SE1150413A1 - Funktionell inkapsling - Google Patents

Abstract

SAMMANDRAG Uppfinningen avser en halvledaranordning innefattande ett halvledarsubstrat och atn-iinstone en passiv, i halvledarsubstratet integrerad elektronisk/elektrisk kom- ponent (6; 9). Denna integrerade komponent har atminstone en funktionell del som strdcker sig genom substratet och har en utstrackning i substratets plan. Sarskilt utgors den passiva komponenten av en kondensator och/eller en spole.

Description

FUNKTIONELL INKAPSLING Foreliggande upplinning avser kapsling av halvledaranordningar och speciellt ett overtackande substrat som innefattar funktionella delar.

Bakgrund till uppfinningen Vid s.k. kapsling av halvledaranordningar kravs det ibland att olika komponenter innesluts i en kontrollerad atmosfar, dvs. att en kavitet forseglas i en kontrollerad atmosfar, i vissa fall och till och med oftast far att bilda en hermetisk forsegling.

Denna procedur omfattar att tva skivor bondas samman, ofta under tryck och med varmning. Detta ar en grannlaga uppgift nar skivorna 5r tunna, eftersom de mycket latt bryts sander.

Representativ kand teknik for detta teknologiomrade är WO 2007/089201, 15 WO 2008/091220, WO 2008/091221, vilka beskriver olika aspekter av teknologi som innefattar isolerande kiselgenomforingar, sasom kiselgenomgaende vior (TSV, through silicon vias), kapsling till forhindrande av overhorning mellan olika omra.- den ("zero cross-talk") och kapsling pa skivniva i mikroskala av diskreta eller monolitiskt integrerade komponenter.

Sammanfattning av uppfinningen Foreliggande uppfinning tillhandahaller en metod att tillverka en halvledaranordning som innefattar CMOS- och/eller MEMS-komponenter i en hermetiskt forseglad kavitet, utan risk att skada den overtackande strukturen. Den tillhandahaller ocksa integrering av olika typer av elektriska funktionaliteter i den overtackande strukturen, funktionaliteter som inte är processkompatibla med de temperaturkansliga CMOS-strukturerna.

Metoden enligt uppfinningen definieras i krav 1.

Metoden omfattar anvandning av en SOI-skiva (Silicon On Insulator) for att tillverka de overtackande strukturerna, varvid viorna tillverkas i komponentlagret, medan man bibehaller bararlagret. Detta angreppssatt kommer att sakerstalla stabilitet 2 och robusthet i processen och vasentligen reducera, om inte fullstandigt eliminera risken att skada skivorna under tillverkning.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar i perspektivvy en anordning som omfattar uppfinningsideerna; Fig. 2 illustrerar detaljer i det funktionella locket.

Detalierad beskrivning av uppfinningen Foreliggande uppfinning baseras pa uppfinningstanken att man anvander en metod for att tillverka ett metallviasubstrat, dvs. ett substrat som bar impedansanpassade genomgaende elektriska anslutningar av metall for RF-tillampningar, och i samma processekvens i metoden valfritt tillverkas en uppsattning passiva komponenter, t.ex. motstand, kondensatorer och/eller induktanser, vilka passiva komponenter stracker sig genom substratet. Ett sadant metallviasubstrat är lampligt att anvanda vid hermetisk overtackning av CMOS- eller MEMS-anordningar, t.ex. CMOSstrukturer innefattande switchar.

Uppfinningen kan an_vandas for att tillverka ett enskilt sandar-/mottagarchip integrerat med switchar och RCL-filter som filtrerar ut korrekt frekvens och som kopplar om till antennen i mobiltelefonen eller till det mottagande chipet. Tillhandahallande av sadan RF-omkoppling mojliggor val av vilket band (frekvens) man onskar anvanda; 900 MHz (GSM), 1800 eller 1900 MHz (3G i Europa resp. i USA), 2800 MHz for Bluetooth och de olika WLAN-standarderna.

