專利名稱：激光能量穿透停止層的使用以在激光刻劃多層圖案化工件中達到最小化碎片產(chǎn)生的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖案化半導(dǎo)體工件的激光刻劃，具體而言，涉及激光能量穿透停止層的使用，以在最小化激光刻劃碎片產(chǎn)生的情況下實現(xiàn)多層圖案化工件中的溝槽刻劃。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件是在諸如硅晶片等襯底上生成的多層結(jié)構(gòu)，隨后半導(dǎo)體器件在封裝之前通過機械鋸或激光束而切割成單獨的芯片。半導(dǎo)體器件的趨勢是用低k電介質(zhì)材料層取代二氧化硅電介質(zhì)層。低k電介質(zhì)材料機械強度不高；因此，對低k電介質(zhì)材料層進行機械鋸切可導(dǎo)致一組獨特的器件失效機理。激光刻劃半導(dǎo)體器件的問題在于，激光束與多層結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生必須移除或處理的大量碎片。激光所產(chǎn)生的碎片極熱并且含有熔料。當(dāng)這些碎片落在晶片表面上時，熔料或熔渣將熔合到該表面上。起于刻劃的激光所產(chǎn)生碎片的處理方式為在刻劃之后清理晶片，或在刻劃之前將水基涂層涂布于晶片表面以防止熱渣粘到晶片表面，并且隨后在刻劃之后一起清理所述涂層以及所產(chǎn)生的碎片。然而，涂布和清理增加了刻劃工藝的成本和復(fù)雜性。因此，需要提供一種方法，以在最小化碎片產(chǎn)生的情況下快速完全地刻劃半導(dǎo)體器件。

發(fā)明內(nèi)容
一種針對由機械鋸切造成的失效機理的解決方案，需要使用激光束在進行鋸切割之前從切割道切削并移除導(dǎo)電和低k電介質(zhì)材料層。所揭示的工藝使用激光束以在包含導(dǎo)電(例如，銅)材料層和低k電介質(zhì)材料層的半導(dǎo)體工件中形成諸如溝槽或凹槽(下文中“溝槽”)等激光刻劃區(qū)，所述溝槽的底部止于位于導(dǎo)電材料層和低k電介質(zhì)材料層中各者下方的氧化硅(SiOx)(優(yōu)選為二氧化硅)激光能量穿透停止層。所述氧化硅層可通過許多常用工藝來制備，諸如，物理和化學(xué)沉積、旋涂式玻璃法(spin on glass)(例如，四乙基原硅酸鹽(TEOS))或硅的氧化(例如，熱氧化)。半導(dǎo)體工件還可含有電路。所揭示的工藝需要選擇諸如波長、脈沖寬度以及注量等激光參數(shù)，這些激光參數(shù)協(xié)作以保持氧化硅層停止層完好無損或幾乎未損壞。此結(jié)果為，溝槽底板與氧化硅停止層一致。存在刻劃半導(dǎo)體工件并隨后對其進行切割以分開半導(dǎo)體器件的兩個優(yōu)選實施例。一個實施例需要對具有側(cè)邊界的溝槽進行激光切削，所述側(cè)邊界界定了大于鋸條寬度的溝槽寬度，從而向下移除器件層直至溝槽底板，并且隨后使用機械鋸以在所得溝槽中切割半導(dǎo)體器件。另一個實施例需要在切割道的兩條側(cè)邊緣上切削出兩條刻劃線，沿深度方向切削至氧化硅停止層，并且隨后用機械鋸在刻劃線之間切割半導(dǎo)體器件。通過下文中參考附圖進行的優(yōu)選實施例的詳細描述，容易發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點。


圖I為包含由切割道分開的多個相互隔開的半導(dǎo)體器件在內(nèi)的圖案化半導(dǎo)體工件的局部平面圖。圖2為示出圖I中包含多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的橫截面圖的放大圖像，所述多層結(jié)構(gòu)由被導(dǎo)電材料層和低k電介質(zhì)材料層覆蓋的二氧化硅下層組成。 圖3A和圖3B為圖I的經(jīng)修改副本，所示為經(jīng)配置以分開圖I中的半導(dǎo)體器件的兩個優(yōu)選激光刻劃區(qū)。圖4A為在對硅晶片執(zhí)行激光刻劃之后碎片區(qū)域的電子顯微圖傾斜圖像，圖4B為大體示出經(jīng)刻劃以產(chǎn)生圖4A中所示的碎片區(qū)域的硅晶片多層結(jié)構(gòu)的簡化框圖。圖5為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的由于在硅襯底中激光刻劃出刻劃線而產(chǎn)生的碎片區(qū)域的電子顯微圖。
