CN115290713B - 一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片及其制备方法，敏感芯片包括开设有金属化通孔的衬底和微电极，微电极通过覆盖通孔金属化的位置，与所述金属化通孔进行电连接，制备方法包括以下步骤：在衬底上形成第一钝化层，并沉积第一金属层，完成图形化制作；在衬底裸露位置制作出通孔；在衬底及通孔内壁上形成第二钝化层；在第二钝化层上形成金属种子层；电镀铜层，填充通孔；抛光衬底；在衬底上沉积第三和第四钝化层；在衬底上表面对应通孔的位置，去除第三和第四钝化层；在衬底上表面制作出微电极；在衬底下表面对应通孔的位置，去除第三钝化层和第四钝化层，得到芯片。本发明有效减小了芯片尺寸，降低了制备成本。

Description

一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片及其制备 方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造工艺领域，具体涉及一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片及其制备方法。
背景技术
电化学传感器在空气与水质检测中应用广泛，其原理为：被检测物质在电化学传感器工作电极(即敏感电极或者感应电极)表面发生电化学反应，化学能转化为电信号，形成被测物质特性与电信号的相关关系，从而通过获取工作电极上的电信号，可获得被测物质的有无，或者浓度等参数。
目前，电化学传感器的小型化、集成化以及智能化已成为传感器行业的发展和研究方向。其中，电化学敏感芯片是实现传感器小型化与集成化的有效途径。在保证敏感芯片小体积，小面积的同时，实现敏感芯片的微型电极与外部电路高效的电连接，是实现传感器小型化的关键。通过此电连接，敏感芯片可与外部电路进行信号传输、电能供给。
对于电化学敏感芯片，目前主要采用金丝焊接技术实现微型电极与外部电路的连接，但是此技术不利于小型化，同时也增加了成本，具体原因如下：
金丝焊接技术要求在敏感芯片上设计与微型电极实现电连接的焊盘，作为金丝焊接的连接点。金丝一端焊接到焊盘上，一端焊接到外部电路上，实现微型电极与外部电路的电连接。但是，焊盘的设计增加了敏感芯片的尺寸，传感器尺寸也随之增大，不利于其小型化，同时也增加了成本。另外，需要对金焊丝进行胶封，保护金焊丝不受待测样品或外力损伤，同时阻止金焊丝与待测样品的接触。但是，胶封工艺难度大，一致性差，另外，在金焊丝上点密封胶，增大了敏感芯片的整体厚度，对传感器的小型化集成带来了负面影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片及其制备方法，从而解决了现有技术中必须设计焊盘，导致芯片尺寸、成本的增加，以及采用胶封使得芯片的一致性差和厚度增加的技术问题，从而达到有效减小芯片面积与体积，降低制备成本的目的。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片，包括开设有金属化通孔的衬底和微电极，所述微电极通过覆盖通孔金属化的位置，与所述金属化通孔进行电连接。
一种上述电化学敏感芯片的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底，通过热氧化在所述衬底的上表面形成第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积第一金属层，进行光刻与刻蚀，利用等离子刻蚀分别去除裸露的第一金属层和第一钝化层，制作出图形化的第一钝化层和第一金属层；
在所述衬底去除第一钝化层和第一金属层的位置制作出通孔；
利用缓冲液去除剩余的第一钝化层和第一金属层；
通过热氧化在所述衬底及通孔内壁上形成第二钝化层；
在所述第二钝化层上直流溅射金属种子层；
在所述金属种子层上电镀一铜层，填充所述通孔；
通过抛光，去除所述衬底上下表面的第二钝化层、金属种子层以及铜层；
通过等离子体增强化学气相沉积，在所述衬底上沉积第三钝化层和第四钝化层；
在所述衬底上表面对应通孔的位置，通过等离子刻蚀去除所述第三钝化层和第四钝化层；
在所述衬底上表面沉积第二金属层，进行光刻，并利用剥离工艺去除多余的第二金属层，制作出微电极，微电极覆盖通孔金属化的位置，实现微电极与通孔金属的电连接，微电极制作完成后，合金化处理，保证金属电极与通孔金属的欧姆接触；
