CN103811407B - 硅片的背面图形化的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅片的背面图形化的工艺方法，包括步骤：沉积保护层一；形成深沟槽并由深沟槽定义出对准标记；对深沟槽进行填充；沉积保护层二，使填充物和后续要形成的正面图形隔离；完成所有正面图形化工艺；沉积保护层三；将硅片反转并用硅片的正面和一载片进行键合；对硅片的背面进行研磨，研磨后对准标记从硅片的背面露出；用对准标记进行对准，在硅片的背面进行背面图形化工艺；进行解键合工艺将硅片和载片解离。本发明方法中的对准标记从正面穿透到背面，能在进行背面图形化工艺时，不需要增加额外的光刻设备和工艺来实现背面图形和正面图形的对准，能够大幅度的降低生产成本，同时还兼容薄片工艺。

Description

硅片的背面图形化的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺方法，特别是涉及一种硅片的背面图形化的工艺方法。

背景技术

对于某些功率元件，如RC-IGBT（Reverse-ConductorIGBT，反向互联IGBT），需要在硅片正面和背面同时形成器件结构，因此需要在硅片的两面都形成图形，且需要实现正面和背面图形的对准。

现有工艺方法，用于背面图形的对准的对准标记形成于硅片的正面，在硅片的正面工艺完成后，将硅片反转过来，并进行硅片的背面工艺，在进行背面工艺时是利用形成于硅片正面的对准标记来实现正面和背面图形的对准。由于形成的背面图形和对准标记不在同一个平面内，不能再采用形成正面图形时的光刻设备和工艺，而需要使用特殊的光刻设备和工艺，即背面对准工艺。进行背面对准工艺时，由于此时正面即对准标记朝下，而背面朝上，因此需要使用特殊的对准方法。按所使用的对准光源分，现有常用的方法有两种，一种为红外，一种为可见光。按照其对准的方式分，现有常用的方法也可分为两种，即反射和透射两种，现有工艺中的所有的的对准方式均为以上两种的组合。

当使用红外光进行对准时，由于其物理特性决定，红外的反射和透射都对材料有严格要求，如硅片厚度，掺杂杂质种类及其浓度，是否存在金属材料等，都会对信号产生严重影响。因此对于确定的对准方式，必须使用固定的工艺步骤，在哪步做背面光刻对工艺集成有非常严格的要求，同时对掺杂的杂质种类和浓度都有很高要求，严重限制了器件特性。所以，现有使用红外光进行对准的工艺，后续背面图形工艺，都必须要按照对准工艺的要求进行设计，这就大大限制的背面图形工艺的工艺设备、工艺条件的选择，在正面工艺的设备和工艺条件之外，还需要为背面工艺增加许多额外的工艺设备和工艺条件，这大大增加了生产成本。而对于不同的器件生产，由于对准工艺进行了变化，就必须配置不同种类的设备来就进行背面工艺的生产，因此其成本非常高昂。

当使用可见光时，因为可见光无法穿透硅片，只能采用反射式，而做背面光刻时，背面位于上方、对准标记所在的正面在下方，因此需要在硅片承载平台上打孔，把光从承载平台背面引入到硅片的正面，而硅片承载平台同时又要吸附硅片，因此其打孔的位置和大小均有限定，因此对于电路版图设计有很严格的要求。同时为了保护正面已经形成的图形，需要贴膜保护，由于使用的可见光，因此要求贴膜必须透明且光学性质均匀稳定，因此对贴膜又提出了很高的要求。

因此无论使用哪种方法，其设备都是特制的，其成本很高，而且背面工艺也要与对准标记匹配，导致该类型的器件生产成本长期居高不下。同时对于其他背面工艺，如背面注入，金属化等，也都需要使用特殊设备，因此最好可以避免使用背面工艺。