具體實施例方式圖I為圖案化半導(dǎo)體工件10的局部平面圖，圖案化半導(dǎo)體工件10作為包含多個相互隔開的半導(dǎo)體器件12 (圖示了四個器件12的部分)的硅晶片來實施，半導(dǎo)體器件12包含制造于硅襯底16 (圖2)上的多層結(jié)構(gòu)14 (圖2)并且由切割道18分開。替代襯底16包含玻璃、應(yīng)變硅、絕緣體上硅、鍺、砷化鎵以及磷化銦。圖I還圖示了多個對準(zhǔn)標(biāo)線20以及占用切割道18內(nèi)面積的其他犧牲性測試結(jié)構(gòu)(sacrificial test structure) 22。圖2為包含多層結(jié)構(gòu)或堆14的半導(dǎo)體器件12的橫截面圖，多層結(jié)構(gòu)或堆14由低k電介質(zhì)材料層34所包圍的銅線32層所覆蓋的二氧化硅下層30組成。二氧化硅層30包圍鎢互連線36。銅線32和鎢互連線36延伸至切割道18中。銅線32層和低k電介質(zhì)材料層34特征為弱熱機械強度性質(zhì)，因此與二氧化硅層30相比，它們構(gòu)成多層堆14的弱機械性層38，所述二氧化硅層30具有強機械性在于它幾乎在每種熱機械性質(zhì)方面都比低k材料層好大約10倍。這些熱機械性質(zhì)包含層間粘附力、對銅的粘附力、熱穩(wěn)定性、抗張強度、模量、硬度、內(nèi)聚強度以及蝕刻選擇性。多層堆14經(jīng)制造以使弱機械性層38沿深度方向定位成距硅襯底16較遠，并且使包含二氧化硅層30以及在二氧化硅層30下方形成的任何層在內(nèi)的強熱機械性層40沿深度方向定位成距硅襯底16較近。在最小化碎片產(chǎn)生的情況下對半導(dǎo)體工件10進行激光刻劃需要發(fā)射暫時隔開的激光脈沖的脈沖激光束，并且使所述激光脈沖與切割道18中的一者對準(zhǔn)，以便入射在半導(dǎo)體工件10的弱機械性上層38上。激光脈沖的特征在于波長、脈沖寬度及注量，以使得多層堆14的弱機械性上層38吸收傳播通過半導(dǎo)體工件10的激光束的能量，而強機械性下層40透射所述激光束的能量。二氧化硅層30用作弱機械性上層38的層能量穿透停止層。二氧化硅層30用作激光能量停止層的原因在于，二氧化硅層30與硅襯底16熱接觸。硅襯底16充當(dāng)二氧化硅停止層30的散熱器，因此二氧化硅停止層30在激光刻劃期間完好無損。相比之下，弱上層38堆中所包含的一個或多個二氧化硅鈍化層不同于二氧化硅層30，因為前一種二氧化硅層被其他電介質(zhì)材料(不良熱導(dǎo)體)包圍。這樣可使熱量在形成弱上層38各部分的二氧化硅層中積聚，使得弱上層38可通過激光能量移除。賦予半導(dǎo)體工件10與對準(zhǔn)切割道18的脈沖激光束之間的相對運動的激光束定位系統(tǒng)(未圖示)在最小化碎片產(chǎn)生的情況下實現(xiàn)對弱機械性上層38在深度方向上的移除，并因此形成具有沿切割道18縱向延伸的側(cè)邊界的激光刻劃區(qū)。根據(jù)參考圖3A和圖3B而描述的兩個優(yōu)選實施例中的任一者，所形成的激光刻劃區(qū)的側(cè)邊界由激光能量穿透停止層30的暴露部分來界定，其中圖3A和圖3B所示為圖I的副本，而為清晰起見將對準(zhǔn)標(biāo)線及犧牲性測試結(jié)構(gòu)移除。圖3A所示為根據(jù)第一優(yōu)選實施例的溝槽44形式的激光刻劃區(qū)，溝槽44的切削方式為，引導(dǎo)脈沖激光束沿切割道18通過一次或多次。溝槽44具有分開一段距離48的側(cè)邊界46，所述距離48界定溝槽寬度。激光束在側(cè)邊界46之間移除弱機械性上層38材料以形成溝槽44，而作為底板50的二氧化硅層30基本上未被激光束損壞?？赏ㄟ^使用定位平臺(positioning stage)或其他器件以縱向地沿切割道18賦予機械鋸與半導(dǎo)體工件10之間 的相對運動，來執(zhí)行半導(dǎo)體器件12的分離。機械鋸具有厚度小于溝槽寬度的鋸條，以使機械鋸不切穿上層30的弱機械性材料而分開位于溝槽44任一側(cè)的半導(dǎo)體器件12。