Fig. 1 är ett tvarsnitt i perspektivvy av ett funktionellt overtackande substrat, dvs. inna_n det bar bondats till en CMS- och/eller MEMS-anordningsskiva.

Det innefattar allmant ett overtackande substrat 1, dvs. en tackande struktur for att kapsla in, larnpligt hermetiskt forsegla, CMOS- eller MEMS-strukturer 2 (antydda nedanfor det overtackande substratet).

Theksubstratet 1, lampligtvis tillvorkat av hogresistivt kisel, aven ern andra material majliga, innefattar flera funktionella komponenter. Det firms oeksa anordnat relativt vida fordjupningar R for alt tillbandahalla utrymmen, i vilka CMOS- /MEMSkomponenterna ska kunna drivas i en kontrollerad atmosfar nar den Overtackande strukturen bondats pa en komponentskiva.

Don primara funktionella detaljen ar tillhandahallande av s.k. viastrukturer, allmänt beteeknade 3. 10 I den rnest allmanna formen är metallvian en enkel via, dvs, bara en metall-"plugg," som stracker sig genom substratet.

For RF-tillampningar är dessa vior lampligen tillverkade sasom koaxiala elektriska kopplingar som stracker sig genom substratet och darigenom uppnar impedans15 matchning, ytterligare en utforingsform innefattar sadana koaxiala vier on "metall-plugg", som strackor sig genom en skiva med :ett tunt isolerande skikt av tex.. oxid anordnat mellan metallen och skivinaterialet., P0 ett radiellt avstand firms anordnad en ring formig metallstruktur corn sahmda inneshrter don eentrala. "metapluggen". Donna ringformiga inetallstruktur Or :ocksa fbretradesvis isolerad, mot skivmaterialet mod tunna,. isolerande skikt vid bade don hire cell den yttre ornkretsen. Den ringformiga metallstrukturen bild.ar en skarm, ()eh tillsammans biklar dessa strukturer en ho--axial genorrigaeride anslutning, son?, JilbandatiAlior impedansmatchade egenskaper 25.fOr RF-signaler. i8Sa utfOringsformer av de koaxiala ansfutningarna (visade i fig, 1) innefattar den centrala 'plugger:" sjalv ett eentralt parti. 4 av ett material som är kompatibelt me:el materialet i skivan fran vilket substratet iillverkas, lox. oxid i(TFOS) oiler polykisel 30 feller nagot annat material som hat en likattad utvidgning,skoefficient corn skivmaterialet film vilket substratet tillverkas). Detta centrala parti oinges av metallen 4' en ringformig strulaur, genora.vilken elektriska signaler kan overforas. I detta fail ar salundo."pluggen." en sammansatt struktur. 4 For mycket sma dimensioner kan den centrala pluggen tillverkas helt och hallet av metall, dvs. det finns inget tomrum skapat under tillverkning som sedan fylls, utan metallen kommer att fylla vian fullstandigt under tillverkning.

Metall metall- och substratmaterial i respektive strukturer finns ett tunt oxidskikt (ej visat) for att elektriskt isolera fran kislet i substratet 1.

Vidare finns en struktur 5, 5' arrangerad koncentriskt runtom och pa ett radiellt avstand fran den isolerade metallvian 4. Mellan via 4 och denna struktur 5, 5' firms ett ringformigt kiselparti 4" som omger metallvian 4'. Den koncentriska strukturen antyds med brutna linjer vid 5".

De koncentriska strukturerna 5, 5' innefattar tvâ koncentriska, ringformiga metall- 15 strukturer 5', mellan vilka (dvs. vid 5) det finns anordnat samma material som i det centrala partiet 4, dvs. oxi (t.ex. TEOS) eller polykisel (eller nagot annat material som har en liknande utvidgningskoefficient som skivmaterialet av vilket substratet tillverkas).