同时对于某些特定器件，其硅片的厚度与其击穿电压密切相关，对于硅材料而言，其击穿电压约为10V/μm，因此对于常用的民用消费级电子产品而言，其工作电压为110V-380V的交流电，因此其典型击穿电压为600V左右，如果采用硅基集成器件，其硅片厚度通常<100μm，典型的为50μm～60μm，无法采用正常的硅片加工工艺进行。必须使用载片，按载片的类型分，大致为有机薄膜，玻璃，硅片，金属等。而载片又大大制约了后续加工工艺，如有机薄膜和玻璃无法静电吸附，必须整条生产线都换用特殊的吸附设备；金属和硅片不透光，无法做背面工艺等等。因此目前没有有效的适合大规模生产的薄片双面图形工艺的方法，其中薄片为厚度<150μm的硅片。

Taiko研磨工艺方式为薄硅片的研磨方式之一，其特点是仅研磨硅片中心部分，而在硅片边缘留3mm～5mm的区域不做研磨，从而在硅片边缘形成一个比器件硅片厚度要厚得多的支撑环，从而薄硅片可以在后续的传送，制造和搬运中不发生形变和破裂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硅片的背面图形化的工艺方法,进行背面图形化工艺时，不需要增加额外的光刻设备和工艺来实现背面图形和正面图形的对准，即本发明方法的所有的背面图形形成过程中所使用到的设备，均可以和正面工艺兼容，不需要单独限定背面工艺使用，从而能够大幅度的降低生产成本，同时还兼容薄片工艺，

为解决上述技术问题，本发明提供的硅片的背面图形化的工艺方法包括如下步骤：

步骤一、提供一硅片，在所述硅片的正面沉积保护层一。

步骤二、采用光刻刻蚀工艺在所述硅片正面形成深沟槽，所述深沟槽穿过所述保护层一进入到所述硅片的本体中，所述深沟槽在所述硅片的本体中的深度大于器件所需的硅片厚度，所述器件所需的硅片厚度为后续要形成的器件正面部分加上器件背面部分的厚度；所述深沟槽定义出背面图形的对准标记。

步骤三、从所述硅片的正面对所述深沟槽进行填充，并对所述深沟槽的填充物进行回刻，该回刻工艺将所述深沟槽外部的所述填充物去除并使所述深沟槽内的所述填充物的顶部低于所述硅片表面。

步骤四、在所述硅片的正面沉积保护层二，该保护层二将所述深沟槽完全填充，所述保护层二将填充于所述深沟槽中的所述填充物和后续要形成的正面图形隔离。

步骤五、形成所述保护层二后，在所述硅片的正面完成所有正面图形化工艺，所述正面图形化工艺包括器件正面部分的形成工艺以及器件正面互联工艺。

步骤六、在完成所有所述正面图形化工艺的所述硅片的正面沉积保护层三，该保护层三用于对所述正面图形进行保护。

步骤七、在形成所述保护层三后，将所述硅片反转，用所述硅片的正面和一载片进行键合，键合后，使所述硅片的背面向上。

步骤八、对所述硅片的背面进行研磨，研磨后所述硅片的本体的厚度为所述器件所需的硅片厚度，所述对准标记从研磨后的所述硅片的背面露出。

步骤九、用所述对准标记进行对准，在所述硅片的背面进行背面图形化工艺，所述背面图形化工艺包括所述器件背面部分的形成工艺，所述器件背面部分和所述器件正面部分通过所述对准标记进行对准并组成完整的器件。

步骤十、进行解键合工艺将形成有完整的器件的所述硅片和所述载片解离。

进一步的改进是，步骤七中所述载片的材质为玻璃，陶瓷，蓝宝石。

进一步的改进是，步骤八中的所述研磨工艺采用Taiko研磨工艺，采用Taiko研磨工艺后，在所述硅片的边缘部分形成一厚度大于所述硅片中间区域的支撑环，所述硅片中间区域的本体的厚度为所述器件所需的硅片厚度。

进一步的改进是，在步骤十的所述解键合工艺之后还包括所述支撑环的去除步骤。

进一步的改进是，步骤一中所述保护层一的厚度为所述保护层一的材料为SiO₂，SiN，SiON，SiO₂和SiN组成的多层膜，SiO₂和SiN和SiON组成的多层膜，或其它Si，O，C，N的化合物。

