專利名稱：帶有一個(gè)或更多通孔的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有一個(gè)或更多通孔的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
光電子裝置或光電子混合集成電路所用的子配件可以包括一種形成為一蓋的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。蓋可以密封于一例如包括一光波導(dǎo)件或連接至一光波導(dǎo)件的基部上。蓋可以為光學(xué)耦合至光波導(dǎo)件上的一個(gè)或更多的光電芯片或部件提供外罩。典型地，可能需要為安裝于組件之中的芯片或部件提供電子或光學(xué)連接件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)方面，公開了一種用于提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有前、背表面以及大致一個(gè)或更多通孔。這種方法包括在與一個(gè)或更多通孔位置相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多背表面區(qū)域處從背表面蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以及在與這一個(gè)或更多通孔位置相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多前表面區(qū)域處從前表面蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。前、背表面可以按照任一順序進(jìn)行蝕刻。
在一些實(shí)施方式中，可能存在一個(gè)或更多的下述特征。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括一朝向背表面的第一半導(dǎo)體層，一朝向所述前表面的第二半導(dǎo)體層以及一位于第一、第二半導(dǎo)體層之間的基本上抗蝕刻的層。于是，這種方法可以包括從背表面通過第一半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻，并且當(dāng)抗蝕刻層的背部露出時(shí)則停止從背表面進(jìn)行蝕刻，其中抗蝕刻層的背部與一個(gè)或更多的背表面區(qū)域相對(duì)應(yīng)。這種方法還可以包括從前表面通過第二半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻，并且當(dāng)抗蝕刻層的前部露出時(shí)則停止從前表面進(jìn)行蝕刻，其中抗蝕刻層的前部與一個(gè)或更多的前表面區(qū)域相對(duì)應(yīng)。與一個(gè)或更多通孔中的每一個(gè)的位置相對(duì)應(yīng)的抗蝕刻層的至少部分可以在蝕刻之后除去以便形成一個(gè)或更多通孔。
背蝕刻步驟與前蝕刻中的至少一個(gè)可以包括使用一種液態(tài)化學(xué)蝕刻過程、一種各向異性蝕刻過程或一種氫氧化鉀的水溶液。
優(yōu)選地，通孔密封。例如，通孔可以使用饋通金屬化過程進(jìn)行密封。在一種特殊實(shí)施方式中，對(duì)通孔進(jìn)行密封包括提供一粘附層、一鍍基層、一饋通金屬化層、一擴(kuò)散阻層、一潤(rùn)濕層以及一抗氧化阻層。
對(duì)背表面區(qū)域進(jìn)行蝕刻可以包括露出抗蝕刻層的大部分背部，其面積大于抗蝕刻層的任何露出前部。抗蝕刻層可以包括一種選自例如氮化硅、氧氮化硅、二氧化硅的材料?？刮g刻層可以包括一夾層，其包括至少二氧化硅、氮化硅以及氧氮化硅的交替層。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以用作用于封裝光電子部件的蓋。在那種情況下，通孔可以用于形成穿過封蓋而連向部件的連接。例如，這種連接可以是電連接、光學(xué)連接或需要與部件連通或者使部件能夠工作的任何其它適用類型的連接。
在另一個(gè)方面中，一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一前表面、一設(shè)置成基本與前表面相對(duì)的背表面以及至少一個(gè)饋通互連件，每個(gè)饋通互連件包括通孔連接件。每個(gè)通孔包括饋通金屬化層以便在結(jié)構(gòu)下部與結(jié)構(gòu)上部之間提供導(dǎo)電通路。
一些實(shí)施方式可以包括一個(gè)或更多的下述特征。對(duì)于每個(gè)饋通互連件，通孔的饋通金屬化層可以在結(jié)構(gòu)下部與結(jié)構(gòu)上部?jī)?nèi)互相保持電連接。通孔可以進(jìn)行密封，例如，通過饋通金屬化層而進(jìn)行密封。
