多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法及电子产品

1.本技术涉及集成电路技术领域，尤其涉及多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法及电子产品。


背景技术：

2.近年来，传感器作为机械设备感知外界环境的工具，已在钢铁、化工、智能设备等领域得到了广泛的应用。薄膜传感器的制备工艺相对简单，体积较小，成为了传感器领域的重点研究方向。为了能进一步拓展薄膜传感器的功能范围和应用领域，则需要推动传感器系统走向更高集成密度、更小封装尺寸、更低功耗、更低成本的结构。
3.但是目前薄膜传感器往往局限于单一模式的环境探测，在环境中功能性较低且可靠性不强。并且现有的传感器基于单个微机电传感器在信号采集与信号处理晶圆上的集成，要实现传感器的多模式(多功能)，需要逐个进行加工处理，无法实现晶圆级的批量制备与封装，增加了工艺步骤与生产成本。另外，现有的多模式薄膜传感器中，导电线路占据空间较大，不同传感器之间需要绝缘材料实现电隔离，这进一步增大了器件的尺寸和制造难度。
4.现有技术中的传统薄膜传感器功能较少，而多模式薄膜传感器的尺寸较大且多个传感器加工集成工艺繁琐的问题亟待解决。


技术实现要素：

5.为了改善或解决背景技术提到的至少一个问题，本技术提供了多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法及电子产品。
6.该多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法包括：
7.提供晶圆，在所述晶圆上制备介质层；
8.在所述晶圆上制备硅通孔，在所述硅通孔中填充导电介质；
9.在所述晶圆的未设置所述介质层的一面设置背面绝缘层；以及
10.在所述晶圆的设置有介质层的一面设置多个类型不同的敏感薄膜和多个外接电极，多个所述外接电极通过所述硅通孔在所述晶圆的未设置所述介质层的一面互联。
11.在至少一个实施方式中，所述集成方法包括：通过电镀工艺在所述硅通孔中设置导电介质，所述外接电极连接于所述硅通孔。
12.在至少一个实施方式中，所述集成方法包括：在所述晶圆的未设置所述介质层的一面设置引脚。
13.在至少一个实施方式中，所述外接电极通过所述硅通孔连接于所述引脚。
14.在至少一个实施方式中，所述外接电极包括传感电极，所述敏感薄膜连接于所述传感电极以实现传感功能。
15.在至少一个实施方式中，所述晶圆的未设置所述介质层的一面设置有驱动电路、控制电路、信号传输电路，多个所述外接电极共同连接于所述驱动电路、所述控制电路和所
述信号传输电路中的至少一者。
16.在至少一个实施方式中，所述介质层包括氧化硅与氮化硅中的至少一者。
17.在至少一个实施方式中，所述硅通孔的直径d满足1μm≤d≤50μm，所述硅通孔的深宽比为5：1至10：1。
18.在至少一个实施方式中，通过光刻及刻蚀工艺图案化所述外接电极，或通过光刻、金属沉积及剥离工艺图案化所述外接电极。
19.本技术提供的电子产品包括通过前述的多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法制造出的多模式薄膜传感器。
20.本技术在晶圆上集成多个类型的敏感薄膜，通过硅通孔实现电路的垂直互联，节省了晶圆正面上的金属互联线路与外接电极引线造成的空间占位，既实现了薄膜传感器的多功能化，又实现了薄膜传感器的小型化。
21.具备上述多模式薄膜传感器的电子产品也同理具有能实现多种探测功能及具有设备小型化的优点。
附图说明
22.图1a示出了根据本技术实施方式的多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法中的制备介质层步骤的示意图。
23.图1b-图1d示出了根据本技术实施方式的多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法中的制备硅通孔步骤的示意图。
24.图1e示出了根据本技术实施方式的多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法中的设置背面绝缘层步骤的示意图。
