[发明专利]一种基于硅通孔的片上半导体器件结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种基于硅通孔的片上半导体器件结构及其制备方法。

背景技术

随着电子设备及存储器朝着小型化和多功能化发展，对芯片的体积和功能也有了更高的要求，现有技术中已经实现在晶圆绝缘体上形成半导体薄膜，拥有多功能器件的片上系统(System-On-a-Chip，简称SOC)制作在晶圆正面一二维平面内，亦可以用TSV(Through-Silicon-Via，硅通孔，简称TSV)技术在硅上打孔并金属化，实现片上系统与晶圆内部实现电连接。

晶圆可以是绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)、体硅材料、或者其他半导体材料。

但是，由于绝缘体上硅成本昂贵，至少是体硅材料的十倍以上，传统的仅在绝缘体上硅的正面制作半导体器件不失为一种浪费，而且片上系统制造在一个平面上，面积大，而且各个子系统均只能采用一个工艺节点，成本高，且系统内部各子部分的互联不灵活。由此，如何设计一种能同时将半导体器件制作在绝缘体上硅的正面与背面又功能强大的片上系统成为本领域技术人员面临的问题。

发明内容

本发明利用晶圆键合工艺和TSV技术，充分利用SOI晶圆的正面和背面，制作半导体器件，形成3D架构，增强片上系统的功能，及设计的灵活性。一种基于硅通孔的片上半导体器件结构，其特征在于，所述结构包括：

一种基于硅通孔的片上半导体器件结构，其特征在于，所述结构包括：第一金属互连层，设置有若干第一金属互连线；

第一半导体层，位于所述第一金属互连层之上，且该第一半导体层中设置有若干第一半导体器件，所述第一半导体器件与所述第一金属互连线连接；

第二半导体层，位于所述第一半导体层之上，且该第二半导体层中设置有若干第二半导体器件；

第二金属互连层，位于所述第二半导体层之上，设置有若干第二金属互连线，且该第二金属互连线与所述第二半导体器件连接；

绝缘层，位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以将所述第一半导体器件与所述第二半导体器件隔离；

TSV互连线，依次贯穿所述第二半导体层、所述绝缘层和所述第一半导体层，以将所述第一金属互连线与所述第二金属互连线连接；

其中，基于绝缘体上的硅制备所述第一半导体层。

上述结构，其中，所述TSV互连线孔的直径小于1um。

上述结构，优选的，在所述TSV互连线与第一半导体层、所述绝缘层及所述第二半导体层之间还设置有扩散阻挡层。

上述结构，优选的，所述第二半导体器件的厚度小于10um。

一种基于硅通孔的片上半导体器件的其制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一SOI晶圆，且该SOI晶圆包括硅衬底层、SOI硅层和位于所述衬底硅层与所述SOI硅层之间的绝缘层；

于所述SOI硅层中制备若干第一半导体器件，以形成第一半导体层；

制备第一金属互连层覆盖所述第一半导体层的上表面后，键合一临时载片于第一金属互连层上表面；

翻转SOI晶圆并对所述衬底硅层进行减薄工艺后，于减薄的衬底硅层中制备若干第二半导体器件，以形成第二半导体层；

采用TSV工艺，形成依次贯穿所述第二半导体层、所述绝缘层和所述第一半导体层，并延伸至所述第一金属互连层中的TSV互连线通孔；

于所述TSV互连线通孔中填充金属材料，以形成TSV互连线；

于所述第二半导体层之上继续制备第二金属互连层，以通过所述TSV互连线将所述第一金属互连线与所述第二金属互连线连接；

移除所述临时载片。

上述方法，其中，所述方法还包括：

在移除所述临时载片之前，先于所述第二金属互连层上开设数个开口，以暴露部分位于所述第二金属互连层中的第二金属互连线；

继续于所述开口中设置的金属凸块，以形成与所述第二金属互连线连接的焊球。

上述方法，其中，所述在第一半导体层上方键合一块临时载片，优选的，所述临时载片材质为半导体材料。

上述方法，其中，所述在第一半导体层上方键合一块临时载片，所述临时载片材质为玻璃材质。

上述方法，优选的，硅通孔的直径小于1um。

上述方法，其中，所述硅通孔下方第一金属互连层制备有金属互连线。

上述方法，其中，制备所述第二金属互连层，所述第二金属互连层中制备有金属互连线与硅通孔连接。