Den ringformiga metallstrukturen 5' kommer att fungera som en skarm for den centralt belagna vian 4. Korrekt utformad kommer impedansen i en sadan struktur att bli 50 Ohm vilket tillater att RF-signaler overfors i metallvian med minimal re-flexion och dampning.

Totalstrukturen kommer att bli en koaxial koppling mellan de tva sidorna av det Overtackande substratet 1, och darvid bilda en ohmsk koppling mellan MEMS/CMOS-anordningarna genom det overtackande substratet till externa anordningarna.

Ett annat funktionellt sardrag hos det overtackande substratet kan vara anordnandet av en kondensatorstruktur 6 inuti substratet. En sadan kondensatorstruktur tillhandahalles genom att man anordnar en metall i tunna segment 7 (sex visas i fig. 1), som stracker sig foretradesvis hela vagen genom substratet och ocks6. stracker :sig tvars over substratets plan). Om flera sadana segment arrangera.s intill varandra och parallellt sasom visas i fig, 1, med endast ett Mycket iitot mellanrum mellan dem, korai-11er materialsegmenten 8 i substratet meilan dessa isolerande element att ha funktionen av kOndensatorplattor.

Ytterligare en funktionell del son" visas i fig, 1 aIlinant vid 9, ar anordnandet av en struktur, som bildar en spole fOr att tillhandahalia en induktans.

Induktansen innefattar en metallkarna. 10 exempelvis tillverkad av Ni eller foretra- desvis en Ni/CO-legering, vilken karna fOretradesvis stracker sig genom substratets tjocklek orb bar en langstrackt form, som stracker sig vasentligen i substratets plan. Vidare finns anordnad en lindning runtom karnan bestaende av en kombination av en uppsattning viastrukturer 11, arrarigerade i tvadimensionella. m.atriser (arrayer) langs metallkarnan och som stracker sig ge.nom substratet, ()eh anordnade pa bagge sidor om karnan 10, och metallremsor 12, sorn sammankopplar via strukture.rna 11 parvis tvars Over karnan 10. Genom att lada den fOrsta vian paen sida av karnan och pa substratets ovre yta (sett i figuren) ansluta till en motstaende via anordnad pa al-1(3ra sidan av karnan och darefter koppla deruna motstaende via pa batensidan av substratet (sett i figuren) tried en intilliggande via till den forst 20 narrinda vian, osv,, dvs, tillhandahalla en vasentligen sicksackkoppling mellan vior, tillhanclz-ahkiles en s.pirallindad ledare runtom metallkarnan och pa, (Jetta salt skapas en induktans.

I fig. 1 visas en dubbelrad av vior arrarigerade i en sicksackkonfiguration. Detta rriO2iliggOr att inetallremsorna pla.e.eras narmare varandra., eftersom remsorna kan gams smalare an diatnetern pa. sjalva. viorna.. Del ar mOjligt att anordna tredubbia eller fyrclubbla ruder av vior. Pa de tta satt kan antalet vary pa lindningen okas vdsentligt ooh. egenskaperna has induktansen kan skraddarsys I hogre utstracknin.g.

De rnonolitiskt integrerade kondensator- orb induktansdelarna kan anvandas for att ersdtta diskret monterade Is:oroportenter. Med amfandning av hogeirektiya kanden.satorer, induktorer orb motstand kan olika avl«)pplings- eller littreringsfun.ktion.erintegreras, 6 Nu kommer en foredragen process for tillverkning av ett overtackande substrat sásom beskrivits ovan och innefattande valfria funktionaliteter att beskrivas. 5 Processen utnyttjar en s.k. SOI-skiva som ett startsubstrat. En SOI-skiva har ett relativt tunt s.k. komponentlager, i vilket processning utfors, och ett mycket tunnare bararlager, for att underlatta hantering av skivan. Detta bararlager avlagsnas sedan.