在一個(gè)相關(guān)方面中，一光電子組件結(jié)構(gòu)可包括一帶有一主表面的半導(dǎo)體基部以及一沿主表面一體形成的光波導(dǎo)件。一光電子芯片可與波導(dǎo)件保持光學(xué)耦合，一半導(dǎo)體蓋可以密封于基部上并且形成一覆蓋著芯片的外殼。蓋包括一前表面、一設(shè)置成基本與前表面相對(duì)的背表面以及至少一個(gè)饋通互連件，每個(gè)饋通互連件包括通孔連接件。至少一個(gè)通孔可帶有饋通金屬化層以便提供穿過蓋到達(dá)光電子芯片的電流通路。例如，光電子芯片可以包括激光器或其他裝置。通孔連接件可為光電子芯片提供密封。
各種實(shí)施方式可以包括一個(gè)或更多的下述優(yōu)點(diǎn)。帶有通孔的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成可得以簡(jiǎn)化。使用抗蝕刻層可以使得這種方法易于控制。因此，各通孔的截面尺寸可以很好地限定。這種技術(shù)便于形成穿過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電或光學(xué)連通通路而同時(shí)保持結(jié)構(gòu)密封。而且，這種技術(shù)可適于批量生產(chǎn)。
在本文中，短語“一種基本上抗蝕刻的層”應(yīng)當(dāng)理解成一種至少基本上能抵抗在第一半導(dǎo)體層上進(jìn)行的蝕刻過程與在第二半導(dǎo)體層上進(jìn)行的蝕刻過程的材料層。因此，基本上抗蝕刻的層應(yīng)當(dāng)能夠抵抗所述蝕刻過程，至少在第一與第二半導(dǎo)體層上執(zhí)行蝕刻過程后，基本上抗蝕刻的層的至少部分材料可以保留。
較高的結(jié)構(gòu)總導(dǎo)電能力可以通過使用大量通孔而提供。
其它特征和優(yōu)點(diǎn)通過閱讀以下詳細(xì)描述、附圖及權(quán)利要求將易于得到清楚了解。


圖1a-1s為一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在根據(jù)本發(fā)明方法的多個(gè)實(shí)施例的各個(gè)步驟期間的剖面圖，其中圖1a-1j示出了蝕刻過程的各個(gè)步驟，而圖1k-1s示出了金屬化過程的各個(gè)步驟；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例的頂視圖或前視圖；圖3示出了圖2中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底視圖或背視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例的頂視圖或前視圖；圖5示出了圖4中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的側(cè)剖視圖；圖6示出了圖5中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底視圖或背視圖；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一種光電子組件結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，制作了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可具有一種半導(dǎo)體蓋的形式并且可用作光電集成電路的子組件所用的蓋，這時(shí)蓋可以為光電子芯片或任選地聯(lián)接于波導(dǎo)上的部件提供外罩。
制作根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或蓋所用的典型襯底包括帶有<100>或<110>表面定向的單晶硅晶片。以下將參看圖1a-1s對(duì)一種與本發(fā)明相符合的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法進(jìn)行詳細(xì)地描述。
圖1a-1s中所示的結(jié)構(gòu)具有半導(dǎo)體蓋的形式。在此，在一具有一種位于絕緣體上的硅結(jié)構(gòu)(SOI)的晶片上制作多個(gè)蓋，參看圖1a。晶片具有一<100>單晶硅前層11、一二氧化硅絕緣層12以及一<100>單晶硅背層13。晶片的直徑為100mm±0.5mm，前層11的厚度為20μm±2μm，二氧化硅層12的厚度約為1μm，支承背硅層13的厚度為350μm±25μm。重要的是二氧化硅絕緣層12的厚度要足以抵抗雙邊通孔蝕刻操作。前層11與背層13的電阻率約為1-20Ωcm。
上述SOI結(jié)構(gòu)的晶片可以通過晶片供應(yīng)者輸送，例如德國(guó)的SICOWafer GmbH。
SOI結(jié)構(gòu)的晶片可通過利用一種熱硅熔接結(jié)合過程將第一和第二硅襯底互相粘合起來而制成。然后，前硅襯底的厚度可以通過研磨過程以及隨后的化學(xué)機(jī)械拋光CMP過程而減小至所需厚度。