进一步的改进是，所述保护层一的厚度为1μm～10μm。

进一步的改进是，步骤二中所述深沟槽的深度为50μm～200μm。

进一步的改进是，步骤二中所述深沟槽的图形密度小于2%，图形密度是指深沟槽区域面积和硅片总面积之比。

进一步的改进是，步骤二中所述深沟槽的X方向的图形密度和Y方向的图形密度满足关系式：（Ax-Ay）/(Ax+Ay)<10%，其中X方向表示和所述硅片的中心到对准槽口的连线方向垂直的方向，Y方向表示和所述硅片的中心到对准槽口的连线方向平行的方向，Ax表示X方向的图形密度，Ay表示Y方向的图形密度。

进一步的改进是，步骤三中的所述深沟槽中的所述填充物为包括Si，O，C，N元素的无机非金属化合物；或者，所述深沟槽中的所述填充物为金属材料。

进一步的改进是，所述无机非金属化合物为SiN、SiON或SiO₂，所述金属材料为Al、Cu或W。

进一步的改进是，步骤四中所述保护层二的厚度大于500埃。

进一步的改进是，所述保护层二的厚度为0.3μm～1μm。

进一步的改进是，步骤十的所述解键合工艺的方法包括激光照射，化学溶解，热分解。

进一步的改进是，步骤九中所述背面图形化工艺的工艺条件和其它产品的所述正面图形化工艺的工艺条件相同的部份能够实现兼容，使所述背面图形化工艺和对应使用相同的工艺条件的其它产品的所述正面图形化工艺同时采用相同的设备和工艺条件进行生产。

本发明通过硅片正面形成一穿透硅片本体的深沟槽并用深沟槽定义出硅片背面图形的对准标记，在硅片背面研磨之后，对准标记就能直接暴露于硅片背面表面，从而使得在进行背面图形化工艺时，对准标记和所要形成的背面图形都位于同一表面上，相对于现有技术中对准标记和背面图形分别位于正面和背面的情形，本发明不需要为了实现不同面的标记和背面图形的对准而增加额外的光刻设备以及其它额外的工艺条件，如不需要使用同时测量正面与反面图形进行对准的光刻工艺及相关设备，而采用和现有正面图形化工艺相同的光刻设备以及不需要增加额外的工艺条件就能实现正面图形和背面图形的对准以及形成背面图形，这样本发明就能大大幅度的降低生产成本，同时还能兼容薄片工艺；同时本发明方法形成的光刻对准标记也能作为其它设备进行硅片位置校准的标记，临时键合后的硅片可以和正常硅片即较厚硅片进行正面工艺一样，在所有光刻、刻蚀、成膜、清洗、测量等设备中进行作业，而无需和现有工艺一样需要使用特殊设备。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例一方法的流程图；

图2A-图2N是本发明实施例一方法的各步骤中器件结构图；

图3A-图3B是本发明实施例二方法的各步骤中器件结构图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例一方法的流程图；如图2A至图2N所示，是本发明实施例一方法的各步骤中器件结构图。本发明实施例一方法中以额定击穿电压为1200V左右的RC-IGBT为例，器件所需的硅片2厚度为80μm～100μm，所述硅片2的正面需要形成IGBT器件，所述硅片2的背面在IGBT器件图形下方需要形成P/N分布。本发明实施例一硅片的背面图形化的工艺方法包括如下步骤：

步骤一、如图2A所示，提供一硅片2，所述硅片2的初始厚度为725μm。在所述硅片2的正面沉积保护层一12。

所述保护层一12的厚度为本发明实例一中为0.8μm～7μm。所述保护层一12的材料为SiO₂，SiN，SiON，SiO₂和SiN组成的多层膜，SiO₂和SiN和SiON组成的多层膜，或其它Si，O，C，N的化合物；本发明实施例一中选用SiO₂。