Ett forsta steg i en allman process enligt uppfinningen ãr att monstra SOT-skivans komponentlager sasom kravs for att tillverka komponenterna. Exempelvis etsas parallella "diken" (trencher) (lampligen med DRIE; Deep Reactive Ion Etching) i syfte att tillverka kondensatorer och for att tillverka induktansernas karnor, och hal etsas for att tillhandahalla viastrukturer. Trencherna och halen etsas ned till det iso- lerande stopplagret. Pa detta satt erhalles valdefinierade trencher och hal.

Darefter oxideras hela skivan for att tillhandahalla ett tunt (ung. 0,5 pm) isolerande lager pa skivan och i alla hal och trencher. Ett saddlager av ledande material, sasom metall, t.ex. Cu eller Au, anordnas exempelvis med sputtring, forangning eller platering, eller plasmaforstarkt avsatt polykisel for att underlatta efterfoljande metallisering, t.ex. genom elektroplatering eller strOmlOs metallutfallning.

Lampligen dr nasta steg att tillverka karnan till induktansen, om en sadan ãr onskyard.

For detta andamal maskeras hela skivan och monstras for att exponera endast trencherna for tillverkning av karnan. Maskeringen kan goras genom att hela ski-van tacks med en film eller genom att en resist spinns pa skivan. Masken oppnas upp Over de trencher som ska bilda induktanskarnan. Lampligtvis anvands elektro- platering for att fylla trencherna med den Onskade metallen. Foretradesvis an.vands en Ni/Co-legering for detta andama.l. 7 Darefter maskeras skivan och monstras sasom beskrivits ovan for att exponera aterstaende strukturer, dvs. trencher for kondensatorplattor och for viastrukturer. Anyo anvands platering fOr att vaxa Au, CU eller Al till en tjocklek om atminstone nagra fa pm med lag resistivitet. Detta kommer i de fiesta fall att kvarlamna ett tomrum inuti halen/trencherna.

Foretradesvis men valfritt fylls dessa romrum med ett material som ãr kompatibelt med substratskivans material i termer av utvidgningskoefficient, sa att termisk paverkan inte fororsakar att substratet spricker.

Lampliga material for att fylla r oxid (t.ex. TEOS) eller polykisel.

I en sarskilt foredragen utforingsform av uppfinningen tillverkas routing-strukturer, dvs. strukturelement for att sammankoppla komponenter pa substratet, i samma processekvens som beskrivits ovan. Sadana routing-strukturer är smala remsor av metall.

Det finns tvâ alternativa procedurer for att tillverka dessa routingstrukturer.

I en utfi5ringsform är det initiala steget att monstra och etsa trencherna och halen uppdelat i tva sub-steg. Forst monstras skivan for att definiera routingstrukturerna och skivan utsatts for en ets till en djup av endast nagra fa. pm. Darvid tillhandahalls grunda spar eller urtagningar i ytan. Sedan m8nstras skivan pa nytt for att tillhandahalla trencherna och halen, sasom beskrivits ovan.

Skalet till att anvanda denna sekvens Or att det skulle vara svarare att spinna resist pa den mer komplicerade topografin som tillhandahalls av de djupa trencherna och Mien, aven om det senare dr mojligt.

Nar metallen avsatts pa substratet kommer sparen att fyllas helt med metall och bilda ledande remsor. Pa detta salt kommer routingstrukturerna att tillhandahallas sa att de Or forsankta, dvs. de kommer att vara anordnade i substratets yta snarare On pa den. 8 I en alternativ utforingsform tillhandahalles routingstrukturen efter att de andra strukturerna har tillverkats. Hdrvid monstras hela skivan efter att slutsteget att fylla tomrummen (om detta utfors) for att definiera routingstrukturerna. Metall av- satts pa skivan i oppningarna i monstret. I detta alternativ tillhandahalles routingstrukturerna pa substratets yta.

Dessa metoder for tillverkning av routingstrukturer är lampliga ocksa for att tillhandahalla de metallremsor som bildar en integrerad del av lindningen (pa den sida av substratet som utgor komponentlagret) till induktansen sasom beskrivits ovan.

