专利名称：基于单晶的贯穿晶片连接的制作方法
技术领域：
实施例涉及半导体工艺领域。实施例还涉及形成完全贯穿半导体 晶片的电学连接。实施例还涉及重掺杂基板与深电学绝缘沟槽结合使 用以实现从硅晶片的前面到其背面的导电路径。
背景技术：
大多数半导体装置是通过图案化硅(Si)基板的前面来形成的。
通常，基板是称为晶片的平薄材料盘。图案化形成布线或金属互连以 及微小电子装置，例如晶体管。晶片的背面被严重忽略。然而，某些 应用确实要使用晶片背面。背面的一个用处为将电学接触置于其上。
可以通过形成贯穿晶片(through-the-wafer, TTW)连接来制作 背面电学接触。TTW连接是从装置所在的晶片前面到达背面的电学传导 路径。 一个通常要求为连接尺寸要大，直径约略为20微米(um)或 更大。目前是通过蚀刻深孔，使用重掺杂多晶硅(polySi)或金属导 体来填充，且随后减薄背面，由此来形成TTW连接。下述示例描述了 制作TTW连接的方法。
标记为"现有技术，，的图l示出了棵硅晶片101的侧视图。为了 方便，下述示例以棵硅晶片开始。实际上，许多装置可能已经位于该 硅晶片上。
标记为"现有技术"的图2示出了氧化之后的硅晶片101。氧化 在前面201上形成氧化物层并在背面202上形成氧化物层。氧化是氧 气与材料反应的工艺。例如，铁氧化变为铁锈。类似地，硅氧化变为 二氧化硅，也称为玻璃或氧化物。暴露于正常空气的硅晶片的表面会 随时间而自然氧化。然而，半导体工艺工程师知晓控制硅快速氧化及 氧化物层厚度的许多方法。
标记为"现有技术，，的图3示出了抗蚀剂层301沉积在氧化的前 面201上的图2的硅晶片101。抗蚀剂有时候称为"光致抗蚀剂"，是 一种在通常用于图案化半导体晶片的称为光刻工艺中使用的光敏材 料。由于抗蚀剂与光起反应，因此较容易在抗蚀剂内形成图案。图案化抗蚀剂也称为光刻，是一种用于形成图案化的抗蚀剂的工艺，其包 括但不限于照射光穿过图案掩模到达抗蚀剂层上以及随后显影该抗蚀剂。
标记为"现有技术，，的图4示出了图案化的抗蚀剂402。 TTW连接 的未来位置401上方的抗蚀剂已经通过光刻显影工艺被移除。
标记为"现有技术"的图5示出了在硅晶片101内蚀刻形成的深 孔501。蚀刻是半导体工艺中用于移除材料的一种公知工艺。在该示例 中，没有受到抗蚀剂或氧化物保护的材料被移除。存在许多不同蚀刻 工艺，例如湿蚀刻、反应离子蚀刻(RIE)、以及等离子体蚀刻。
标记为"现有技术"的图6示出了抗蚀剂和氧化物被剥离的图案 化的硅晶片101。绝缘氧化物601通常沉积或热生长在晶片上，以提供 晶片与TTW连接的隔离。
标记为"现有技术，，的图7示出了多晶硅701沉积之后的图案化 的晶片101。多晶硅701完全填充硅晶片101内的孔501。这里，多晶 硅重掺杂以提高其电导率。掺杂是指少量其它元素添加到材料以改变 其性能。
标记为"现有技术"的图8示出了前面抛光803和背面研磨805 之后的硅晶片101 。平坦化是用于抛光或研磨晶片以制作平坦表面的工 艺。这里，前面被抛光且背面被研磨以露出多晶硅TTW连接801。
如所述，未加工的晶片通常具有前面和背面。前面被抛光至非常 高水平的平整度。背面可以被抛光或者有时仅仅被研磨或蚀刻至粗平 整度。当晶片被加工时，装置通常仅形成于前面上。在特定点对前面 的进一步抛光在许多半导体工艺配方中是标准步骤。从硅基板背部移 除部分体硅的背面研磨也是常见加工步骤。
