。

在本发明的一个实施例中，当所述传感器包含单晶硅或单晶锗材料时，采用绝缘体硅晶圆或绝缘体锗晶圆作为衬底制造所述传感器芯片。

在本发明的一个实施例中，所述传感器包含多晶，非晶或金属材料中的一种或多种的组合。

在本发明的一个实施例中，所述传感器包括微机械结构，特别是光学微镜。

在本发明的一个实施例中，所述传感器包括单个传感器或传感器阵列，特别是红外传感器阵列。

在本发明的一个实施例中，所述传感器包括二极管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

为实现上述目的，根据本发明实施例的三维集成传感器，是通过上文的三维集成传感器的制备方法制成的。

本发明提出的三维集成传感器及其制备方法，利用键合和三维互连技术实现悬空传感器结构并与信号处理电路集成，具体地，在预先制造好处理电路芯片的背面制造用于传感器悬空的凹槽，然后通过圆片键合将传感器芯片的器件层转移至处理电路芯片的背面，传感器层悬空在处理电路芯片背面凹槽的上方。通过穿透处理电路芯片的三维互连实现传感器与信号处理电路的电信号连接。本发明的优点在于：通过键合同时实现传感器芯片与信号处理电路芯片的集成和传感器结构的悬空，并利用三维互连实现传感器与信号处理电路的电信号连接，制造过程灵活，可以实现较复杂的悬空结构，能够实现单晶悬空传感器结构，减小信号处理电路占用的面积，减小信号处理的噪声，可以获得优良的传感器一致性和大规模阵列式结构。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的三维集成传感器的制备方法的流程图；

图2是是本发明实施例提供的传感器芯片示意图；

图3是本发明实施例提供的信号处理电路芯片示意图；

图4是本发明实施例提供的从处理电路芯片背面刻蚀出高深宽比通孔并在通孔内部淀积绝缘层、扩散阻挡层和种子层后的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的从信号处理电路所在表面进行铜电镀，填充芯片背面刻蚀的深孔205形成三维互连的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的在信号处理电路芯片的背面制造凹槽后的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的传感器芯片和处理电路芯片键合以后的示意图；和

图8是本发明实施例提供的去除传感器芯片的衬底和埋氧层将器件层转移到处理电路芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，根据本发明实施例的三维集成传感器的制备方法，包括以下步骤：

A.提供信号处理电路芯片和传感器芯片,其中，定义信号处理电路芯片中制造有信号处理电路的一面为正面，定义传感器芯片中制造有传感器的一面为正面。

B.在信号处理电路芯片上制造穿透整个芯片厚度的三维互连。

C.在信号处理电路芯片的背面制造凹槽阵列，每个凹槽与传感器芯片上的传感单元位置对应。

D.利用金属凸点键合或高分子层键合，将传感器芯片与信号处理电路芯片集成，其中，传感器芯片正面与信号处理电路芯片的背面相对，传感器与信号处理电路芯片之间通过三维互连实现电学连接。

可以知道，本发明的制备方法采用了悬空结构和键合技术；通过将传感器芯片悬空，可以为传感器中可动的结构提供空间位置，同时可以减小传感器向衬底的热量散失，从而提高热学测量的灵敏度。利用键合不但将传感器芯片固定在信号处理电路芯片上方，还同时实现了传感器芯片与信号处理电路之间的电学连接。

在本发明的一个实施例中，传感器由凹槽之间的侧壁支撑，使传感器悬空在信号处理电路芯片背面的凹槽的上方。凹槽直接制造在芯片所在衬底的背面，与传统的制造好传感器以后在通过刻蚀去除传感器下方的衬底材料相比，可以大幅度简化将传感器悬空所需要的工艺过程。

在本发明的一个实施例中，还包括：E.对传感器芯片的背面进行减薄或者局部减薄。通过减薄可以减小传感器的厚度、质量和热容量，从而提高传感器对微弱信号的响应能力。

在本发明的一个实施例中，当传感器包含单晶硅或单晶锗材料时，采用绝缘体硅晶圆或绝缘体锗晶圆作为衬底制造传感器芯片。对于需要传感器结构具有优异的力学性能和疲劳可靠性、以及需要低噪声的电学器件时，例如麦克风、加速度传感器或红外传感器等，多晶材料和金属等不能满足要求，需要采用单晶硅或者单晶锗材料作为传感器的材料。

在本发明的一个实施例中，传感器包含多晶，非晶或金属材料中的一种或多种的组合。当传感器为温度、辐射、光学等传感器时，传感器结构不需要长期动作，对材料的要求不高，可以采用多项、非晶或者金属材料。

在本发明的一个实施例中，传感器包括微机械结构，特别是光学微镜。光学微镜通常是通过镜面的摆动或运动实现对光束的反射或衍射等控制，从而实现投影、成像等功能，而本申请通过信号处理电路芯片的凹槽为光学微镜的摆动提供运动空间。

在本发明的一个实施例中，传感器包括单个传感器或传感器阵列，特别是红外传感器阵列。通过将红外传感器或温度传感器悬空在信号处理电路芯片的凹槽上方，可以减小红外传感器所吸收的被测红外辐射所产生的温度向衬底的传输，减小温度传感器从环境吸收的温度向衬底的传输，从而提高传感器的灵敏度和响应速度。在本发明的一个实施例中，传感器包括二极管或金属氧化物半导体场效应晶体管。对于温度传感器可以采用二极管或金属氧化物半导体场效应管来实现。

另外，根据本发明实施例的三维集成传感器，是通过上文的三维集成传感器的制备方法制成的。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面将以传感器制造在绝缘体硅（SOI）圆片上为例，结合附图2-8对本发明实施方式作进一步地详细描述。