Metallremsorna till induktansen pa motsatta sidan av substratet tillverkas efter att det overtackande substratet har bondats pa CMOS/MEMS-skivan och kommer att beskrivas nedan.

FOr att mojliggora en termokompressionsbondning av det overtackande substratet pa en CMOS/MEMS-anordning kan det kravas att man atstadkommer en metallisering 20, som loper lOngs omkretsen runt den yta som definierar den slutliga anordningen, motsvarande en hoppassande metallisering pa CMOS/MEMS-anordningen.

En sadan metallisering dr foretrddesvis Au eller Cu.

Det är ocksa mojligt med olika eutektiska bondningssdtt, t.ex. Au/polykisel, AuSN/AU eller manga andra eutektiska legeringar som är valkanda for fackmannen.

Ytterligare ett fi5redraget sardrag enligt uppfinningen är att faktiskt inte stoppa etsfling vid etsstoppskiktet i SOI-skivan när halen och trencherna tillverkas i processens initiala stadium utan att faktiskt fortsatta etsa ytterligare ned in i stopplagret. Det är ocksh mojligt att helt etsa genom stopplagret.

Fordelen med detta dr att ndr bdrarlagret slutligen avlagsnas kommer den metall som avsatts i viahalen att exponeras och kan bilda kontaktytor utan nagot behov av ytterligare processning, sa_som monstring och etsning, for att exponera metallen. 9 Den exponerade metallen kan sedan plateras direkt eller processas pa andra satt for att tillhandahalla paddar 22 for elektrisk koppling av CMOS/MEMS-komponenterna till vian.

Nar alla onskade funktioner och komponenter bar tillverkas i komponentlagret pa SOI-skivan, monstras hela skivan igen for att definiera de vidare fordjupningarna R som ska tillhandahalla de hermetiskt forseglade utrymmena med en kontrollerad atmosfar. Lamplig etsning till ett onskat djup kommer att resultera i pa lampligt satt hermetiskt forseglade utrymmen.

Pa detta stadium är det Overtackande substratet fortfarande forsett med SOIskivans handle-lager. Nu skall den bondas mot CMOS/MEMS-substratet 2. For detta andamal matchas de fangs omkretsen lOpande metalliseringarna och pressas mot varandra, varvid en hermetiskt tat forsegling bildas, antingen genom termo- 15 kompression eller genom eutektisk smaltbondning.

Efter att den overtackande strukturen och CMOS/MEMS-anordningen bondats samman avlagsnas handle-lagret pa konventionellt sat, t.ex. genom slipning eller etsning eller flagon annan metod som âr valkand for fackmannen.

Sasom redan antytts, om hal- och trenchetsningen utfordes genom SOI-skivans isolatorskikt, kommer den metall som avsatts i halen och trencherna att exponeras och bilda lampliga kontaktpunkter for att tillhandahalla anslutningsytor for ytterligare anslutning. Vid detta stadium tillverkas ocksa routing pa baksidan pa ett lik- nande satt som redan beskrivits ovan.

Det bor noteras att korskoppling av metallremsor tillhoriga induktansen nu tillverkas, lampligtvis samtidigt som de andra routingstrukturerna. Genom att tillverka lodkulor 28 av lOdbart material (t.ex. Ni/Au), blir ytmontering mojlig, exempelvis montering av flip-chip-typ.

Den induktansfunktionalitet som beskrivits ovan kan ocksa tillhandahallas pa andra satt. Exempelvis skulle sa'dana strukturer ocksa_ kunna innefatta ett tunt, isolerande segment, dvs. en fylld trench, som stracker sig genom substratet men som loper i ett spiralformat monster till bildande av en induktansspole.