圖3B所示為根據(jù)第二優(yōu)選實施例的每一條側(cè)邊界由刻劃線54形成的激光刻劃區(qū)52，刻劃線54的切削方式為，引導(dǎo)脈沖激光束沿切割道18的側(cè)邊緣56通過一次或多次。亥Ij劃線54確定一段距離58以界定激光刻劃區(qū)切削寬度。激光束移除弱機械性上層38材料以形成每一刻劃線54,而作為底板60的二氧化娃層30基本上未被激光束損壞。弱機械性上層38材料存在于刻劃線54之間的空間中?？赏ㄟ^使用定位平臺或其他器件以縱向地沿切割道18賦予機械鋸與半導(dǎo)體工件10之間的相對運動，來執(zhí)行半導(dǎo)體器件的分離。機械鋸具有厚度在激光刻劃區(qū)切削寬度58以內(nèi)但未延伸超出切割道18的任一側(cè)邊緣56的鋸條，使得當(dāng)半導(dǎo)體器件12被分開時機械鋸不切穿半導(dǎo)體器件12的上層38的弱機械性材料。機械鋸切削區(qū)超出鋸條厚度以允許x-y鋸條位置變化以及鋸條偏轉(zhuǎn)。鋸條可切削至刻劃線54內(nèi)，但不可切削至側(cè)邊緣56以夕卜。由于位于刻劃線54任一側(cè)的弱上層38材料之間不存在實體附接，因此機械鋸可在激光刻劃區(qū)58內(nèi)部的任何地方進行切削，而不會損壞側(cè)邊緣56以外的弱上層38。技術(shù)人員將了解，用機械鋸進行切削可產(chǎn)生冷顆粒形式的大量碎片，所述冷顆粒不會熔合至晶片表面。此碎片可在后續(xù)鋸切清理操作過程中容易地洗凈。此外，可在使用水流(有時混合有液體潤滑劑)的情況下執(zhí)行機械鋸切，該水流能降低熱渣形成的可能性。圖4A為根據(jù)與圖3A相關(guān)的第一優(yōu)選實施例的在執(zhí)行硅晶片72 (圖4B)的激光刻劃之后碎片區(qū)域70的電子顯微圖傾斜圖像。圖4B為大體上示出硅晶片72的多層結(jié)構(gòu)的簡化框圖。硅晶片72包含由黑鉆石I (Black Diamond I)低k電介質(zhì)層34包圍的O. 5 μ m厚的銅線32層。銅線32和電介質(zhì)層34在50nm厚的碳化硅層76上形成，碳化硅層76在
O.5μ m厚的TEOS 二氧化硅層30上形成。重復(fù)率為20KHz、功率為200mW，脈沖寬度約為20ns并且掃描速度為20mm/sec的具有30 μ m光斑直徑的圓頂帽形355 μ m激光束的兩次通過僅移除弱機械性層38，即銅線32和低k電介質(zhì)層34及76。包含二氧化硅層30的強機械性下層40保持未切削狀態(tài)，以便用機械鋸來完成單片化工藝。圖4A示出上述工藝大大消除了激光刻劃工藝所產(chǎn)生的碎片和渣。圖4A還示出溝槽44的底板50極其平坦。由于二氧化硅層30在制造半導(dǎo)體器件12期間沉積，因此溝槽底板50的平坦度與二氧化硅層30的平坦度相關(guān)。由于所揭示工藝可移除材料的弱上層38直至底部二氧化硅層30，因此在激光刻劃工藝開始時，溝槽底板50與二氧化硅層30 —樣平坦。圖5為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的由于在硅襯底84中激光刻劃出刻劃線82而產(chǎn)生的碎片區(qū)域80的電子顯微圖。由于對襯底84進行激光刻劃而產(chǎn)生的碎片在刻劃線82的任一側(cè)延伸出數(shù)百微米。通常，可選擇激光波長、脈沖寬度及注量，以使得氧化硅停止層在根據(jù)所揭示技術(shù)的激光刻劃之后完好無損或幾乎未損壞。此結(jié)果為，溝槽底板與氧化硅停止層一致。這是有可能的，因為通過適當(dāng)?shù)剡x擇激光參數(shù)，激光能穿透氧化硅材料，但不能穿透金屬和低k結(jié)構(gòu)。