其中，图2是本发明实施例提供的传感器芯片示意图。包括衬底层100，埋氧层101和传感器所在的器件层102，器件层102上制造有传感器或电子器件103，器件层102的表面制造有用于传感器和处理电路互连的金属凸点104。图3是本发明实施例提供的信号处理电路芯片示意图。包括衬底200，电子器件201，金属互连202，钝化和绝缘层203。204是信号处理电路表面为后续电镀三维互连准备的导电电极。图4是本发明实施例提供的从处理电路芯片背面刻蚀出高深宽比通孔并在通孔内部淀积绝缘层、扩散阻挡层和种子层后的结构示意图。图中205是刻蚀的深孔，206代表淀积的绝缘层、扩散阻挡层和种子层。图5是本发明实施例提供的从信号处理电路所在表面进行铜电镀，填充芯片背面刻蚀的深孔205形成三维互连的结构示意图。图中207是三维互连，208制造的用于和传感器连接的金属凸点。图6是本发明实施例提供的在信号处理电路芯片的背面制造凹槽后的结构示意图。图中209是刻蚀的凹槽，210是根据需要可选的在凹槽中制造的结构或器件。图7是本发明实施例提供的传感器芯片和处理电路芯片键合以后的示意图。图中，211是根据需要可选的用于增强键合强度的固体填充材料。图8是本发明实施例提供的去除传感器芯片的衬底和埋氧层将器件层转移到处理电路芯片的结构示意图。具体工艺如下：

如图2所示，利用标准集成电路制造工艺和/或微加工工艺在SOI圆片的器件层102上制造传感器103以及金属凸点104，埋氧层101用于后续去除衬底层100的去除自停止层。传感器103可以包含微型传感器、微机械结构，也可以包括电阻、电容以及二极管和场效应管等电子器件。传感器既可以在开始阶段制造完成，也可以在SOI器件层102转移到信号处理电路芯片以后再制造，但是涉及到需要高温过程的工艺步骤和器件，例如通过注入和退火工艺制造的电阻、二极管或晶体管等，需要在键合以前制造完成。

如图3所示为信号处理电路芯片。信号处理电路采用标准集成电路工艺完成，图中200是信号处理电路衬底，201、202、203分别是电子器件、金属互连和钝化保护层。最后在信号处理电路表面制造用于电镀三维互连的电极204。

如图4所示，将处理电路芯片翻转，利用反应离子深刻蚀的方法，在衬底200上刻蚀穿透衬底200和钝化保护层203的通孔205，通孔205的位置与电极204对应。然后利用化学气相沉积、原子层沉积、金属氧化物化学气相沉积和溅射等方式，在深孔侧壁淀积绝缘层、扩散阻挡层和种子层206。

如图5所示，利用电极204作为导电介质，实施自底向上的单向电镀，把通孔205内部电镀填充铜，形成三维互联207，并且在三维互联207顶部制造金属凸点208。

如图6所示，在处理电路芯片的背面，利用反应离子深刻蚀技术制造凹槽209。凹槽的深度根据传感器悬空高度的要求确定。如有需要，还可以在凹槽209中制造一定的微结构或传感器210以满足特定的需求。

如图7所示，将传感器芯片翻转后，使传感器芯片表面的金属凸点104与信号处理电路芯片背面的金属凸点208对应，施加一定的温度和压力对二者进行热压键合，实现传感器芯片与信号处理电路芯片的三维集成。可以选择在凸点周围填充间隙材料211以增加键合强度。

如图8所示，利用机械减薄、研磨、化学机械抛光和干法刻蚀以及湿法刻蚀等技术，或结合这些技术，将传感器芯片的背面减薄，即将衬底层100去除，此时顺利将传感器芯片的传感器层102转移处理电路芯片的背面。去除衬底层100的过程中利用埋氧层101作为去除过程的自动停止层。最后利用干法或湿法刻蚀去除埋氧层101，使器件层102上制造的传感器103悬空在凹槽209的上方。

至此，实现了利用三维互连将传感器与信号处理电路实现集成，传感器悬空在芯片背面的凹槽上方，通过凹槽之间的侧壁进行支撑。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种三维集成传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.提供信号处理电路芯片和传感器芯片,其中，定义所述信号处理电路芯片中制造有信号处理电路的一面为正面，定义所述传感器芯片中制造有传感器的一面为正面；

B.在所述信号处理电路芯片上制造穿透整个芯片厚度的三维互连；

C.在所述信号处理电路芯片的背面制造凹槽阵列，每个凹槽与所述传感器芯片上的传感单元位置对应；

D.利用金属凸点键合或高分子层键合，将所述传感器芯片与所述信号处理电路芯片集成，其中，所述传感器芯片正面与所述信号处理电路芯片的背面相对，所述传感器与所述信号处理电路芯片之间通过所述三维互连实现电学连接。

2.如权利要求1所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器由所述凹槽之间的侧壁支撑，使所述传感器悬空在所述信号处理电路芯片背面的所述凹槽的上方。

3.如权利要求1所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，还包括：

E.对所述传感器芯片的背面进行减薄或者局部减薄。

4.如权利要求1-3所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，当所述传感器包含单晶硅或单晶锗材料时，采用绝缘体硅晶圆或绝缘体锗晶圆作为衬底，制造所述传感器芯片。

5.如权利要求1-3所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器包含多晶，非晶或金属材料中的一种或多种的组合。

6.如权利要求1-3所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器包括微机械结构，特别是光学微镜。

7.如权利要求1-3所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器包括单个传感器或传感器阵列，特别是红外传感器阵列。

8.如权利要求1-3所述三维集成传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器包括二极管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

9.一种三维集成传感器，其特征在于，是通过权利要求1-9中任一项所述三维集成传感器的制备方法制成的。