利用光刻胶进行保护正面结构，在所述衬底下表面对应通孔的位置，通过等离子刻蚀去除第三钝化层和第四钝化层，去除光刻胶，完成芯片的制备。
作为本发明优选的实施方式，所述热氧化，包括：采用干氧-湿氧-干氧交替氧化法，氧化温度为1050～1150℃，氧化时间为20～40分钟；
其中，所述第一钝化层和第一钝化层均为二氧化硅钝化层。
作为本发明优选的实施方式，所述等离子刻蚀第一钝化层，包括：采用CHF3作为等离子刻蚀气体，CHF3的流量为10～20sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为90w～110w，反应室压力为2～8Pa，所述第一钝化层的刻蚀速度为10～20nm/min。
作为本发明优选的实施方式，所述沉积第一金属层，包括：通过磁控溅射沉积第一金属层，溅射功率为80～200瓦，溅射时间为2～10min；
其中，所述第一金属层为金属铝层，厚度为500～1000nm。
作为本发明优选的实施方式，所述等离子刻蚀第一金属层，包括：采用BCl3和Cl2作为等离子刻蚀气体，BCl3的流量为40～75sccm，Cl2的流量为8～12sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为50～200W，反应室压力为5～10Pa，所述第一金属层的刻蚀速度5～20nm/min。
作为本发明优选的实施方式，所述直流溅射金属种子层，包括：采用氩气作为直流溅射气体，氩气流量为20～30sccm，直流溅射功率为10～60w，溅射气压为3.0～4.0×10- 1Pa，所述衬底的温度为20～40℃；
其中，所述金属种子层为金属钛层，所述金属钛层的厚度为20～50nm。
作为本发明优选的实施方式，在沉积第三钝化层和第四钝化层时，包括：
利用SiH4和N2O作为反应气体沉积第三钝化层，SiH4的流量为10～50sccm，N2O的流量为100～200sccm，射频功率为40～80W；
利用NH3和SiH4作为反应气体沉积第四钝化层，NH3的流量为55～65sccm，SiH4的流量为40～50sccm，射频功率为160～170W；
其中，所述第三钝化层为二氧化硅钝化层，厚度为500～600nm，所述第四钝化层为氮化硅钝化层，厚度为400～500nm。
作为本发明优选的实施方式，在去除第三钝化层和第四钝化层时，包括：
采用CHF3和O2混合气体作为等离子刻蚀气体刻蚀所述氮化硅钝化层，CHF3的流量为25～30sccm，O2的流量为3～5sccm，射频功率为80～120W，反应室压力为4～10Pa；
采用CHF3作为等离子刻蚀气体刻蚀所述二氧化硅钝化层，CHF3的流量为10～20sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为90w～110w，反应室压力为2～8Pa。
作为本发明优选的实施方式，对所述第一金属层和第二金属层进行光刻时，包括：
在第一金属层和第二金属层上覆盖一层光刻胶，通过对所述光刻胶进行烘烤，从而光刻胶产生凝固定型；
将掩膜板覆盖在光刻胶上，通过光刻机用紫外线对光刻胶进行曝光；
取下掩膜板，并利用显影液腐蚀掉所述光刻胶中被曝光的部分。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用金属化通孔衬底技术，实现了微电极与外部电路的连接，从而免去了引线与胶封设计，有效地降低了芯片尺寸与制造成本，增强了芯片的一致性与稳定性；
(2)本发明实现了电化学敏感芯片的小体积化、低成本化以及高集成化；
(3)本发明简化了电化学敏感芯片的封装工艺，从而进一步地降低了制备成本；
(4)本发明可与MEMS加工工艺兼容，从而适用面广。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1-是本发明实施例的基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片制备方法步骤图：
图2-是本发明实施例的基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片制备流程图。
附图标号说明：1、衬底；2、第一钝化层；3、第一金属层；4、通孔；5、第二钝化层；6、金属种子层；7、铜层；8、第三钝化层；9、第四钝化层；10、第二金属层。
