基於單晶的貫穿晶片連接的製作方法

2023-09-16 11:04:45

專利名稱：基於單晶的貫穿晶片連接的製作方法
技術領域：
實施例涉及半導體工藝領域。實施例還涉及形成完全貫穿半導體 晶片的電學連接。實施例還涉及重摻雜基板與深電學絕緣溝槽結合使 用以實現從矽晶片的前面到其背面的導電路徑。
背景技術：
大多數半導體裝置是通過圖案化矽(Si)基板的前面來形成的。
通常，基板是稱為晶片的平薄材料盤。圖案化形成布線或金屬互連以 及微小電子裝置，例如電晶體。晶片的背面被嚴重忽略。然而，某些 應用確實要使用晶片背面。背面的一個用處為將電學接觸置於其上。
可以通過形成貫穿晶片(through-the-wafer, TTW)連接來製作 背面電學接觸。TTW連接是從裝置所在的晶片前面到達背面的電學傳導 路徑。 一個通常要求為連接尺寸要大，直徑約略為20微米(um)或 更大。目前是通過蝕刻深孔，使用重摻雜多晶矽(polySi)或金屬導 體來填充，且隨後減薄背面，由此來形成TTW連接。下述示例描述了 製作TTW連接的方法。
標記為"現有技術，，的圖l示出了棵矽晶片101的側視圖。為了 方便，下述示例以棵矽晶片開始。實際上，許多裝置可能已經位於該 矽晶片上。
標記為"現有技術"的圖2示出了氧化之後的矽晶片101。氧化 在前面201上形成氧化物層並在背面202上形成氧化物層。氧化是氧 氣與材料反應的工藝。例如，鐵氧化變為鐵鏽。類似地，矽氧化變為 二氧化矽，也稱為玻璃或氧化物。暴露於正常空氣的矽晶片的表面會 隨時間而自然氧化。然而，半導體工藝工程師知曉控制矽快速氧化及 氧化物層厚度的許多方法。
標記為"現有技術，，的圖3示出了抗蝕劑層301沉積在氧化的前 面201上的圖2的矽晶片101。抗蝕劑有時候稱為"光致抗蝕劑"，是 一種在通常用於圖案化半導體晶片的稱為光刻工藝中使用的光敏材 料。由於抗蝕劑與光起反應，因此較容易在抗蝕劑內形成圖案。圖案化抗蝕劑也稱為光刻，是一種用於形成圖案化的抗蝕劑的工藝，其包 括但不限於照射光穿過圖案掩模到達抗蝕劑層上以及隨後顯影該抗蝕劑。
標記為"現有技術，，的圖4示出了圖案化的抗蝕劑402。 TTW連接 的未來位置401上方的抗蝕劑已經通過光刻顯影工藝被移除。
標記為"現有技術"的圖5示出了在矽晶片101內蝕刻形成的深 孔501。蝕刻是半導體工藝中用於移除材料的一種公知工藝。在該示例 中，沒有受到抗蝕劑或氧化物保護的材料被移除。存在許多不同蝕刻 工藝，例如溼蝕刻、反應離子蝕刻(RIE)、以及等離子體蝕刻。
標記為"現有技術"的圖6示出了抗蝕劑和氧化物被剝離的圖案 化的矽晶片101。絕緣氧化物601通常沉積或熱生長在晶片上，以提供 晶片與TTW連接的隔離。
標記為"現有技術，，的圖7示出了多晶矽701沉積之後的圖案化 的晶片101。多晶矽701完全填充矽晶片101內的孔501。這裡，多晶 矽重摻雜以提高其電導率。摻雜是指少量其它元素添加到材料以改變 其性能。
標記為"現有技術"的圖8示出了前面拋光803和背面研磨805 之後的矽晶片101 。平坦化是用於拋光或研磨晶片以製作平坦表面的工 藝。這裡，前面被拋光且背面被研磨以露出多晶矽TTW連接801。
如所述，未加工的晶片通常具有前面和背面。前面被拋光至非常 高水平的平整度。背面可以被拋光或者有時僅僅被研磨或蝕刻至粗平 整度。當晶片被加工時，裝置通常僅形成於前面上。在特定點對前面 的進一步拋光在許多半導體工藝配方中是標準步驟。從矽基板背部移 除部分體矽的背面研磨也是常見加工步驟。
