順序衝切方法

2023-07-22 10:01:56 2

專利名稱：順序衝切方法
技術領域：
本發明涉及製造多層半導體結構或襯底(也稱為多層半導體晶片)的領域，該多 層半導體結構或襯底是通過將至少一層轉移到支撐件上而產生。通過將第一晶片分子鍵 合在第二晶片或支撐件上來形成轉移層，所述第一晶片通常在鍵合之後被減薄。所述第 一晶片也可包括全部或部分部件，或者多個微部件，當其與部件的三維(3D)集成一起出 現時，要求將一層或多層微部件轉移到最後的支撐件上，並且其也與電路傳送(例如在 製造後位成像設備時)一同出現。
背景技術：
用於形成轉移層和支撐件的晶片的邊緣通常具有削角(chamfer)或邊緣倒圓，其 利於晶片的操作並且能夠避免如果這些邊緣突起而在邊緣處出現的破損，這樣的破損成 為汙染晶片表面的微粒源。削角可以是圓形和/或圓錐形。但是，削角的存在會阻礙支撐件與晶片在其外圍很好的接觸。從而在轉移層不 能鍵合或者不能適當地鍵合到支撐襯底的部分出現外圍區域。由於轉移層的外圍區域容 易以非控制方式破損該結構並且由多餘碎片或微粒汙染該結構，因此必須去除轉移層的 外圍區域。因而，一旦晶片已經鍵合到支撐件並且在任何必要的減薄之後，轉移層再被衝 切，以便移除其上延伸有削角的外圍區域。衝切經常主要通過機械加工來完成，特別是 通過磨蝕或磨削轉移層的暴露表面直至支撐件來完成。但是，這樣衝切會引起以下問題，即在轉移層和支撐件之間的鍵合界面處出現 剝落，以及在轉移層本身中出現剝落。更準確的說，在鍵合界面，剝落問題相當於在鄰 近轉移層外圍的某個區域上轉移層的分層，這種分層可以被界定為宏剝落。由於削角的 存在，鍵合能量在轉移層的外圍附近較低。因此，在該區域的磨削將使得該轉移層在其 與支撐襯底的鍵合界面處部分分離。當轉移層包括多個部件時更容易出現上述分離。當 部件出現在轉移層中，不會採用通常在鍵合之後被執行用於加強鍵合界面的高溫退火， 因為這些部件不能承受這樣的退火溫度。此外，當轉移層包括例如電路的部件、接觸、以及特別由金屬形成的區域時， 磨削可能導致在存在於轉移層中的部件的圖形處產生分層，這樣的分層被界定為微剝落。衝切步驟中該結構中的加熱和/或機械應力超過某一水平時出現宏剝落現象和 微剝落現象。在完整的轉移層衝切過程中，經常到達這一水平。

發明內容
本發明的目的在於通過提供一種衝切包括鍵合到第二晶片的第一晶片的結構的 方法來克服上述缺點，所述第一晶片具有削邊，所述方法包括·在第一深度執行第一衝切步驟，所述第一深度包含所述第一晶片的厚度，並且也在距離所述第一晶片的邊緣的第一預定寬度上執行所述第一衝切步驟；以及·在第二深度上執行至少一個第二衝切步驟，所述第二深度至少包含所述第一 晶片的厚度，並且也在小於所述第一寬度的第二寬度上執行所述第二衝切步驟。因此，通過儘可能接近所述第一晶片的邊緣以及在預定寬度上執行第一衝切步 驟，所述第一晶片被衝擊同時與其部件保持相對較遠的距離。這就限制了結構中的加熱 和/或應力，甚至在衝切劇烈時，即明顯穿透進入所述第二晶片時。此外，加熱和/或應力也在所述第二衝切步驟中被限制，即使所述第二衝切步 驟在更加遠離所述第一晶片的邊緣的距離處(即，靠近部件)被執行。事實上，由於在 所述第一衝切步驟中已經移除了一部分，因此將在所述第二衝切步驟中被移除的材料減 少了。結果，本發明的方法的這兩步衝切步驟意味著可以至少執行所述第一晶片的完 整衝切，而同時減少了時常在單步驟衝切過程中出現的宏剝落現象和微剝落現象。依據本發明的一個方面，在小於或等於所述第一深度的第二深度上執行所述第 二衝切步驟，所述第一衝切步驟是在所述第一深度上執行的。依據本發明的另一方面，在所述第一衝切步驟中移走的所述第二晶片的部分厚 度的範圍是IOym(微米)至30μιη。依據本發明的又一方面，在所述第二衝切步驟中移走的所述第二晶片的部分厚 度的範圍是0 μ m至10 μ m。依據本發明的再一方面，在第一寬度上執行所述第一衝切步驟，該第一寬度的 範圍在2mm(毫米)至10mm，優選範圍為2mm至6mm，而在第二寬度上執行所述第二 衝切步驟，該第二寬度的範圍在0.1mm至2mm。本發明也提供了製造三維複合結構的方法，該方法包括在第一晶片的一個面 上製造一層部件的至少一個步驟；將包含部件層的所述第一晶片的面鍵合到第二晶片上 的步驟；以及依據本發明的衝切方法執行的至少衝切所述第一晶片的步驟。採用本發明的衝切方法意味著可以通過堆疊兩個或更多晶片、將在晶片間的鍵 合界面處以及在部件層處的分層風險降到最低來製造三維結構。部件層之一可以包括圖 像傳感器。