具体实施方式
本发明提供的基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片，包括开设有金属化通孔的衬底和微电极，微电极通过覆盖通孔金属化的位置，与金属化通孔进行电连接。通过上述结构的设计，本发明的电化学敏感芯片可在衬底底部直接与外部电路实现电连接，免除焊盘的设计，免除胶封操作，有效减小芯片的面积与体积，并且降低了芯片的制备成本，增强了制备的一致性与稳定性。
本发明提供的基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供一衬底1，通过热氧化在衬底1的上表面形成第一钝化层2；
S2：在第一钝化层2上沉积第一金属层3，进行光刻与刻蚀，利用等离子刻蚀分别去除裸露的第一金属层3和第一钝化层2，制作出图形化的第一钝化层2与第一金属层3；
S3：在衬底1去除第一钝化层2和第一金属层3的位置制作出通孔4；
S4：利用缓冲液去除剩余的第一钝化层2和第一金属层3；
S5：通过热氧化在衬底1及通孔4内壁上形成第二钝化层5；
S6：在第二钝化层5上直流溅射金属种子层6；
S7：在金属种子层6上电镀一铜层7，填充通孔4；
S8：通过抛光，去除衬底1上下表面的第二钝化层5、金属种子层6以及铜层7；
S9：通过等离子体增强化学气相沉积，在衬底1上沉积第三钝化层8和第四钝化层9；
S10：利用光刻胶进行保护，在衬底1上表面对应通孔4的位置，通过等离子刻蚀去除第四钝化层9和第三钝化层8；
S11：在衬底1上表面沉积第二金属层10，进行光刻，并利用剥离工艺去除多余的第二金属层10，制作出微电极，利用微电极覆盖通孔内的金属铜，从而将微电极与通孔内金属铜进行电连接；
S12：利用光刻胶进行保护，在衬底1下表面对应通孔4的位置，通过等离子刻蚀去除第四钝化层9和第三钝化层8，去除光刻胶，完成芯片的制备。
本发明在使用时，信号从芯片背面的金属化通孔处引出，可通过锡球焊接等技术实现芯片背面金属化通孔与外部电路之间的电连接，从而免去了引线设计，有效地降低了芯片尺寸与成本，增强了一致性与稳定性。
进一步地，衬底1可以为硅片、玻璃、陶瓷。
在上述步骤S11中，微电极制作完成后，进行合金化处理，从而保证金属电极与通孔金属的欧姆接触。
在上述步骤S1和S5中，热氧化，包括：采用干氧-湿氧-干氧交替氧化法，氧化温度为1050～1150℃，氧化时间为20～40分钟；
其中，第一钝化层2和第二钝化层5均为二氧化硅钝化层。
本发明的热氧化条件具体为：氧化温度1050～1150℃，氧化时间20～40分钟，采用上述工艺参数能制备出厚度合适，均匀且连续的二氧化硅钝化层。
在上述步骤S2中，等离子刻蚀，包括：采用CHF3作为等离子刻蚀气体，CHF3的流量为10～20sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为90w～110w，反应室压力为2～8Pa，第一钝化层2的刻蚀速度为10～20nm/min。
在上述步骤S2中，沉积第一金属层3，包括：通过磁控溅射沉积第一金属层3，溅射功率为80～200瓦，溅射时间为2～10min；
其中，第一金属层3为金属铝层，厚度为500～1000nm。
在上述步骤S2中，等离子刻蚀，包括：采用BCl3和Cl2作为等离子刻蚀气体，BCl3的流量为40～75sccm，Cl2的流量为8～12sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为50～200W，反应室压力为5～10Pa，第一金属层3的刻蚀速度5～20nm/min。
在上述步骤S3中，采用深刻蚀技术或激光打孔技术制作出通孔4。
在上述步骤S4中，通过氢氟酸缓冲液去除剩余的第一钝化层2和第一金属层3，并清洗烘干衬底1后，进行下个步骤。
在上述步骤S6中，直流溅射金属种子层6，包括：采用氩气作为直流溅射气体，氩气流量为20～30sccm，直流溅射功率为10～60w，溅射气压为3.0～4.0×10-1Pa，衬底的温度为20～40℃；
其中金属种子层6为金属钛层，金属钛层的厚度为20～50nm。
在上述步骤S9中，在沉积第三钝化层8和第四钝化层9时，包括：
采用SiH4和N2O作为反应气体沉积第三钝化层8，SiH4的流量为10～50sccm，N2O的流量为100～200sccm，射频功率为40～80W；