25.图1f-图1l示出了根据本技术实施方式的多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法中的集成敏感薄膜与外接电极步骤的示意图。
26.附图标记说明
27.1晶圆；11硅通孔；12盲孔；
28.2介质层；21第一子介质层；22第二子介质层；23第三子介质层；
29.3背面绝缘层；31背面通孔接触区；
30.4加热电极；
31.5绝缘部；51正面通孔接触区；
32.6传感电极；
33.7敏感薄膜；71第一敏感薄膜；72第二敏感薄膜；
34.8导线；
35.9引脚
具体实施方式
36.下面参照附图描述本技术的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本技术，而不用于穷举本技术的所有可行的方式，也不用于限制本技术的范围。
37.参见图1a至图1l，本技术提供了多模式薄膜传感器的晶圆级集成方法，该方法可
以包括如下步骤。
38.(s1)提供晶圆1，并在晶圆1上制备介质层2。介质层2用于绝缘晶圆1与多模式薄膜传感器(后面介绍)。参见图1a，示例性地，晶圆1可以为4至12英寸或其他尺寸的硅晶圆。介质层2可以为sio
x
与sin
x
中的一者或多者的复合层。其中，sio
x
可以为一氧化硅(sio)、二氧化硅(sio2)等。sin
x
可以为氮化硅(si3n4)等。在本技术的一个实施例中，介质层2包括层叠设置的第一子介质层21、第二子介质层22和第三子介质层23。第一子介质层21和第三子介质层23的材料可以为二氧化硅(sio2)，第二子介质层22的材料可以为氮化硅(si3n4)。介质层2可以通过等离子体强化的化学气相沉积法(pecvd)制备在晶圆1上。
39.(s2)制备硅通孔11。参见图1b、图1c和图1d，示例性地，可以先在晶圆1上挖盲孔，再通过研磨等工艺将晶圆1减薄至合适厚度，至硅通孔11暴露。本技术的附图示出了此实施方式。当然，也可以直接在晶圆1上挖通孔结构。其中，硅通孔11的直径d可以为，1μm以为，结构μm。硅通孔11的深宽比可以为5：1至10：1。
40.参见图1b，示例性地，可以先设计出硅通孔11的设置位置，通过光刻工艺图案化光刻胶，再通过电感耦合等离子体(icp)工艺在光刻胶的凹陷处刻蚀介质层2，再通过深硅刻蚀工艺(例如bosch工艺，又称交替往复式工艺)刻蚀出盲孔12，去除光刻胶。
41.参见图1c，在具有盲孔12和介质层2的晶圆1上，制备电镀用绝缘层、阻挡层和种子层，再通过电镀工艺填充盲孔12，使盲孔12具备电路的垂直互联功能。盲孔12内，由径向外侧至径向内侧依次为电镀用绝缘层、阻挡层、种子层和电镀工艺填充的导电介质。示例性地，电镀用绝缘层的材料可以为二氧化硅或其他绝缘材料，可以为单种绝缘材料，也可以为多种绝缘材料形成的复合绝缘材料。电镀用绝缘层可以通过热氧化或等离子体强化的方法制备。阻挡层的材料可以为氮化钛(tin)，可以通过原子层沉积(ald)方法制备。种子层的材料可以为铜，可以通过物理气相沉积(pvd)的方法制备。电镀工艺在盲孔12内填充的材料可以为铜。通过在盲孔12内填充导电介质，使得盲孔12(后续的硅通孔11)具备电路导通的作用。
42.参见图1d，示例性地，一方面，可以通过化学机械抛光(cmp)工艺去除介质层2表面的种子层、阻挡层等，至露出完整的介质层，以便晶圆1的正面(图1d的上面)设置外接电极。另一方面，可以通过研磨工艺、化学机械抛光工艺或其他表面平整化工艺处理盲孔12的背面(图1d的下面)，使孔结构暴露，盲孔12成为硅通孔11。
43.可以理解，硅通孔11是相对于晶圆1或硅的通孔，在图1d所示的硅通孔11中已经填充了金属导线，这里，该金属导线可以是铜导线。
44.(s3)在晶圆1的背面(未设置介质层2的一面)设置背面绝缘层3。参见图1e，示例性地，可以通过等离子体强化的化学气相沉积法(pecvd)制备背面绝缘层3，其材料可以为二氧化硅等。进一步地，可以通过光刻工艺图案化光刻胶，在光刻胶上显影出背面绝缘层3上的与硅通孔11对应的背面通孔接触区31，通过电感耦合等离子体(icp)工艺刻蚀背面通孔接触区31，使得硅通孔11暴露出来。