刻劃至氧化硅停止層所需的準(zhǔn)確激光參數(shù)是由器件決定的。所需激光參數(shù)取決于 半導(dǎo)體器件的多層結(jié)構(gòu)中不同層的成分、定向以及厚度。對于任何給定的半導(dǎo)體工件10，存在界定工藝窗口的激光參數(shù)范圍以用于刻劃直至氧化硅停止層。通常，波長、光斑大小、光斑形狀以及重復(fù)率的參數(shù)是固定的，而激光功率、刻劃速度以及刻劃通過的次數(shù)是可變的，直到體現(xiàn)出刻劃至氧化物(scribe-to-oxide)工藝窗口為止。如果所得到的工藝窗口太小，那么光斑大小、光斑形狀、重復(fù)率或激光波長可根據(jù)需要進行調(diào)整以改進工藝。下文中的表I總結(jié)了參數(shù)范圍。表I波長(±IOnm) :532nm、355nm 以及 266nm光斑大小(Ι/e2):3 μ m 到 100 μ m。光斑形狀(空間)高斯型、頂帽圓形、正方形重復(fù)率IOKHz到 2MHz刻劃速度50mm/s到 5000mm/s。達到下氧化物停止層的刻劃通過的次數(shù)1到25激光功率范圍0. Iff到20W各半導(dǎo)體材料層中待切削、移除或處理的厚度在O. 5nm與10，OOOnm之間。層數(shù)在I與50之間(排除二氧化硅停止層30)。待用激光束切削、移除或處理的半導(dǎo)體材料層含有以下材料中的一種或多種a)電介質(zhì)材料SiO2 (二氧化硅)、Si3N4 (氮化硅)、碳化硅、氧氮化硅、氮化鉭或氧化鉭；b)用硅、氧、氮、碳、氫以及氟中的兩種或兩種以上元素的任何化合物制成的電介質(zhì)材料。這些電介質(zhì)材料包含低k材料。根據(jù)所選擇的元素，除“不飽和鍵”之外，電介質(zhì)材料的各化學(xué)鍵為 C-C、C=C, C C、C-F、C-H、0-H、C_0、C=O, C_N、C=N, C = N5c)上文在項目a)和b)中列出的具有多孔結(jié)構(gòu)以降低材料介電常數(shù)的電介質(zhì)材料(例如，干凝膠或氣凝膠);d)銅(Cu)、鋁(Al)、鎢(W)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉭(Ta)、金(Au)以及鉬(Pt)的金屬層(包含這些材料上的表面氧化物)；以及e)多晶硅和硅。
以下是用激光切削的所有低k材料的列表a)由以下三家公司制造或特許的市售低K電介質(zhì)材料中的任一種(i)應(yīng)用材料黑鉆石(Applied Materials Black Diamond) I 、黑鉆石(BlackDiamond) 2 以及 BLOk 。(ii) Novellus Coral (iii) ASM 國際極光(ASM International Aurora) b) “摻碳氧化硅”類或“摻氟氧化硅”類低k電介質(zhì)材料。這些材料具有由以下元素中的兩種或兩種以上元素的任何化合物組成的化學(xué)計量硅、氧、氮、碳、氫以及氟。除“不飽和鍵”之外，元素之間可根據(jù)元素通過單鍵、雙鍵或三鍵來鍵合，即，c-c、C=C, C C、C-F、C-H、0-H、C-0、C=0, C-N、C=N, C = N5
c)旋涂式聚合(Spin-on polymeric)低k電介質(zhì),諸如，陶氏化學(xué)(DowChemical)的SiLK 、聚酰亞胺、聚降冰片烯、苯并環(huán)丁烯、PTFE (Teflon )以及類似于Teflon 的材料諸如PFA、娃酮基聚合電介質(zhì)材料、氫倍半娃氧燒(hydrogen silsesquioxane, HSQ)以及甲基倍半娃氧燒(methylsilsesquioxane, MSQ);以及d)在以上項目中列出的具有多孔結(jié)構(gòu)以降低材料介電常數(shù)的電介質(zhì)材料。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將很清楚，可在不脫離本發(fā)明的基本原則的前提下，對上述實施例的具體細節(jié)進行許多改變。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅由權(quán)利要求書來確定。
權(quán)利要求