目前，使用與上述類似的工藝來製作TTW連接。最顯著的是，所 有工藝都包含使用多晶矽或類似材料來填充孔的步驟。該填充步驟是 一個非常緩慢和昂貴的步驟。填充步驟的緩慢和費用成為TTW連接用 於許多用途的限制。
本發明通過在矽晶片內蝕刻和填充環形溝槽而非孔，由此直接解 決了現有技術的缺點
發明內容
因此，實施例的一個方面是在重摻雜的矽基板的一個面上沉積抗 蝕劑層。該基板可以是棵矽晶片、加工過的矽晶片、其它矽基板。加 工過的晶片是指其上具有諸如布線和電晶體的裝置，或者圖案、摻雜 及互連的晶片。矽基板重摻雜使得具有低電阻率或高電導率。在抗蝕 劑層沉積之後，通過標準光刻工藝在該抗蝕劑層內形成環形圖案。實施例的另一方面是如該環形圖案所定義的在該矽基板內蝕刻形 成環形溝槽。該溝槽隨後可以用電學絕緣材料填充。使用圖案化的抗 蝕劑在矽基板內蝕刻形成圖案是半導體工藝中的標準工藝。使用各種 材料填充溝槽也是半導體工藝中的標準操作。這些材料中的一些是電 學絕緣的，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、以及未摻雜多晶矽。實施例的再一方面是拋光該矽基板的前面和研磨該矽基板的背面。該拋光和研磨步驟在該基板兩側上露出TTW連接。特定實施例的又一方面是在填充該溝槽之前在該溝槽上形成電學 隔離層。該電學隔離層可以是例如氧化物的材料。電學絕緣材料可以 沉積在溝槽壁上。氧化物也可以通過氧化而生長在溝槽壁上。


所有各個附圖中相同的參考標記表示相同或者功能上類似的元 件，且附圖被包含並形成說明書的一部分；附圖進一步說明本發明， 且與背景技術、發明內容及具體實施方式
一起用於解釋本發明的原理。 圖l標記為"現有技術"，示出了棵矽晶片的側視圖； 圖2標記為"現有技術"，示出了氧化之後的矽晶片； 圖3標記為"現有技術"，示出了抗蝕劑層沉積在其拋光面上的圖 1的娃晶片；圖4標記為"現有技術"，示出了圖案化的抗蝕劑； 圖5標記為"現有技術"，示出了在矽晶片內蝕刻形成的深孔； 圖6標記為"現有技術，，，示出了抗蝕劑和氧化物被剝離，且絕緣 氧化物層沉積或生長在表面上的圖案化的矽晶片；圖7標記為"現有技術"，示出了多晶矽沉積之後的圖案化的晶片； 圖8標記為"現有技術"，示出了前面和背面平坦化之後的矽晶片； 圖9說明依據實施例的矽基板、抗蝕劑層和環形圖案； 圖IO說明依據實施例的從上方觀察的矽基板、抗蝕劑層和環形圖案；
圖ll說明依據實施例的基板、抗蝕劑層、環形圖案和環形溝槽； 圖12說明依據實施例的基板、環形溝槽、沉積在基板上方及溝槽 內的絕緣材料；
圖13說明依據實施例的基板、環形絕緣體材料以及TTW連接； 圖14說明依據實施例的氧化之後的矽基板和環形溝槽； 圖15說明依據實施例的氧化之後和沉積另一材料之後的矽基板 和環形溝槽；
圖16說明依據實施例的矽基板、填充的環形體積和兩個環形絕緣 體積；以及
圖17說明依據實施例的從上方觀察的矽基板、抗蝕劑層和矩形圖案。
具體實施例方式
圖9說明依據實施例的具有圖案化的抗蝕劑層902的矽基板101。 圖案化的抗蝕劑層902為具有環形圖案901的抗蝕劑層。該抗蝕劑層 可以依據標準光刻工藝來沉積、曝光於環形光圖案並顯影。結果為圖 案化的抗蝕劑層902內的環形圖案901,如所示。如先前所討論，棵矽 基板101也稱為未加工基板101，示於圖中以簡化示例。備選實施例中 可以使用加工的基板。此外，基板101在第一加工步驟成為加工的基 板，該第一加工步驟通常是沉積抗蝕劑層。