采用NH3和SiH4作为反应气体沉积第四钝化层9，NH3的流量为55～65sccm，SiH4的流量为40～50sccm，射频功率为160～170W；
其中，第三钝化层8为二氧化硅钝化层，厚度为500～600nm，第四钝化层9为氮化硅钝化层，厚度为400～500nm。
在上述步骤S10与S12中，在去除第三钝化层8和第四钝化层9时，包括：
采用CHF3和O2混合气体作为等离子刻蚀气体刻蚀氮化硅钝化层，CHF3的流量为25～30sccm，O2的流量为3～5sccm，射频功率为80～120W，反应室压力为4～10Pa；
采用CHF3作为等离子刻蚀气体刻蚀二氧化硅钝化层，CHF3的流量为10～20sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为90w～110w，反应室压力为2～8Pa。
在步骤S2和S11中，对第一金属层3和第二金属层10进行光刻时，包括：
在第一金属层3和第二金属层10上覆盖一层光刻胶，通过对光刻胶进行烘烤，从而光刻胶产生凝固定型；
将掩膜板覆盖在光刻胶上，通过光刻机用紫外线对光刻胶进行曝光；
取下掩膜板，并利用显影液腐蚀掉所述光刻胶中被曝光的部分。
本发明通过光刻技术可制作出复杂的微阵列图案。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用金属化通孔衬底技术，实现了微电极与外部电路的连接，从而免去了引线与胶封设计，有效地降低了芯片尺寸与制造成本，增强了芯片的一致性与稳定性；
(2)本发明实现了电化学敏感芯片的小体积化、低成本化以及高集成化；
(3)本发明简化了电化学敏感芯片的封装工艺，从而进一步地降低了制备成本；
(4)本发明可与MEMS加工工艺兼容，从而适用面广。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于金属化通孔衬底技术的电化学敏感芯片，其特征在于，包括开设有金属化通孔的衬底和微电极，所述微电极通过覆盖通孔金属化的位置，与所述金属化通孔进行电连接；
其中，所述电化学敏感芯片的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底，在所述衬底的上表面形成第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积第一金属层，进行光刻与刻蚀，去除裸露的第一金属层与第一钝化层，制作出图形化的第一钝化层与第一金属层；
在所述衬底去除第一钝化层和第一金属层的位置制作出通孔；
去除剩余的第一钝化层和第一金属层；
在所述衬底及通孔内壁上形成第二钝化层；
在所述第二钝化层上形成金属种子层；
在所述金属种子层上电镀一铜层，填充所述通孔；
去除所述衬底上下表面的第二钝化层、金属种子层以及铜层；
通过等离子体增强化学气相沉积，在所述衬底上沉积第三钝化层和第四钝化层；
利用光刻胶进行保护，在所述衬底上表面对应通孔的位置，通过等离子刻蚀去除所述第四钝化层和第三钝化层；
在所述衬底上表面沉积第二金属层，制作出微电极，利用微电极覆盖通孔内的金属铜，从而将微电极与通孔内金属铜进行电连接；
利用光刻胶进行保护，在所述衬底下表面对应通孔的位置，去除第四钝化层和第三钝化层，去除光刻胶，完成芯片的制备。
2.一种电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，所述电化学敏感芯片包括开设有金属化通孔的衬底和微电极，所述微电极通过覆盖通孔金属化的位置，与所述金属化通孔进行电连接；
所述电化学敏感芯片的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底，在所述衬底的上表面形成第一钝化层；
在所述第一钝化层上沉积第一金属层，进行光刻与刻蚀，去除裸露的第一金属层与第一钝化层，制作出图形化的第一钝化层与第一金属层；
在所述衬底去除第一钝化层和第一金属层的位置制作出通孔；
去除剩余的第一钝化层和第一金属层；
在所述衬底及通孔内壁上形成第二钝化层；
在所述第二钝化层上形成金属种子层；
在所述金属种子层上电镀一铜层，填充所述通孔；
去除所述衬底上下表面的第二钝化层、金属种子层以及铜层；
通过等离子体增强化学气相沉积，在所述衬底上沉积第三钝化层和第四钝化层；