1.一種帶有最小化碎片產(chǎn)生的刻劃半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括 提供含有多個相互隔開的半導(dǎo)體器件的圖案化半導(dǎo)體工件，所述半導(dǎo)體器件包含在半導(dǎo)體襯底上制造的多層結(jié)構(gòu)并且由切割道分開，所述多層結(jié)構(gòu)包含沿深度方向分別定位成距所述半導(dǎo)體襯底較遠和較近的弱機械性上層和強機械性下層的材料，所述弱機械性上層包含特征為弱熱機械強度性質(zhì)的導(dǎo)電材料和低k電介質(zhì)材料，而所述強機械性下層包含特征為強熱機械強度性質(zhì)的電介質(zhì)材料，并且所述強機械性下層包含用作所述弱機械性上層的激光能量穿透停止層的氧化硅材料層； 產(chǎn)生特征在于波長、脈沖寬度及注量的多個暫時隔開的激光脈沖的脈沖激光束，以使得所述弱機械性上層吸收所述激光束而所述強機械性下層透射所述激光束； 使所述脈沖激光束與所述切割道中的一者對準(zhǔn)；以及 沿所述切割道縱向地賦予所述脈沖激光束與所述半導(dǎo)體工件之間的相對運動，從而在最小化碎片產(chǎn)生的情況下實現(xiàn)對所述弱機械性上層在深度方向上的移除并因此形成具有側(cè)邊界的激光刻劃區(qū)，所述側(cè)邊界由所述激光能量穿透停止層的暴露部分來界定并且基本上不被所述脈沖激光束損壞。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其進一步包括分開所述半導(dǎo)體器件，具體為，沿所述切割道縱向地賦予機械鋸與所述半導(dǎo)體工件之間的相對運動并且賦予所述激光刻劃區(qū)的所述側(cè)邊界之間的相對運動，從而切穿所述強機械性下層以分開位于所述激光刻劃區(qū)任一側(cè)的所述半導(dǎo)體器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述機械鋸包含具有一定鋸條寬度的鋸條，所述激光刻劃區(qū)的所述側(cè)邊界分開一段距離以界定大于所述鋸條寬度的激光刻劃區(qū)寬度，并且所述弱機械性上層材料沒有任何部分存在于所述機械鋸所切穿的所述激光刻劃區(qū)之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述機械鋸包含具有一定鋸條寬度的鋸條，所述激光刻劃區(qū)的每一所述側(cè)邊界都由刻劃線形成，所述刻劃線確定一段距離以界定大于所述鋸條寬度的激光刻劃區(qū)切削寬度，并且所述弱機械性上層材料的一部分存在于形成所述機械鋸所切穿的所述激光刻劃區(qū)的所述刻劃線之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述切割道由側(cè)邊緣來界定，并且其中所述刻劃線在所述切割道的所述側(cè)邊緣上形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述低k電介質(zhì)材料包含氧化物衍生物、有機物以及高度多孔氧化物中的一者或多者。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述導(dǎo)電材料包含銅、鋁、鎢、鉻、鈦、鎳、鈷、鉭、金或鉬。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底用硅制成。
全文摘要
一種針對由機械半導(dǎo)體工件(10)的機械鋸切造成的失效機理的解決方案，需要使用激光束以從切割道(18)切削并移除導(dǎo)電(32)材料層和低k電介質(zhì)(34)材料層，隨后進行鋸切割以分開半導(dǎo)體器件(12)。激光束在所述導(dǎo)電和低k電介質(zhì)材料層中形成諸如溝槽(44)的激光刻劃區(qū)(44、52)，所述溝槽的底部(50)止于位于所述導(dǎo)電和低k電介質(zhì)材料層(38)中各者下方的氧化硅激光能量穿透停止層(30)。所揭示的工藝需要選擇諸如波長、脈沖寬度以及注量等激光參數(shù)，這些激光參數(shù)協(xié)作以保持所述氧化硅停止層完好無損或幾乎未損壞。機械鋸切削所述氧化硅層和位于所述氧化硅層下方的所有其他材料層(40)以及襯底(16)，從而分開所述半導(dǎo)體器件。
文檔編號H01L21/301GK102918634SQ201180026697
公開日2013年2月6日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者安迪·E·虎柏, 大衛(wèi)·巴席克, 柯林特·R·凡德吉亞森, 張海濱, 詹姆斯·N·歐布賴恩 申請人:伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司