圖1a-1j示出了根據(jù)本發(fā)明的蝕刻過程的各種步驟，其中圖1a-1c示出了第一步驟，其中在硅前層11的前側(cè)上限定了一個(gè)或更多通孔開口的一個(gè)或更多區(qū)域。第一步驟為硅的局部氧化(LOCOS)過程。這種過程包括一形成前、背第一二氧化硅層14a、14b的硅的熱氧化過程，一形成第一氮化硅層15a、15b的低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)過程，以及一對(duì)氮化硅表面的熱氧化過程，后者形成轉(zhuǎn)化氧化物16a、16b。
前側(cè)面上的轉(zhuǎn)化氧化物16a的圖案根據(jù)前層通孔開口的區(qū)域確定，而無圖案的轉(zhuǎn)化氧化物利用含有緩沖的氫氟酸(BHF)從前、背側(cè)去除，參看圖1b。
剩下的轉(zhuǎn)化氧化物17用作掩模，以便使用磷酸確定氮化硅層15a的圖案。露出的第一二氧化硅層14a、14b和剩下的轉(zhuǎn)化氧化物17隨后在BHF中剝離，留下一個(gè)或更多的氮化硅層15a的區(qū)域，從而限定了通孔開口的區(qū)域，參看圖1c。
然后，如圖1d中所示，熱第二二氧化硅層18a、18b通過LOCOS過程產(chǎn)生，該過程還將氮化硅表面轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化氧化物19。氮化硅20的邊緣被抬起，形成眾所周知的鳥喙形部分21。
現(xiàn)在，通過LPCVD過程沉積第二氮化硅層22a、22b以便在隨后的通孔蝕刻過程中用作蝕刻掩模，參看圖1e。
然后，通過一光刻過程限定位于背側(cè)面上的通孔開口的區(qū)域，其中光致抗蝕劑層24a、24b覆蓋著前側(cè)面和背側(cè)面的剩余部分。隨后，利用活性離子蝕刻方法(RIE)對(duì)這種露出的第二氮化硅22b與第二二氧化硅18b進(jìn)行蝕刻，參看圖1f。
在剝離光致抗蝕劑層24a、24b的剩余部分后，位于結(jié)構(gòu)背側(cè)上的硅的露出區(qū)域23在氫氧化鉀(KOH)中進(jìn)行非均質(zhì)地蝕刻，從而形成一從結(jié)構(gòu)的背側(cè)向上一直到但并不穿過二氧化硅絕緣層12的錐形。參看圖1g，由于蝕刻過程在浸入的絕緣層12處停止，從而留下了絕緣區(qū)域12的露出的背部26。KOH蝕刻可以使用溫度為80℃的KOH重量占28％的熱水溶液。背側(cè)蝕刻的蝕刻時(shí)間可為大約5小時(shí)。
現(xiàn)在，在160℃的熱磷酸中剝離第二氮化硅層22a、22b。經(jīng)過短時(shí)間BHF浸沾而去除位于限定為一個(gè)或更多通孔開口的區(qū)域中的剩余轉(zhuǎn)化二氧化硅層19。現(xiàn)在，在160℃的熱磷酸中剝離第一氮化硅層15a的露出剩余部分。經(jīng)短時(shí)間BHF浸沾而去除第一熱二氧化硅層14a的剩余部分，從而使得位于前側(cè)上的通孔開口27的硅露出，參看圖1h。在此，短時(shí)間BHF浸沾約為20秒。
位于前側(cè)上的這種露出的硅27在KOH中進(jìn)行蝕刻，從而形成一從結(jié)構(gòu)的前側(cè)向下直到但并不穿過二氧化硅絕緣層12的錐形12，由于蝕刻過程在二氧化硅絕緣層12處停止，從而留下絕緣層12的露出前部29，其中這一階段留下為一種薄膜，參看圖1i。同樣在此，KOH蝕刻可以使用溫度為80℃的KOH重量占28％的熱水溶液。前側(cè)蝕刻的蝕刻時(shí)間可為大約20分鐘。
現(xiàn)在，在BHF中剝離剩下的露出二氧化硅層18a、18b以及12，參看圖1j，由此一通孔30在錐形28下方形成，這時(shí)硅已經(jīng)從前側(cè)進(jìn)行了蝕刻。
在此應(yīng)當(dāng)指出，通過利用本發(fā)明的雙側(cè)蝕刻過程，結(jié)合圖1a-1j所述的實(shí)施例中，由于背硅層13的厚度的變動(dòng)，所以絕緣二氧化硅層12的露出背部26的區(qū)域可以變動(dòng)許多，在此可在±25μm之內(nèi)變動(dòng)。然而，前硅層11要薄得多，并且厚度的變動(dòng)也要小得多，在此可以在約±2μm之內(nèi)變動(dòng)。因此，露出前部29的區(qū)域?qū)⒅辉诓煌睦觾?nèi)有非常小的變動(dòng)，從而產(chǎn)生一的截面尺寸得到良好限定的通孔30。如果在隨后的處理步驟中要實(shí)現(xiàn)密封，則這一點(diǎn)極其重要。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖1j中只示出了一個(gè)通孔30，但是在上述過程中可以形成許多通孔。各個(gè)通孔的截面尺寸將由為進(jìn)行前側(cè)蝕刻所露出的硅27的相應(yīng)區(qū)域與前硅層11的厚度限定。
圖1k-1s示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬化過程的各個(gè)步驟。這些步驟示出了透過預(yù)先形成的通孔30而進(jìn)行的饋通金屬化層的形成過程，其產(chǎn)生對(duì)通孔30的密封。