目前，使用与上述类似的工艺来制作TTW连接。最显著的是，所 有工艺都包含使用多晶硅或类似材料来填充孔的步骤。该填充步骤是 一个非常緩慢和昂贵的步骤。填充步骤的緩慢和费用成为TTW连接用 于许多用途的限制。
本发明通过在硅晶片内蚀刻和填充环形沟槽而非孔，由此直接解 决了现有技术的缺点
发明内容
因此，实施例的一个方面是在重掺杂的硅基板的一个面上沉积抗 蚀剂层。该基板可以是棵硅晶片、加工过的硅晶片、其它硅基板。加 工过的晶片是指其上具有诸如布线和晶体管的装置，或者图案、掺杂 及互连的晶片。硅基板重掺杂使得具有低电阻率或高电导率。在抗蚀 剂层沉积之后，通过标准光刻工艺在该抗蚀剂层内形成环形图案。实施例的另一方面是如该环形图案所定义的在该硅基板内蚀刻形 成环形沟槽。该沟槽随后可以用电学绝缘材料填充。使用图案化的抗 蚀剂在硅基板内蚀刻形成图案是半导体工艺中的标准工艺。使用各种 材料填充沟槽也是半导体工艺中的标准操作。这些材料中的一些是电 学绝缘的，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、以及未掺杂多晶硅。实施例的再一方面是抛光该硅基板的前面和研磨该硅基板的背面。该抛光和研磨步骤在该基板两侧上露出TTW连接。特定实施例的又一方面是在填充该沟槽之前在该沟槽上形成电学 隔离层。该电学隔离层可以是例如氧化物的材料。电学绝缘材料可以 沉积在沟槽壁上。氧化物也可以通过氧化而生长在沟槽壁上。
所有各个附图中相同的参考标记表示相同或者功能上类似的元 件，且附图被包含并形成说明书的一部分；附图进一步说明本发明， 且与背景技术、发明内容及具体实施方式
一起用于解释本发明的原理。 图l标记为"现有技术"，示出了棵硅晶片的侧视图； 图2标记为"现有技术"，示出了氧化之后的硅晶片； 图3标记为"现有技术"，示出了抗蚀剂层沉积在其抛光面上的图 1的娃晶片；图4标记为"现有技术"，示出了图案化的抗蚀剂； 图5标记为"现有技术"，示出了在硅晶片内蚀刻形成的深孔； 图6标记为"现有技术，，，示出了抗蚀剂和氧化物被剥离，且绝缘 氧化物层沉积或生长在表面上的图案化的硅晶片；图7标记为"现有技术"，示出了多晶硅沉积之后的图案化的晶片； 图8标记为"现有技术"，示出了前面和背面平坦化之后的硅晶片； 图9说明依据实施例的硅基板、抗蚀剂层和环形图案； 图IO说明依据实施例的从上方观察的硅基板、抗蚀剂层和环形图案；
图ll说明依据实施例的基板、抗蚀剂层、环形图案和环形沟槽； 图12说明依据实施例的基板、环形沟槽、沉积在基板上方及沟槽 内的绝缘材料；
图13说明依据实施例的基板、环形绝缘体材料以及TTW连接； 图14说明依据实施例的氧化之后的硅基板和环形沟槽； 图15说明依据实施例的氧化之后和沉积另一材料之后的硅基板 和环形沟槽；
图16说明依据实施例的硅基板、填充的环形体积和两个环形绝缘 体积；以及
图17说明依据实施例的从上方观察的硅基板、抗蚀剂层和矩形图案。
具体实施例方式
图9说明依据实施例的具有图案化的抗蚀剂层902的硅基板101。 图案化的抗蚀剂层902为具有环形图案901的抗蚀剂层。该抗蚀剂层 可以依据标准光刻工艺来沉积、曝光于环形光图案并显影。结果为图 案化的抗蚀剂层902内的环形图案901,如所示。如先前所讨论，棵硅 基板101也称为未加工基板101，示于图中以简化示例。备选实施例中 可以使用加工的基板。此外，基板101在第一加工步骤成为加工的基 板，该第一加工步骤通常是沉积抗蚀剂层。