步骤二、如图2A所示，采用光刻刻蚀工艺在所述硅片2正面形成深沟槽33，所述深沟槽33穿过所述保护层一12进入到所述硅片2的本体中，所述深沟槽33在所述硅片2的本体中的深度大于器件所需的硅片2厚度，所述器件所需的硅片2厚度为后续要形成的器件正面部分加上器件背面部分的厚度。所述深沟槽33定义出背面图形的对准标记。

所述器件所需的硅片2厚度与需要形成的器件的击穿电压密切相关，和击穿电压的关系约为10V/μm；本发明实施例一中所述器件所需的硅片2厚度为80μm～100μm，所述深沟槽33的深度设置为100μm～150μm。

所述深沟槽33的宽度为1μm～3μm，所述深沟槽33的图形密度小于2%，图形密度是指深沟槽区域面积和硅片总面积之比。所述深沟槽33的X方向的图形密度和Y方向的图形密度满足关系式：（Ax-Ay）/(Ax+Ay)<10%，较佳为：Ax约等于Ay约等于0.1%，Ax和Ay的值越接近，所述硅片越不容易产生翘曲。其中X方向表示和所述硅片的中心到对准槽口的连线方向垂直的方向，Y方向表示和所述硅片的中心到对准槽口的连线方向平行的方向，Ax表示X方向的图形密度，Ay表示Y方向的图形密度。

步骤三、如图2B所示，从所述硅片2的正面对所述深沟槽33进行第一次填充，填充物13为金属钨（W）；第一次填充后会在所述深沟槽33中形成空隙。

如图2C所示，并对所述深沟槽33的填充物13即W进行回刻，该回刻工艺将所述深沟槽33外部的所述填充物13去除并使所述深沟槽33内的所述填充物13的顶部低于所述硅片2表面即正面的表面，即剩余的所述填充物13为填充物13b。

如图2D所示，对所述深沟槽33进行第二次的金属钨填充和第二次回刻，最后形成填充所述深沟槽33中的填充物13b，该填充物13b还是具有空隙。

如图2E所示，对所述深沟槽33进行第三次的金属钨填充和第三次回刻，最后形成填充所述深沟槽33中的填充物13c，该填充物13c中没有空隙。最后所述深沟槽33外部的所述填充物都被去除，填充于所述深沟槽33中的所述填充物13c的厚度为所述深沟槽33的宽度的0.55～1.1倍，且所述填充物13c的顶部表面比所述硅片2表面要低500埃以上，较佳为所述填充物13c的顶部比所述硅片2表面要低0.3μm～1μm。

在其它实施例中，所述填充物13c中也能含有空隙，这样减少填充和回刻的次数。当所述填充物13c中含有空隙时，所述空隙距离所述深沟槽33的底部表面和顶部表面的距离都要求小于0.3μm。

在其它实施例中，所述填充物也能为铝（Al）、铜（Cu）等其它金属。

在其它实施例中，所述填充物也能为包括Si，O，C，N元素的无机非金属化合物，如SiN、SiON或SiO₂。

步骤四、如图2F所示，在所述硅片2的正面沉积保护层二12a，该保护层二12a将所述深沟槽33完全填充，所述保护层二12a的厚度大于500埃，较佳为0.3μm～1μm。填充后，所述保护层二12a位于所述填充物13c的顶部，所述保护层二12a将填充于所述深沟槽33中的所述填充物13c和后续要形成的正面图形1隔离。

本发明实施例一中所述保护层二12a的材料为SiO₂，在其它实施例中所述保护层二12a的材料也能为其它介质层如SiN。在所述深沟槽33的外部，所述保护层二12a位于所述保护层一12的顶部表面上。