圖1k中示出了饋通金屬化層形成過程的第一步驟。在此，熱二氧化硅31在所有露出的硅區(qū)域中生長(zhǎng)。二氧化硅層用作介電層。然后，在晶片兩側(cè)上蒸發(fā)出第一薄金屬化層32a、32b。第一金屬化層32a、32b包括一粘結(jié)層(例如10nm鈦)和一適于用作電鍍的鍍基層的金屬層(例如100nm金，但也可使用鈀或銅)。然后，在晶片的兩側(cè)上電沉積一可電沉積的光致抗蝕劑層33a、33b(例如Shipley的Eagle2100ED/PR)。
兩側(cè)上的光致抗蝕劑33a、33b現(xiàn)在利用饋通金屬化層所用的掩模確定圖案，其后使用光致抗蝕劑作為模具電鍍上饋通金屬化層(例如3-4μm銅)34a、34b進(jìn)行電鍍之后，參看圖11。在饋通金屬化層的頂部，在一個(gè)步驟中電鍍上一擴(kuò)散阻層(例如200nm鎳)與一潤(rùn)濕層(例如800nm鎳)35a、35b。
然后，如圖1m所示，剝離光致抗蝕劑層33a、33b，將鍍基層32a、32b的露出部分有選擇地蝕刻于饋通金屬化層34a、34b以及組合阻層/潤(rùn)濕層35a、35b上。
隨后利用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法在兩側(cè)上沉積降低應(yīng)力的氧氮化硅層36a、36b。這些層36a、36b用作焊接障礙和鈍化層，其厚度約1μm，參看1n。
現(xiàn)在，在隨后的蒸發(fā)或?yàn)R射過程中在兩側(cè)上沉積鉻層37a、37b。鉻用作隨后在兩側(cè)上對(duì)可電沉積的光致抗蝕劑38a、38b(例如Shipley的Eagle2100ED/PR)新層進(jìn)行電沉積的鍍基層，參看圖1o。
可電沉積的光致抗蝕劑38a、38b隨后在兩側(cè)利用對(duì)應(yīng)的結(jié)合及接觸墊39a、39b所用的掩模確定圖案，并且在鈰(IV)硫酸鹽/硝酸中剝離露出的鉻37a、37b?，F(xiàn)在，露出的氧氮化硅36a、36bPECVD層利用光致抗蝕劑層38a、38b和鉻層37a、37b的剩余部分作為掩模在BHF中進(jìn)行蝕刻，參看圖1p。
由此，光致抗蝕劑38a、38b和鉻層37a、37b的剩余部分得以剝離，參看圖1q。
所露出的潤(rùn)濕層(結(jié)合和接觸墊)的表面通過抗氧化阻層40a、40b(例如100nm金，從Engelhard利用ORMEX)的離子交換噴鍍方法轉(zhuǎn)化成一種非氧化金屬，參看圖1r。
最后，焊接材料41(例如鉛/錫或錫/銀)通過電鍍于可電沉積的光致抗蝕劑的模具中或使用預(yù)型沉積于結(jié)合墊39b上。圖1s中示出了所沉積的焊接材料。
應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體蓋可以選擇不同的尺寸。然而，重要的是，在抗蝕刻層12上要得到較小且良好限定的通孔30，以便通過饋通金屬化層保證嚴(yán)格密封。在本發(fā)明蓋的一個(gè)實(shí)施例的尺寸實(shí)例中，蓋的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可是外部邊長(zhǎng)約為3mm的正方形。背層13可已在表面邊長(zhǎng)約為2mm的正方形的背表面區(qū)域23中進(jìn)行了蝕刻，因此背層的蝕刻足夠大以便產(chǎn)生有待于由蓋所覆蓋的電子或光電子部件所需的空間。對(duì)于每個(gè)通孔，蝕刻相應(yīng)的分離的前表面區(qū)域27。在此，對(duì)于約為20μm的前層厚度，每個(gè)這種前表面區(qū)域可為邊長(zhǎng)約為33μm的正方形。這會(huì)在抗蝕刻層12中得到呈邊長(zhǎng)約為5μm的正方形的露出前部29。如果需要幾個(gè)通孔或一通孔陣列，則這些通孔就可以設(shè)置成使得位于蓋前表面的兩個(gè)相鄰?fù)字g的距離至少為5μm，例如至少10μm。
使用SOI材料的上述雙側(cè)通孔形成過程供可再生產(chǎn)的、良好限定的通孔開口30之用。當(dāng)使用不帶有抗蝕刻界面層的標(biāo)準(zhǔn)、純硅材料時(shí)，則用于限定通孔的掩模尺寸必須適應(yīng)于硅的厚度，或者硅的厚度必須適應(yīng)于掩模尺寸。優(yōu)選地，所產(chǎn)生的通孔開口30的偏差必須不能超過較小的、一位數(shù)的微米值(例如3μm)。這易于利用具有厚度為20μm的前層11的SOI材料的晶片而實(shí)現(xiàn)。在此，厚度的變動(dòng)通常為±10％或更小，其產(chǎn)生的側(cè)向通孔開口變動(dòng)的最大值為2.8μm。
圖2和3中示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體蓋，其可以根據(jù)結(jié)合圖1a-1s所述的過程制作。在此，圖2示出了蓋201的頂(前側(cè))視圖，其中，蓋帶有三個(gè)通孔連接件202a、202b、202c。在蓋201的前側(cè)，每個(gè)通孔連接件202a、202b、202c從通孔203a、203b、203c的前側(cè)部分伸到結(jié)合或接觸墊204a、204b、204c，它們可以涂敷上金。通孔203a、203b、203c通過用作通孔連接件202a、202b、202c的基部的電鍍饋通金屬化層而封閉或密封。除了通向結(jié)合或接觸墊204a、204b、204c的開口之外，蓋201的前側(cè)與通孔連接件202a、202b、202c上均覆蓋著一鈍化層205a。