45.(s4)在晶圆1的正面(设置介质层2的一面)集成多个敏感薄膜7与相应的外接电极。参见图1f、图1g、图1h、图1i、图1j、图1k、图1l，示例性地，可以集成多种类型的敏感薄膜，使得多模式传感器同时具有例如探测气体、温度、湿度等功能。外接电极包括但不限于加热电极4、传感电极6等。
46.以实现气体检测功能为例，参见图1f，可以在晶圆1的正面设置加热电极4。示例性地，可以通过光刻工艺在光刻胶上显影出电极的图案，通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方法在光刻胶的凹陷位置进行金属沉积，剥离光刻胶得到图案化(例如蛇形)的加热电极4。电极的金属可以为钛或铂等。加热电极4可以连接于硅通孔11。电极的厚度可以为80nm至150nm，例如110nm等。当然，还可以通过先在晶圆1的正面铺设金属层，通过光刻工艺在光刻胶上显影出相应图案，再通过刻蚀金属层，得到图案化的电极。
47.参见图1g，可以在加热电极4上沉积正面绝缘层。正面绝缘层的材料可以为二氧化硅，其可以通过等离子体强化的化学气相沉积法(pecvd)设置。加热电极4被封装于由第三子介质层23、电镀用绝缘层、正面绝缘层形成绝缘部5的内部。
48.参见图1h，可以通过光刻工艺在光刻胶上显影出绝缘部5上的与硅通孔11对应的正面通孔接触区51，再通过电感耦合等离子体(icp)工艺刻蚀绝缘部5上的正面通孔接触区51，露出硅通孔11。
49.参见图1i，可以在绝缘部5的表面设置传感电极6。示例性地，可以图案化光刻胶，再使用磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式在光刻胶的图案化凹槽中沉积金属，剥离光刻胶即得到图案化的传感电极6。示例性地，传感电极6可以为叉指电极，电极的金属可以为钛或铂等。传感电极6的一端可以连接于硅通孔11。传感电极6的厚度可以为80nm至150nm，例如110nm等。当然，还可以通过先铺设金属层，通过光刻工艺在光刻胶上显影出相应图案，再通过刻蚀金属层，得到图案化的电极。
50.参见图1j，可以在传感电极6上设置敏感薄膜7，以实现传感功能。可以图案化光刻胶，并通过涂覆的方式在光刻胶的图案化凹槽中设置敏感薄膜7的材料，剥离光刻胶即可得到图案化的敏感薄膜7。当然，还可以通过选择性自组装、沉积等方法设置敏感薄膜7。
51.可以在传感电极6两端施加一定的电压，当敏感材料7在传感过程中发生特异性变化时，传感电极6两端的信号会发生改变(例如电流发生改变)，通过读取该信号即可实现传感功能。敏感薄膜7的材料可以为氧化物、金属、高分子聚合物等，可以根据实际需要切换不同的薄膜。
52.参见图1k，可以在晶圆1上制备出多个外接电极和多个不同类型的敏感薄膜7。例如，本技术提供了两个串联的实现气体传感功能的第一薄膜71和一个实现温度传感功能的第二薄膜72。可以理解的是，加热电极4是实现气体传感功能要用到的电极，实现温度传感或某些其他功能的敏感薄膜不用配套设置加热电极4。外接电极还可以包括用于反馈电路、控制电路、参比电路等电路中实现各种功能的电极，本技术不再一一详述。
53.敏感薄膜7可以阵列排布，敏感薄膜7对应的外接电极可以通过硅通孔11和导线8在晶圆1的背面互联。例如可以将多个气体传感器的电极串联，并连接同一信号采集电路。多个外接电极可共用同一设置在晶圆1背面或晶圆1以外的驱动电路、控制电路、信号传输电路等，进而减少了线路尺寸，有利于多模式传感器的小型化。另外，电极互联的垂直化避免了正面的互联线路与电极引线造成的空间占位，提高了晶圆1的水平面内的敏感薄膜7的设置密度。
54.参见图1l，可以在晶圆1上设置引脚9。示例性地，可以在硅通孔11的接触位置设置引脚(植锡球)，作为外部信号处理系统与晶圆连接的触点。引脚9的位置可以为图示的晶圆背面或未示出的晶圆正面。
55.可以理解，单一晶圆上可以集成多组多模式薄膜传感器。集成完毕后可以通过切割晶圆得到单独的多模式薄膜传感器。
56.本技术还提供了一种电子产品，该电子产品包括通过上述晶圆级集成方法集成得到的多模式薄膜传感器，其尺寸较小，且能够实现多种功能。
57.以上所述是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。