圖IO說明依據實施例的將覆蓋矽基板(未示出)的圖案化的抗蝕 劑層902內的環形圖案901的俯視圖。圖9和圖10的差異在於，圖9 是從側視圖來說明而圖IO是從俯視圖來說明。此外，所有附圖均未按 比例繪製。
圖11說明依據實施例的基板101、圖案化的抗蝕劑層902、環形 圖案901以及環形溝槽1101。通過使圖9和10所示的具有圖案化的抗 蝕劑層902的基板101經歷例如反應離子蝕刻的蝕刻工藝，可以製作 該環形溝槽1101。這更通常被熟知該工藝的技術人員稱為深反應離子 蝕刻(DRIE)。環形溝槽1101未按比例繪製，因為在實踐中，環形溝 槽1101可以是幾微米寬且可以足夠深以貫穿或者幾乎貫穿基板101的
底面o圖12說明依據實施例的基板101、環形溝槽1101以及沉積或熱 生長在基板101上和環形溝槽1101內的絕緣材料1201。通過剝離抗蝕 劑層301並沉積絕緣材料1201，由此從圖11所示的結構來製作圖12 所示的結構。絕緣材料1201可以填充環形溝槽1101且也可以覆蓋基 板101。
圖13說明依據實施例的基板101、環形絕緣環1302和TTW連接 1301。可以通過研磨基板101背面並拋光基板101前面和背面，由此 從圖12所示的結構來製作圖13所示的結構。在圖中為底面的基板101 背面被研磨以露出TTW連接1301。示為頂部的基板101前面可以被拋 光以移除覆蓋TTW連接1301頂側的絕緣材料塗層。TTW連接1301是導 電的，因為其材料與基板101相同。基板IOI由於重摻雜而是導電的。
圖14說明依據實施例氧化之後的矽基板101和環形溝槽1101。 通過剝離抗蝕劑層301並氧化其餘基板，由此從圖11的結構製作圖14 的結構。如上文所討論，氧化矽基板是半導體工藝中標準且公知的操 作。結果為基板101和溝槽1101具有幾微米厚的氧化物層"01。氧化 物不導電。
圖15說明依據實施例氧化之後和沉積另一材料1501之後的基板 101和環形溝槽1101。通過沉積材料層1501，由此從圖14的結構製作 圖15的結構。半導體工藝領域的技術人員知曉各種材料沉積方法，例
如氣相沉積、化學氣相沉積、等離子體增強氣相沉積等。材料isoi填
充溝槽1101並塗覆基板101。該材料最典型地為多晶矽，但其它材料 也可以使用。
圖16說明依據實施例的基板101、填充的環形體積1603和兩個 環形絕緣體積。通過拋光基板101前面並研磨和拋光基板101背面， 由此從圖15的結構製作圖16的結構。基板101背面被磨削或研磨以 移除氧化物層1401並露出TTW連接1604。如果需要平滑表面，基板 101背面也可以被拋光。基板前面被拋光以移除材料1501的塗層以及 氧化物層1401，且由此露出TTW連接1604。