利用光刻胶进行保护，在所述衬底上表面对应通孔的位置，通过等离子刻蚀去除所述第四钝化层和第三钝化层；
在所述衬底上表面沉积第二金属层，制作出微电极，利用微电极覆盖通孔内的金属铜，从而将微电极与通孔内金属铜进行电连接；
利用光刻胶进行保护，在所述衬底下表面对应通孔的位置，去除第四钝化层和第三钝化层，去除光刻胶，完成芯片的制备。
3.根据权利要求2所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，在形成第一钝化层和第二钝化层时，包括：采用干氧-湿氧-干氧交替氧化法，氧化温度为1050～1150℃，氧化时间为20～40分钟；
其中，所述第一钝化层和第二钝化层均为二氧化硅钝化层。
4.根据权利要求3所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，在去除裸露的第一钝化层时，包括：采用等离子刻蚀，CHF3作为等离子刻蚀气体，CHF3的流量为10～20sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为90w～110w，反应室压力为2～8Pa，所述第一钝化层的刻蚀速度为10～20nm/min。
5.根据权利要求2所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，所述沉积第一金属层，包括：通过磁控溅射沉积第一金属层，溅射功率为80～200瓦，溅射时间为2～10min；
其中，所述第一金属层为金属铝层，厚度为500～1000nm。
6.根据权利要求5所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，在去除裸露的第一金属层时，包括：采用等离子刻蚀，BCl3和Cl2作为等离子刻蚀气体，BCl3的流量为40～75sccm，Cl2的流量为8～12sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为50～200W，反应室压力为5～10Pa，所述第一金属层的刻蚀速度5～20nm/min。
7.根据权利要求2所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，在形成金属种子层时，包括：采用直流溅射，氩气作为直流溅射气体，氩气流量为20～30sccm，直流溅射功率为10～60w，溅射气压为3.0～4.0×10-1Pa，所述衬底的温度为20～40℃；
其中，所述金属种子层为金属钛层，所述金属钛层的厚度为20～50nm。
8.根据权利要求2所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，在沉积第三钝化层和第四钝化层时，包括：
利用SiH4和N2O作为反应气体沉积第三钝化层，SiH4的流量为10～50sccm，N2O的流量为100～200sccm，射频功率为40～80W；
利用NH3和SiH4作为反应气体沉积第四钝化层，NH3的流量为55～65sccm，SiH4的流量为40～50sccm，射频功率为160～170W；
其中，所述第三钝化层为二氧化硅钝化层，厚度为500～600nm，所述第四钝化层为氮化硅钝化层，厚度为400～500nm。
9.根据权利要求8所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，在去除第三钝化层和第四钝化层时，包括：
采用CHF3和O2混合气体作为等离子刻蚀气体刻蚀所述氮化硅钝化层，CHF3的流量为25～30sccm，O2的流量为3～5sccm，射频功率为80～120W，反应室压力为4～10Pa；
采用CHF3作为等离子刻蚀气体刻蚀所述二氧化硅钝化层，CHF3的流量为10～20sccm，用于对刻蚀气体粒子执行加速的离子源的射频功率为90w～110w，反应室压力为2～8Pa。
10.根据权利要求2所述的电化学敏感芯片的制备方法，其特征在于，对所述第一金属层和第二金属层进行光刻时，包括：
在第一金属层和第二金属层上覆盖一层光刻胶，通过对所述光刻胶进行烘烤，从而光刻胶产生凝固定型；
将掩膜板覆盖在光刻胶上，通过光刻机用紫外线对光刻胶进行曝光；
取下掩膜板，并利用显影液腐蚀掉所述光刻胶中被曝光的部分。
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