半導(dǎo)體蓋201的剖面?zhèn)纫晥D與圖1s的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。
圖3示出了圖2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底視圖或后視圖。在此，通孔連接件202a、202b、202c從通孔203a、203b、203c的背側(cè)部分延伸至具有焊接互連隆起206a、206b、206c的結(jié)合墊上。當(dāng)為焊接隆起206a、206b、206c沉積焊接材料時(shí)，焊接密封環(huán)207也形成于蓋的背側(cè)上。同樣，除了通向焊接隆起206a、206b、206c的開口與焊接密封環(huán)207之外，蓋201的背側(cè)與通孔連接件202a、202b、202c上都覆蓋著一鈍化層205b。
對(duì)于結(jié)合圖1a-1s所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，前層11與背層13所選定的低電阻率約為1-20Ωcm。
然而，在本發(fā)明的實(shí)施例內(nèi)，同樣可以使用具有高電阻率的半導(dǎo)體或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，如SOI結(jié)構(gòu)。這種高電阻率半導(dǎo)體或結(jié)構(gòu)可適于高頻用途，這時(shí)一個(gè)或更多高頻信號(hào)將通過其可包括根據(jù)本發(fā)明的饋通金屬化層的通孔連接件傳導(dǎo)。
高頻信號(hào)的頻率根據(jù)公式1/RC由互連電路的歐姆電阻和電容限定。因此，病題在于獲得連接件與硅底層之間的歐姆電阻與電容很低的通孔連接件。高頻率蓋可以用于光電子部件中，包括用于通訊用途的信號(hào)激光器和/或探測(cè)器。頻率可以高達(dá)100GHz。
低歐姆電阻需要連接件具有高橫截面積，而低電容則需要連接件與硅具有較小的界面面積并且底層硅具有較高的電阻率。因此，解決問題的方法是使用一種高電阻率的硅層或襯底，并且將硅表面上的互連件的長(zhǎng)度和寬度減至最小，而同時(shí)將互聯(lián)件保持盡可能地厚。電阻率可為大約或在3kΩcm至4kΩcm的范圍內(nèi)或甚至更高。前層和背層可都考慮這種要求。因此，對(duì)于高頻率用途，也可便于使用無摻雜的硅。
也需要使得通孔連接件盡可能地厚。然而，饋通金屬化層仍應(yīng)當(dāng)提供密封。并不需要各通孔截面面積相同。因此，高頻率的蓋可以由純單晶硅晶片形成。然而，優(yōu)選地使用結(jié)合圖1和2所述的SOI結(jié)構(gòu)與技術(shù)。
本發(fā)明還提供了一種解決方法，其中高電流可以通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或蓋。在此，問題在于為了允許高強(qiáng)度電流通過蓋，需要通過蓋的金屬化部分具有較大的截面面積，而同時(shí)保持蓋的高機(jī)械穩(wěn)定性。而且，應(yīng)當(dāng)同樣易于實(shí)現(xiàn)蓋的密封。例如，可以利用高電流的蓋來覆蓋泵激光器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供的一種解決方法中，利用幾個(gè)或一陣列的通孔連接件或金屬化部分來進(jìn)行高電流連接，每通孔連接件或金屬化部分穿過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或蓋的一個(gè)通孔。各通孔應(yīng)當(dāng)具有較小的截面面積，由此可以保持蓋的機(jī)械強(qiáng)度。由所用數(shù)量的通孔的給定的總截面面積應(yīng)當(dāng)足夠大以便容許所需要的高電流，在此位置的電流密度低于或適當(dāng)?shù)陀陴佂ń饘倩瘜拥呐R界電流密度(最大密度)。
應(yīng)當(dāng)指出，如果高電流連接件制成一個(gè)厚饋通件的形式，則由于半導(dǎo)體和金屬的熱膨脹不同，所以半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或蓋受熱時(shí)可能斷裂為多片。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或蓋可具有幾個(gè)高電流連接件，每個(gè)連接件具有多個(gè)或一陣列的通孔連接件或金屬化部分。
并不需要各通孔的截面面積相同。因此，高電流的蓋可以由純單晶硅晶片形成。然而，優(yōu)選地使用結(jié)合圖1和2所述的S0I結(jié)構(gòu)與技術(shù)。由于SOI結(jié)構(gòu)的通孔為錐形，因此饋通金屬化層的金屬在受熱時(shí)可向上膨脹，結(jié)果形成更高強(qiáng)度的蓋。
