[发明专利]形成具有绝缘环形环的导电TSV的方法和半导体器件

说明书

技术领域

本发明一般地涉及半导体器件，并且更特别地涉及形成具有绝缘环形环的导电TSV的方法和半导体器件。

背景技术

常常在现代电子产品中发现半导体器件。半导体器件在电部件的数目和密度方面变化。分立的半导体器件一般包含一种类型的电部件，例如发光二极管（LED）、小信号晶体管、电阻器、电容器、电感器、功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。集成半导体器件典型地包含几百个到数以百万的电部件。集成半导体器件的示例包括微控制器、微处理器、电荷耦合器件（CCD）、太阳能电池以及数字微镜器件（DMD）。

半导体器件执行各种的功能，诸如信号处理、高速计算、发射和接收电磁信号、控制电子器件、将太阳光转变为电力以及产生用于电视显示的视觉投影。在娱乐、通信、功率转换、网络、计算机以及消费产品的领域中发现半导体器件。还在军事应用、航空、汽车、工业控制器和办公设备中发现半导体器件。

半导体器件利用半导体材料的电属性。半导体材料的原子结构允许通过施加电场或基电流（base current）或通过掺杂工艺而操纵其导电性。掺杂向半导体材料引入杂质以操纵和控制半导体器件的导电性。

半导体器件包含有源和无源电结构。包括双极和场效应晶体管的有源结构控制电流的流动。通过改变掺杂水平和施加电场或基电流，晶体管要么促进要么限制电流的流动。包括电阻器、电容器和电感器的无源结构创建为执行各种电功能所必须的电压和电流之间的关系。无源和有源结构电连接以形成电路，这使得半导体器件能够执行高速计算和其他有用功能。

半导体器件一般使用两个复杂的制造工艺来制造，即，前端制造和和后端制造，每一个可能涉及成百个步骤。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。每个管芯典型地是相同的且包含通过电连接有源和无源部件而形成的电路。后端制造涉及从完成的晶片分割（singulate）各个管芯且封装管芯以提供结构支撑和环境隔离。

半导体制造的一个目的是生产较小的半导体器件。较小的器件典型地消耗较少的功率、具有较高的性能且可以更高效地生产。另外，较小的半导体器件具有较小的占位面积，这对于较小的终端产品而言是希望的。较小的管芯尺寸可以通过前端工艺中的改进来获得，该前端工艺中的改进导致管芯具有较小、较高密度的有源和无源部件。后端工艺可以通过电互连和封装材料中的改进而导致具有较小占位面积的半导体器件封装。

图1示出具有在晶片上形成的被划片街区（saw street）14分离的多个半导体管芯12的常规半导体晶片10。在有源表面18上形成绝缘或电介质层16。在绝缘层16上形成导电层20。导电层20作为接触焊盘用于到外部电路的电连接。在绝缘层16和导电层20上形成绝缘或钝化层22。

图2举例说明常规半导体管芯12的一部分。通过绝缘层16和管芯12的基础半导体材料形成多个通孔。首先在通孔的侧壁上形成绝缘材料作为绝缘环24。在形成绝缘环24之后，然后在绝缘环24上用导电材料填充剩余通孔区域以形成z方向垂直导电穿硅通孔（TSV）26。

图3a-3d举例说明具有绝缘环的另一常规导电TSV。在图3a中，通过绝缘层16和管芯12的基础半导体材料形成多个通孔28。如图3b所示，首先向通孔28中沉积绝缘材料以形成绝缘环30。在图3c中，切割通孔32以去除在绝缘环30和绝缘层16内或内部的基础半导体材料下至导电层20。在形成绝缘环30之后，然后用导电材料填充剩余通孔区域32以形成z方向垂直导电TSV 34，如图3d所示。将导电TSV 34电连接到导电层20。

在每种情况下，在导电TSV之前沉积绝缘环。因此，绝缘材料在沉积期间积聚在暴露的导电层20上。在用导电材料来填充通孔之前必须从导电层20的TSV接触区域去除或清除绝缘材料以保证良好的电接触。从导电层20的TSV接触区域去除绝缘残余物的工艺是耗费时间的，并且添加制造成本。不能适当地从导电层20的TSV接触区域去除绝缘层24在半导体管芯12中引起高接触电阻和缺陷。

发明内容