[发明专利]一种硅基垂直互联结构及制备方法

说明书

本发明公开一种硅基垂直互联结构及制备方法，包括两片单晶硅晶圆形成的大厚度基板，两片所述单晶硅晶圆之间设置有金属键合层，上下两片所述单晶硅晶圆上设置有上下对称的倒金字塔型凹坑；所述大厚度基板的上下表面以及所述单晶硅晶圆之间的所述金属键合层均有金属布线，所述金属布线通过上下所述单晶硅晶圆上所述倒金字塔型凹坑的侧壁实现所述大厚度基板上下表面电学信号的垂直互联；本发明利用金属间键合、单晶硅各向异性腐蚀、薄膜沉积等工艺制备出大厚度硅基垂直互联结构，具有批量化、成本低以及易于实现等特征，且可实现大厚度硅基板的垂直互联。

技术领域

本发明涉及封装技术领域，具体涉及一种硅基垂直互联结构及制备方法。

背景技术

随着先进封装技术的发展，系统级封装技术具有的微型化和高集成化的优势使其在消费类电子、汽车电子、工业电子、军用电子等各领域都得到了广泛的应用。作为微电子工艺中最主流的半导体材料，单晶硅由于其制造精度高、成本低、批量化、易于集成等众多优点，已经逐渐发展成为系统级封装技术中最有前景的基板材料之一。因此，研究单晶硅基板中的垂直互联结构对未来硅基三维封装微系统结构、电性能及工艺设计都有着重要的意义。

常规的硅通孔垂直互联结构是金属填充的空心或实心圆柱形通孔。这种圆柱形硅通孔结构一般需要依次通过等离子体深硅刻蚀工艺(简称DRIE工艺)和金属电镀工艺制备而成。从技术角度看，目前DRIE工艺已经可以刻蚀深度达到数百微米的硅深孔，但后续的电镀金属填充深孔的工艺仍然无法实现数百微米深度的金属填充。主要原因在于垂直深孔的电镀极易在孔口发生夹断效应使得金属柱内部有缺陷。这也就极大地限制了金属化硅通孔的深度，从而也就限制了最终硅基板的厚度。按照当前国内的微纳加工技术水平，可以实现的带垂直互联结构的硅基板最大厚度仅为200微米～300微米。硅基板的厚度过薄一方面使其结构可靠性非常低，无法在保证结构刚度的前提下做出尺寸更大的硅基板，因而无法实现更大规模的系统级封装；另一方面也使得将来多芯片在硅基板中的埋置变得十分困难。从成本角度看，DRIE深硅刻蚀工艺成本较高，且每次只能刻蚀一片晶圆，生产率无法提升，使得硅基板的成本无法随着生产数量的增加而进一步压缩。综上，目前很难实现传统圆柱形硅通孔垂直互联结构在系统级封装领域的大规模应用。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种硅基垂直互联结构，包括两片单晶硅晶圆形成的大厚度基板，两片所述单晶硅晶圆之间设置有金属键合层，上下两片所述单晶硅晶圆上设置有上下对称的倒金字塔型凹坑；所述大厚度基板的上下表面以及所述单晶硅晶圆之间的所述金属键合层均有金属布线，所述金属布线通过上下所述单晶硅晶圆上所述倒金字塔型凹坑的侧壁实现所述大厚度基板上下表面电学信号的垂直互联。

较佳的，两片所述单晶硅晶圆的上下表面以及所述倒金字塔型凹坑内所有侧壁均覆盖有绝缘层，所述绝缘层设置于所述金属布线和所述基板之间。

较佳的，上下两所述单晶硅晶圆均含有五个所述倒金字塔凹坑，且一一上下对应设置；一所述倒金字塔凹坑设置于其余四个所述倒金字塔凹坑的中心位置，处于中心的所述倒金字塔凹坑用于传输射频信号，周边的四个所述倒金字塔凹坑均为接地信号；所述键合金属层分为中心焊盘和周边金属两部分，所述中心焊盘连接位于中心的上下所述倒金字塔凹坑的金属薄膜，所述周边金属连接周边的上下所述倒金字塔凹坑的金属薄膜。

较佳的，一种所述硅基垂直互联结构的制备方法，包括步骤：

S1，准备一片第一单晶硅晶圆；

S2，在所述第一单晶硅晶圆的下表面沉积一层第一绝缘层；

S3，所述第一单晶硅晶圆下表面沉积键合薄膜，并对所述键合薄膜进行图形化处理，从而形成所述第一单晶硅晶圆下表面的金属图形；