I ytterligare en foredragen utforingsform kan det tillhandahallas isolerande inne- slutningar 26 som omger valda element i det overtackande substratet. Sadana isolerande inneslutningar forhindrar overhorning mellan komponenter och regioner och minimerar darigenom signalstyrkeforluster. Metoder for att tillverka sadana inneslutningar beskrivs i sokandens egen internationella patentansokning, WO 2008/091220. 11

Claims (15)

PATENTKRAV:

1. Halvledaranordning innefattande ett halvledarsubstrat och atminstone en passiv, i halvledarsubstratet integrerad elektronisk/elektrisk komponent (6; 9), dar den integrerade komponenten har atminstone en funktionell del som stracker sig genom substratet och har en utstrackning i substratets plan.

2. Halvledaranordning enligt krav 1, dar den passiva komponenten är en kondensatorstruktur (6).

3. Halvledaranordning enligt krav 2, dar kondensatorn tillhandahalles genom att det finns anordnat metall i tunna segment (7), vilka stracker sig foretradesvis hela vagen genom substratet och ocksa stracker sig tvars over substratets plan.

4. Halvledaranordning enligt krav 3, dar segmenten (7) är arrangerade intill varandra och parallellt, med endast ett mycket litet mellanrum mellan dem, varvid segmenten (7) har funktionen av kondensatorplattor.

5. Halvledaranordning enligt krav 1, dar den passiva komponenten är en induktans (9).

6. Halvledaranordning enligt krav 5, dar induktansen (9) innefattar en metallkarna (10) vilken karna foretradesvis stracker sig genom substratets tjocklek och har en langstrackt form, som stracker sig vasentligen i substratets plan.

7. Halvledaranordning enligt krav 6, dar karnan innefattar Ni, foretradesvis en Ni/ Co-legering.

8. Halvledaranordning enligt krav 7, ytterligare innefattande en lindning runtom karnan bestaende av en kombination av en uppsattning viastrukturer (11), arrangerade i tvadimensionella matriser (a_rrayer) langs metallkarnan (10) och som stracker sig genom substratet, och anordnade pa bagge sidor om karnan (10), och metall- 12 remsor (12), som sammankopplar viastrukturerna (11) parvis tvars over karnan (10).

9. Halvledaranordning enligt krav 7, ddr den forsta vian pa en sida av karnan ( 10) och pa substratets ovre yta dr ansluten till en motstaende via anordnad pd andra sidan av karnan (10) och denna motstaende via pa bottensidan av substratet ãr sammankopplad med en intilliggande via till den forst namnda vian, sa att en vdsentligen i sicksack lopande koppling mellan vior Astadkommes, varvid en spirallindad ledare runtom metallkarnan foreligger.

10. Halvledaranordning enligt krav 9, innefattande tva-, tre eller fyrdubbla rader av vior.

11. Metod for tillverkning av en passiv funktionell komponent i ett substrat, vilken 15 komponent innefattar en funktionell del som stracker sig genom substratet och har en utstrackning i substratets plan, dar metoden innefattar foljande steg: tillhandahAllande av en SOI-skiva med ett komponentlager, ett bdrarlager och ett stopplager mellan komponentlagret och bdrarlagret, som ett startsubstrat; monstring av SOI-skivans komponentlager for att definiera de onskade komponenterna; etsning av trencher ned till stopplagret; oxidering av hela skivan varvid ett tunt isolerande lager pa skivan och i alla hal och trencher tillhandahalles; avsattning av ett saddlager av ledande material for att underldtta efter- folj ande metallise ring, 13 maskering av hela skivan och monstring for att exponera endast tren- cherna; metallisering for att fylla trencherna med 6nskad metall; avlagsnande av bararlagret.

12. Metod enligt krav 11, dar oxideringen Ors till en tjocklek om ungefar 0,5 um.

13. Metod enligt krav 11, dar metalliseringen sker genom elektroplatering eller stromlos metallutfallning, foretradesvis med anvandning av en Ni/Co-legering.

14. Metod enligt krav 11, dar maskeringen for exponering av trencherna gars genom att hela skivan tacks med en film eller genom att en resist spinns pa skivan.

15. Metod enligt krav 11, dar avlagsnande av bararlagret Ors genom slipning eller etsnin.g. 23 Z'6!J