如图2G所示，将位于所述深沟槽33外部的所述保护层一12和所述保护层二12a都去除，露出所述硅片2的表面即正面的表面。

步骤五、如图2H所示，在所述硅片2的正面完成所有正面图形化工艺并形成所述正面图形1。所述正面图形化工艺包括器件正面部分的形成工艺以及器件正面互联工艺。

步骤六、如图2H所示，在完成所有所述正面图形化工艺的所述硅片2的正面沉积保护层三12b，该保护层三12b用于对所述正面图形1进行保护。

步骤七、如图2I所示，将所述硅片2反转，用所述硅片2的正面和一载片5进行键合，键合后，使所述硅片2的背面向上。所述载片5的材质为玻璃，陶瓷，蓝宝石。本发明实施例一中以热分离键合/解键合方式为例，键合工艺中使用的胶水厚度20μm～50μm；该胶水要求解键合时的加热温度为65℃～300℃，时间3分钟～10分钟。在其它实施例中，键合工艺也能采用能用激光照射或化学溶解方式进行解键合的键合工艺。

步骤八、如图2J所示，对所述硅片2的背面进行研磨，研磨后所述硅片2的本体的厚度为所述器件所需的硅片2厚度即80μm～100μm。

所述研磨工艺采用Taiko研磨工艺，所述Taiko研磨工艺仅对所述硅片2的中间区域进行研磨，对所述硅片2的边缘部分不研磨。

在Taiko研磨工艺之前先要对所述硅片2进行预研磨，预研磨之后使所述硅片2的本体厚度为400μm～500μm。之后在进行Taiko研磨，采用Taiko研磨工艺后，在所述硅片2的边缘部分形成一厚度大于所述硅片2中间区域的支撑环，所述硅片2中间区域的本体的厚度为所述器件所需的硅片2厚度即80μm～100μm。所述支撑环的宽度为3mm～4mm。

由于由所述深沟槽33定义的所述对准标记的深度已经超过了所述器件所需的硅片2厚度，本发明实施例一中所述对准标记由所述深沟槽33和填充于所述深沟槽33中的所述填充物13c组成。故研磨后所述对准标记会从所述硅片2的背面露出。所述对准标记由于是从所述硅片2的正面穿透到背面，故能作为正面图形和背面图形的公用的对准标记，能实现正面图形1和后续形成的背面图形31和32一起对准。

步骤九、如图2K所示，用所述对准标记进行对准，在所述硅片2的背面进行背面图形化工艺，最后形成背面图形31和32。所述背面图形化工艺包括所述器件背面部分的形成工艺，所述器件背面部分和所述器件正面部分通过所述对准标记进行对准并组成完整的器件。本发明实施例中所述器件背面部分为背面P型和N型注入区域，所述器件背面部分的形成工艺包括对应的背面P型和N型注入区域的光刻图形化定义以及相应的注入工艺。

所述背面图形化工艺的工艺条件和其它产品的所述正面图形化工艺的工艺条件相同的部份能够实现兼容，使所述背面图形化工艺和对应使用相同的工艺条件的其它产品的所述正面图形化工艺同时采用相同的设备和工艺条件进行生产。如本发明实施例中的背面P型和N型注入区域的光刻图形化定义以及相应的注入工艺能和其它也需要制备所述P型和N型注入区域的产品采用相同的光刻设备以及离子注入设备、以及采用相同的工艺条件进行。

步骤十、如图2L所示，在背面图形化工艺全部完成之后，进行解键合（De-Bonding）工艺将形成有完整的器件的所述硅片2和所述载片5解离。所述解键合工艺为热分离解键合工艺，解键合时的加热温度为65℃～300℃，时间3分钟-10分钟。当采用其它键合胶水时，也能采用激光照射或化学溶解进行解键合。

如图2M所示，所述解键合工艺完成之后，沿图2M的虚线所示方向对所述支撑环去除（ringcut）。

如图2N所示，将所述保护层三12b去除。

如图3A-图3B所示，是本发明实施例二方法的各步骤中器件结构图；本发明实施例二方法和本发明实施例二方法的步骤一至步骤七都相同。

如图3A所示，本发明实施例二的步骤八和本发明实施例一的区别为：本发明实施例二的步骤八中对所述硅片2的背面进行的研磨工艺不是采用Taiko研磨工艺，而是对所述硅片2进行全面研磨，直至研磨后所述硅片2的本体的厚度为所述器件所需的硅片2厚度即80μm～100μm。如图3A所示，步骤五的研磨工艺之后并没有在所述硅片2的周围形成支撑环。