圖17說明依據實施例的從上方觀察的矽基板、抗蝕劑層902和矩 形圖案1701。已經移除了抗蝕劑1701的矩形圖案說明TTW連接不一定 為圓形或橢圓形。可以使用任何其它形狀，例如矩形、三角形或類似 的多邊形。概言之，圖13和16所示的最終結構為從基板一側到另一側的導 電材料插塞(plug)。插塞被電學絕緣材料包圍，該電學絕緣材料將該 插塞與基板絕緣。在圖16的結構中，插塞也可以被其它材料例如多晶 矽包圍。實施例要求製作環形溝槽，該環形溝槽隨後用材料來填充以製作 環形圏或環形體積。環的重要特性為其形成可以圍繞所形成的TTW連 接的體積。環的圓形性質不是重要特性。圖17說明方形溝槽1701，但 是其它方面完全類似於圖10。方形溝槽1701可用於形成方形TTW連接。 因此，方形溝槽1701、三角形溝槽或者其它形狀的溝槽在功能上等效 於環形溝槽。將理解，上述及其它特徵、方面和功能的變型，或者其備選可以 期望地組成許多其它不同系統或用途。此外，本領域技術人員隨後還 可以進行各種目前未被預見或者未被預期的備選、調整、變型或改進， 這些也涵蓋在下述權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種方法，包括在重摻雜的矽基板的第一表面上沉積抗蝕劑層並使用光刻工藝在所述抗蝕劑內製作環形圖案；如所述環形圖案所定義的在所述矽基板內蝕刻形成環形溝槽；使用電學絕緣材料填充所述環形溝槽並拋光所述第一表面；以及拋光或研磨所述矽基板的各面以露出填充的環形溝槽，由此製作貫穿所述基板的低電阻連接。
2. 如權利要求1所述的方法，還包括在使用電學絕緣材料填充所 述溝槽之前氧化溝槽壁。
3. 如權利要求l所述的方法，其中所述蝕刻為反應離子蝕刻。
4. 如權利要求l所述的方法，還包括在光刻製作所述環形圖案之前在所述矽基板的第一表面上形成氧 化物層，其中所述環形溝槽在被蝕刻到所述矽基板內之前被蝕刻穿過 所述氧化物層。
5. 如權利要求l所述的方法，其中所述矽基板的第一表面為所述 矽基板的前面，所述前面也是被拋光的面。
6. —種方法，包括在重摻雜的矽基板的第一表面上沉積抗蝕劑層並使用光刻工藝在 所述抗蝕劑內製作環形圖案；如所述環形圖案所定義的在所述矽基板內蝕刻形成環形溝槽； 在所述溝槽壁上形成電學絕緣層； 使用填充材料填充所述環形溝槽；以及拋光或研磨所述矽基板的各面以露出填充的環形溝槽，由此製作 貫穿所述基板的低電阻連接。
7. 如權利要求8所述的方法，還包括在光刻製作所述環形圖案之前在所述矽基板的第一表面上形成氧 化物層，其中所述環形溝槽在被蝕刻到所述矽基板內之前被蝕刻穿過 所述氧化物層。
8. —種系統，包括矽基板，所述矽基板重摻雜使得其是導電的；貫穿所述矽基板的環形溝槽，其中所述環形溝槽從所述矽基板的一個表面到達所述矽基板的另一側；以及電學絕緣材料，布置於所述溝槽內以將環的內部與環的外部絕緣， 由此製作貫穿所述基板的導電連接。
9. 如權利要求8所述的系統，其中所述電學絕緣材料為氧化物。
10. 如權利要求8所述的系統，其中所述電學絕緣材料完全塗覆 至少一個溝槽壁，且還包括不同材料，所述不同材料填充未填充有所 述電學絕緣材料的所述溝槽的部分。
全文摘要
可以在重摻雜基板內製作貫穿晶片(TTW)導電連接。從晶片的一側形成環形溝槽，使得該溝槽幾乎達到該晶片的第二側。該環形溝槽可填充有電學絕緣材料。備選地，電學絕緣層可製作於溝槽側上，該溝槽隨後填充有任何材料。在填充該溝槽之後，基板的底部被研磨以露出溝槽底部，且前面被拋光以露出溝槽頂部。環形溝槽內部的基板材料的插塞為TTW電學連接。
文檔編號H01L21/768GK101292344SQ200680039062
公開日2008年10月22日 申請日期2006年8月18日 優先權日2005年8月19日
發明者R·A·達維斯, Y·-F·A·王 申請人:霍尼韋爾國際公司