图IO说明依据实施例的将覆盖硅基板(未示出)的图案化的抗蚀 剂层902内的环形图案901的俯视图。图9和图10的差异在于，图9 是从侧视图来说明而图IO是从俯视图来说明。此外，所有附图均未按 比例绘制。
图11说明依据实施例的基板101、图案化的抗蚀剂层902、环形 图案901以及环形沟槽1101。通过使图9和10所示的具有图案化的抗 蚀剂层902的基板101经历例如反应离子蚀刻的蚀刻工艺，可以制作 该环形沟槽1101。这更通常被熟知该工艺的技术人员称为深反应离子 蚀刻(DRIE)。环形沟槽1101未按比例绘制，因为在实践中，环形沟 槽1101可以是几微米宽且可以足够深以贯穿或者几乎贯穿基板101的
底面o图12说明依据实施例的基板101、环形沟槽1101以及沉积或热 生长在基板101上和环形沟槽1101内的绝缘材料1201。通过剥离抗蚀 剂层301并沉积绝缘材料1201，由此从图11所示的结构来制作图12 所示的结构。绝缘材料1201可以填充环形沟槽1101且也可以覆盖基 板101。
图13说明依据实施例的基板101、环形绝缘环1302和TTW连接 1301。可以通过研磨基板101背面并抛光基板101前面和背面，由此 从图12所示的结构来制作图13所示的结构。在图中为底面的基板101 背面被研磨以露出TTW连接1301。示为顶部的基板101前面可以被抛 光以移除覆盖TTW连接1301顶侧的绝缘材料涂层。TTW连接1301是导 电的，因为其材料与基板101相同。基板IOI由于重掺杂而是导电的。
图14说明依据实施例氧化之后的硅基板101和环形沟槽1101。 通过剥离抗蚀剂层301并氧化其余基板，由此从图11的结构制作图14 的结构。如上文所讨论，氧化硅基板是半导体工艺中标准且公知的操 作。结果为基板101和沟槽1101具有几微米厚的氧化物层"01。氧化 物不导电。
图15说明依据实施例氧化之后和沉积另一材料1501之后的基板 101和环形沟槽1101。通过沉积材料层1501，由此从图14的结构制作 图15的结构。半导体工艺领域的技术人员知晓各种材料沉积方法，例
如气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强气相沉积等。材料isoi填
充沟槽1101并涂覆基板101。该材料最典型地为多晶硅，但其它材料 也可以使用。
图16说明依据实施例的基板101、填充的环形体积1603和两个 环形绝缘体积。通过抛光基板101前面并研磨和抛光基板101背面， 由此从图15的结构制作图16的结构。基板101背面被磨削或研磨以 移除氧化物层1401并露出TTW连接1604。如果需要平滑表面，基板 101背面也可以被抛光。基板前面被抛光以移除材料1501的涂层以及 氧化物层1401，且由此露出TTW连接1604。
图17说明依据实施例的从上方观察的硅基板、抗蚀剂层902和矩 形图案1701。已经移除了抗蚀剂1701的矩形图案说明TTW连接不一定 为圆形或椭圆形。可以使用任何其它形状，例如矩形、三角形或类似 的多边形。概言之，图13和16所示的最终结构为从基板一侧到另一侧的导 电材料插塞(plug)。插塞被电学绝缘材料包围，该电学绝缘材料将该 插塞与基板绝缘。在图16的结构中，插塞也可以被其它材料例如多晶 硅包围。实施例要求制作环形沟槽，该环形沟槽随后用材料来填充以制作 环形圏或环形体积。