圖4示出了一種半導(dǎo)體蓋的一個(gè)實(shí)施例的頂視圖或前視圖，其帶有兩個(gè)適用于引導(dǎo)高電流的電流連接件402a、402b。每個(gè)連接件402a、402b包括一若干通孔連接件403a、403b構(gòu)成的陣列，其中各通孔連接件具有從蓋前側(cè)穿過通孔至蓋背側(cè)的金屬化部分。各饋通金屬化層從前側(cè)向下逐漸變細(xì)，因此底部的截面面積比頂部的截面面積更小。因此，各個(gè)通孔完全由饋通金屬化層覆蓋和密封。一個(gè)電流連接件402a或402b的饋通金屬在通孔的兩側(cè)和蓋401的前側(cè)上互相形成電連接，前側(cè)金屬化部分405a或405b連接著通孔連接件403a或403b和相應(yīng)的結(jié)合或接觸墊406a或406b，它們可以涂上金。除了通向結(jié)合或接觸墊406a、406b的通孔之外，蓋401的前側(cè)與通孔連接件403a、403b均由鈍化層407a覆蓋著。
圖5示出了圖4的半導(dǎo)體蓋的剖面?zhèn)纫晥D。在此，蓋401具有一硅前層411、一二氧化硅層412、以及一硅背層413。圖5還示出了通孔連接件403a、403b以及相應(yīng)的前側(cè)金屬化部分405a、405b與結(jié)合或接觸墊406a、406b。一個(gè)電流連接件402a、402b的通孔連接件403a、403b在蓋401的底側(cè)連接于底側(cè)金屬化部分414a、414b上，而底側(cè)金屬化部分414a、414b又連接于焊接隆起415a、415b上。蓋401的底部還包括一焊接密封環(huán)416以用于將蓋密封地連接于襯底上。
圖6中示出了圖4和5的半導(dǎo)體蓋的底視圖或后視圖。在此，各底側(cè)金屬化部分414a、414b從相應(yīng)通孔的背側(cè)部分向相應(yīng)焊接隆起415a、415b延伸。同樣，除了通往焊接隆起415a、415b的開口與焊接密封環(huán)416之外，蓋401與底側(cè)金屬化部分414a、414b的背側(cè)都由鈍化層407b覆蓋著。
本發(fā)明還提供了一種解決方法，其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或蓋可將一集成電子電路集成于結(jié)構(gòu)或蓋的前層中。因此，就可提供一種簡(jiǎn)單且低成本的解決方法來將集成電子電路設(shè)置于光電子組件中。
根據(jù)一種優(yōu)選的解決方法，使用硅晶片，其中許多集成電子電路已經(jīng)加工于頂部表面上或前層中。晶片將進(jìn)一步加工成多個(gè)結(jié)構(gòu)或蓋。如果每個(gè)蓋或結(jié)構(gòu)需要一個(gè)電子電路，則在與每個(gè)蓋或結(jié)構(gòu)的設(shè)置相對(duì)應(yīng)的設(shè)置中加工一個(gè)電路。如果每個(gè)蓋或結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)電子電路，則在與每個(gè)蓋或結(jié)構(gòu)的設(shè)置相對(duì)應(yīng)的設(shè)置中加工兩個(gè)電路。
為了獲得從蓋的前部通向蓋內(nèi)部的通孔連接件，由此可在利用蓋覆蓋著的光電子組件之內(nèi)的元件與集成電路之間提供電連接，優(yōu)選地使用結(jié)合圖1和2所述的SOI結(jié)構(gòu)和雙側(cè)蝕刻過程。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體蓋，其具有一個(gè)或多個(gè)在蓋的外側(cè)半導(dǎo)體上表面層中加工的整體成型的電子電路，以及多個(gè)傳導(dǎo)通路或通孔連接件，這些傳導(dǎo)通路或通孔連接件從蓋的外表面或外表面層伸至蓋內(nèi)部而穿過蓋以便形成一個(gè)或更多通過所述蓋的電連接。優(yōu)選地，至少一部分所述通孔連接件與處于外側(cè)半導(dǎo)體表面層中的所述電子電路之一結(jié)合或保持電接觸。各個(gè)通孔連接件可以具有形成于蓋中的相應(yīng)通孔，并且所述通孔可以通過通孔連接件的形成而得以密封。這種通孔可以通過一個(gè)或更多蝕刻過程形成，可包括前層蝕刻與背層蝕刻。
各個(gè)通孔并不需要具有相同的截面面積。因此，蓋可以由一種純單晶硅晶片形成。然而，優(yōu)選地使用上述的SOI結(jié)構(gòu)。
在許多應(yīng)用情況中，需要半導(dǎo)體蓋包括一冷卻元件或一有源冷卻元件。這些應(yīng)用情況可包括設(shè)計(jì)用于高電流的半導(dǎo)體蓋。優(yōu)選地，將一呈Peltier元件形式的有源冷卻元件設(shè)置于半導(dǎo)體蓋的頂部。