如图3B所示，本发明实施例二的步骤九和本发明实施例一的相同。

如图3B所示，本发明实施例二的步骤十和本发明实施例一的区别为：本发明实施例二的步骤十中在所述解键合工艺完成之后，没有对所述支撑环去除的步骤。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅片的背面图形化的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、提供一硅片，在所述硅片的正面沉积保护层一；

步骤二、采用光刻刻蚀工艺在所述硅片正面形成深沟槽，所述深沟槽穿过所述保护层一进入到所述硅片的本体中，所述深沟槽在所述硅片的本体中的深度大于器件所需的硅片厚度，所述器件所需的硅片厚度为后续要形成的器件正面部分加上器件背面部分的厚度；所述深沟槽定义出背面图形的对准标记；

步骤三、从所述硅片的正面对所述深沟槽进行填充，并对所述深沟槽的填充物进行回刻，该回刻工艺将所述深沟槽外部的所述填充物去除并使所述深沟槽内的所述填充物的顶部低于所述硅片表面；

步骤四、在所述硅片的正面沉积保护层二，该保护层二将所述深沟槽完全填充，所述保护层二将填充于所述深沟槽中的所述填充物和后续要形成的正面图形隔离；

步骤五、形成所述保护层二后，在所述硅片的正面完成所有正面图形化工艺，所述正面图形化工艺包括器件正面部分的形成工艺以及器件正面互联工艺；

步骤六、在完成所有所述正面图形化工艺的所述硅片的正面沉积保护层三，该保护层三用于对所述正面图形进行保护；

步骤七、在形成所述保护层三后，将所述硅片反转，用所述硅片的正面和一载片进行键合，键合后，使所述硅片的背面向上；

步骤八、对所述硅片的背面进行研磨，研磨后所述硅片的本体的厚度为所述器件所需的硅片厚度，所述对准标记从研磨后的所述硅片的背面露出；

步骤九、用所述对准标记进行对准，在所述硅片的背面进行背面图形化工艺，所述背面图形化工艺包括所述器件背面部分的形成工艺，所述器件背面部分和所述器件正面部分通过所述对准标记进行对准并组成完整的器件；

步骤十、进行解键合工艺将形成有完整的器件的所述硅片和所述载片解离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤八中的所述研磨工艺采用Taiko研磨工艺，采用Taiko研磨工艺后，在所述硅片的边缘部分形成一支撑环，所述支撑环沿所述硅片厚度方向的厚度大于所述硅片中间区域的厚度，所述硅片中间区域的本体的厚度为所述器件所需的硅片厚度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中所述保护层一的厚度为所述保护层一的材料为SiO₂，SiN，SiON，或其它Si，O，C，N的化合物。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中所述深沟槽的深度为50μm～200μm；所述深沟槽的图形密度小于2％。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中所述深沟槽的X方向的图形密度和Y方向的图形密度满足关系式：(Ax-Ay)/(Ax+Ay)<10％，其中X方向表示和所述硅片的中心到对准槽口的连线方向垂直的方向，Y方向表示和所述硅片的中心到对准槽口的连线方向平行的方向，Ax表示X方向的图形密度，Ay表示Y方向的图形密度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中的所述深沟槽中的所述填充物为包括Si，O，C，N元素的无机非金属化合物；或者，所述深沟槽中的所述填充物为金属材料。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述无机非金属化合物为SiN、SiON或SiO₂，所述金属材料为Al、Cu或W。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中所述保护层二的厚度大于500埃。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤十的所述解键合工艺的方法包括激光照射，化学溶解，热分解。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤九中所述背面图形化工艺的工艺条件和其它产品的所述正面图形化工艺的工艺条件相同的部份能够实现兼容，使所述背面图形化工艺和对应使用相同的工艺条件的其它产品的所述正面图形化工艺同时采用相同的设备和工艺条件进行生产。