环的重要特性为其形成可以围绕所形成的TTW连 接的体积。环的圆形性质不是重要特性。图17说明方形沟槽1701，但 是其它方面完全类似于图10。方形沟槽1701可用于形成方形TTW连接。 因此，方形沟槽1701、三角形沟槽或者其它形状的沟槽在功能上等效 于环形沟槽。将理解，上述及其它特征、方面和功能的变型，或者其备选可以 期望地组成许多其它不同系统或用途。此外，本领域技术人员随后还 可以进行各种目前未被预见或者未被预期的备选、调整、变型或改进， 这些也涵盖在下述权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种方法，包括在重掺杂的硅基板的第一表面上沉积抗蚀剂层并使用光刻工艺在所述抗蚀剂内制作环形图案；如所述环形图案所定义的在所述硅基板内蚀刻形成环形沟槽；使用电学绝缘材料填充所述环形沟槽并抛光所述第一表面；以及抛光或研磨所述硅基板的各面以露出填充的环形沟槽，由此制作贯穿所述基板的低电阻连接。
2. 如权利要求1所述的方法，还包括在使用电学绝缘材料填充所 述沟槽之前氧化沟槽壁。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述蚀刻为反应离子蚀刻。
4. 如权利要求l所述的方法，还包括在光刻制作所述环形图案之前在所述硅基板的第一表面上形成氧 化物层，其中所述环形沟槽在被蚀刻到所述硅基板内之前被蚀刻穿过 所述氧化物层。
5. 如权利要求l所述的方法，其中所述硅基板的第一表面为所述 硅基板的前面，所述前面也是被抛光的面。
6. —种方法，包括在重掺杂的硅基板的第一表面上沉积抗蚀剂层并使用光刻工艺在 所述抗蚀剂内制作环形图案；如所述环形图案所定义的在所述硅基板内蚀刻形成环形沟槽； 在所述沟槽壁上形成电学绝缘层； 使用填充材料填充所述环形沟槽；以及抛光或研磨所述硅基板的各面以露出填充的环形沟槽，由此制作 贯穿所述基板的低电阻连接。
7. 如权利要求8所述的方法，还包括在光刻制作所述环形图案之前在所述硅基板的第一表面上形成氧 化物层，其中所述环形沟槽在被蚀刻到所述硅基板内之前被蚀刻穿过 所述氧化物层。
8. —种系统，包括硅基板，所述硅基板重掺杂使得其是导电的；贯穿所述硅基板的环形沟槽，其中所述环形沟槽从所述硅基板的一个表面到达所述硅基板的另一侧；以及电学绝缘材料，布置于所述沟槽内以将环的内部与环的外部绝缘， 由此制作贯穿所述基板的导电连接。
9. 如权利要求8所述的系统，其中所述电学绝缘材料为氧化物。
10. 如权利要求8所述的系统，其中所述电学绝缘材料完全涂覆 至少一个沟槽壁，且还包括不同材料，所述不同材料填充未填充有所 述电学绝缘材料的所述沟槽的部分。
全文摘要
可以在重掺杂基板内制作贯穿晶片(TTW)导电连接。从晶片的一侧形成环形沟槽，使得该沟槽几乎达到该晶片的第二侧。该环形沟槽可填充有电学绝缘材料。备选地，电学绝缘层可制作于沟槽侧上，该沟槽随后填充有任何材料。在填充该沟槽之后，基板的底部被研磨以露出沟槽底部，且前面被抛光以露出沟槽顶部。环形沟槽内部的基板材料的插塞为TTW电学连接。
文档编号H01L21/768GK101292344SQ200680039062
公开日2008年10月22日 申请日期2006年8月18日 优先权日2005年8月19日
发明者R·A·达维斯, Y·-F·A·王 申请人:霍尼韦尔国际公司