Peltier元件可通過在蓋頂上加工不同的金屬層而形成。因此，當(dāng)已對(duì)整個(gè)硅晶片進(jìn)行處理以便獲得多個(gè)半導(dǎo)體蓋時(shí)，可以增加一些額外的處理步驟以便在整個(gè)晶片頂部上形成不同的金屬層。在完成這些金屬化步驟之后，可以將晶片分成許多單獨(dú)的蓋，每個(gè)蓋具有一形成于外上表面上的Peltier元件。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選地，還在Peltier元件的頂部上設(shè)置散熱片。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種在許多半導(dǎo)體蓋的每個(gè)的頂部上形成一有源冷卻元件的方法，其中所述數(shù)量的蓋在一整個(gè)半導(dǎo)體晶片上進(jìn)行加工，并且其中所述冷卻元件的形成包括在整個(gè)晶片頂上或彼此頂上形成若干不同的金屬層。優(yōu)選地，當(dāng)所處理的晶片已經(jīng)分成許多單獨(dú)的蓋時(shí)，要選擇所形成的金屬層以便在各個(gè)蓋上形成一Peltier元件。半導(dǎo)體晶片可以是單晶硅晶片，或者其可以是具有SOI(位于絕緣體上的硅)結(jié)構(gòu)的晶片。半導(dǎo)體蓋可以是高電流型蓋，其中利用若干通孔連接件來提供高電流連接。高電流蓋可以具有上述結(jié)構(gòu)，包括SOI結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還包括其中利用半導(dǎo)體蓋來作為一種光電子組件或子配件的外罩的實(shí)施例。在此，蓋可以具有一個(gè)或更多帶有相應(yīng)的通孔連接件的通孔，以便提供從蓋的外表面至蓋的內(nèi)表面的電連接。通孔連接件可以具有形成于蓋中的相應(yīng)通孔，而所述通孔可以通過通孔連接件的形成而得以密封。這種通孔可以通過一個(gè)或更多蝕刻過程形成，蝕刻過程可以包括前層蝕刻與背層蝕刻。
蓋可以由純單晶硅晶片形成。然而，優(yōu)選地使用上述SOI結(jié)構(gòu)。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光電子組件的一個(gè)實(shí)施例。在此，光電子組件701具有一半導(dǎo)體基部702以及一形成于或設(shè)置于基部702上表面上的光波導(dǎo)件703。一光電子部件704也設(shè)置于基部702的上表面上，其與光波導(dǎo)件703保持光學(xué)耦合。一半導(dǎo)體蓋705通過一焊接密封環(huán)706密封地設(shè)置于基部702的上表面上，并且蓋705覆蓋著部件704。蓋705具有饋通金屬化層707，其提供從蓋705的上表面經(jīng)通孔向下至蓋底部的電流通路。饋通金屬化層通過一位于基部702表面上的連接金屬化部分708及一焊接互連件709而與部件704保持電連接。在此，波導(dǎo)件703由一底部包層710、一核心層711以及一頂部包層712形成。在波導(dǎo)件703區(qū)域的外部，沒有提供核心層711，而是一包層713覆蓋著基部702的表面。焊接密封環(huán)706焊接于包層712與713上。所示的蓋705具有一種SOI結(jié)構(gòu)，并且蓋705可以使用結(jié)合圖1所述的過程制作。
到目前為止，都是利用硅晶片來示出本發(fā)明的實(shí)施例。然而，也可以使用其它半導(dǎo)體材料，例如III-IV復(fù)合半導(dǎo)體。
其它實(shí)施方式也在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于提供帶有一個(gè)或更多通孔的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有一前表面和一基本上與其相對(duì)的背表面，這種方法包括在與一個(gè)或更多通孔位置相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多背表面區(qū)域處從背表面蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；以及在與這一個(gè)或更多通孔位置相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或更多前表面區(qū)域處從前表面蝕刻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一朝向背表面的第一半導(dǎo)體層、一朝向所述前表面的第二半導(dǎo)體層以及一布置于第一和第二半導(dǎo)體層之間的基本上抗蝕刻的層，這種方法還包括從背表面通過第一半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻；當(dāng)所述抗蝕刻層的背部露出時(shí)則停止從背表面進(jìn)行蝕刻，抗蝕刻層的背部與一個(gè)或更多的背表面區(qū)域相對(duì)應(yīng)；從前表面通過第二半導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻；當(dāng)抗蝕刻層的前部露出時(shí)則停止從前表面進(jìn)行蝕刻，抗蝕刻層的前部與一個(gè)或更多的前表面區(qū)域相對(duì)應(yīng)；以及將與一個(gè)或更多通孔中的每一個(gè)的位置相對(duì)應(yīng)的抗蝕刻層的至少部分除去以便在蝕刻之后形成一個(gè)或更多通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括對(duì)一個(gè)或更多通孔進(jìn)行密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括使用饋通金屬化過程來密封一個(gè)或更多通孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，對(duì)至少一個(gè)通孔進(jìn)行密封包括提供一粘附層；提供一鍍基層；提供一饋通金屬化層；提供一擴(kuò)散阻層；提供一潤(rùn)濕層；以及提供一抗氧化阻層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對(duì)背表面區(qū)域進(jìn)行蝕刻包括露出抗蝕刻層的大部分背部，其面積大于抗蝕刻層的任何露出前部。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，抗蝕刻層包括一種選自氮化硅、氧氮化硅和二氧化硅的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，抗蝕刻層包括一夾層，其包括至少二氧化硅、氮化硅以及氧氮化硅的交替層。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括使用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來作為用于封裝光電子部件的蓋。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，背蝕刻步驟與前蝕刻中的至少一個(gè)包括使用一種液態(tài)化學(xué)蝕刻過程。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，背蝕刻與前蝕刻中的至少一個(gè)包括使用一種各向異性蝕刻過程。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，背蝕刻與前蝕刻包括使用氫氧化鉀的水溶液。
13.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括一前表面；一設(shè)置成基本與所述前表面相對(duì)的背表面；以及至少一個(gè)饋通互連件，每個(gè)饋通互連件包括多個(gè)通孔連接件，其中，每個(gè)通孔包括饋通金屬化層以便在結(jié)構(gòu)下部與結(jié)構(gòu)上部之間提供導(dǎo)電通路。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，對(duì)于每個(gè)饋通互連件，通孔的饋通金屬化層在結(jié)構(gòu)下部與結(jié)構(gòu)上部?jī)?nèi)互相保持電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個(gè)通孔是密封的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔是密封的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，密封通過饋通金屬化層來提供。
18.一種光電子組件結(jié)構(gòu)，包括一帶有一主表面的半導(dǎo)體基部；一沿主表面一體形成的光波導(dǎo)件；一與波導(dǎo)件保持光學(xué)耦合的光電子芯片；一密封于基部上并且形成一覆蓋著芯片的外殼的半導(dǎo)體蓋，該蓋包括一前表面；一設(shè)置成基本與所述前表面相對(duì)的背表面；以及至少一個(gè)饋通互連件，每個(gè)饋通互連件包括多個(gè)通孔連接件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光電子組件結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個(gè)通孔設(shè)置有饋通金屬化層以便提供穿過蓋到達(dá)光電子芯片的電流通路。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電子組件結(jié)構(gòu)，其特征在于，光電子芯片包括激光器。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光電子組件結(jié)構(gòu)，其特征在于，通孔連接件為光電子芯片提供密封。
全文摘要
公開了帶有一個(gè)或更多通孔的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?？梢允褂灭佂ń饘倩^程來對(duì)通孔進(jìn)行密封。
文檔編號(hào)H01L23/02GK1605126SQ02825292
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月17日
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