圖1是將被衝切的結構的俯視圖；圖2A至2E是依據本發明的一個實施方式的衝切方法的示意圖；圖3是在如圖2A至2E所示的方法中執行的步驟的流程圖；圖4A至4F是示出採用本發明的衝切方法製造三維結構的示意圖；圖5是在製造如圖4A至4F所示的三維結構的過程中執行的步驟的流程圖；以 及圖6是示出在圖4D和4E中使用的磨削裝置的下表面的視圖。
具體實施例方式本發明一般應用於衝切包含通過分子鍵合或任意其它類型的鍵合(例如，陽極鍵合、金屬鍵合或粘結劑鍵合)組合在一起的至少兩個晶片的結構，從而可以預先在第 一晶片中形成部件，該第一晶片之後將鍵合到構成支撐件的第二晶片上。晶片一般是可 以具有不同直徑的圓形，具體而言，直徑為IOOmm(毫米)、200mm或300mm。在此使 用的術語「部件」是指由與晶片材料不同且對通常用於加強鍵合界面的高溫敏感的材料 所製造的任何類型的元件。這些部件特別對應於形成電子部件的全部或部分的元件或者 多個電子微部件，例如電路、接觸或者有源層，這些部件如果暴露在高溫下有可能被損 壞，甚至被銷毀。部件也可以對應於元件、圖形(motifs)或層，其由與晶片具有不同的 膨脹係數的材料製造，這些部件在高溫下容易在晶片內產生不同的膨脹程度，從而使晶 片變形和/或損壞。換句話說，當第一晶片包括這樣的部件，則不能在鍵合後經歷高溫退火。因 此，如上所述，限制了晶片之間的鍵合能量，使得合成結構在機械衝切過程中對宏剝落 現象更加敏感。此外，由於以上原因，衝切也會引起微剝落，其對應於在第一晶片的部 件處分層(在第一晶片的形成部件的一個或多個堆疊中分離)。一般而言，本發明特別應用於不能經受高溫鍵合退火的組合結構，同樣也適用 於由具有不同的膨脹係數的晶片的組合(例如，藍寶石上矽、玻璃上矽等)形成的異質結 構。本發明也可以用於更標準的絕緣體上矽(SOI)型結構(即，SOI結構)，其中兩個 晶片由矽組成。對於這類結構，本發明特別用於形成具有一層厚度大於IOym(微米)或 者具有不同性質的堆疊層的結構。事實上，已經發現，當採用已知現有技術執行衝切， 這些結構很容易在衝切步驟中損壞。為此，本發明提出了從第一晶片的邊緣執行順序衝切。準確地說，如以下詳細 描述，本發明的衝切方法在至少兩個步驟中執行，即儘可能接近晶片邊緣執行第一衝切 步驟以及在與該第一晶片相距更遠的距離處(也就是，在更接近晶片的部件的部分上)執 行第二衝切步驟。圖1是示出了結構15的俯視圖，其中結構15包括鍵合到下方支撐件(未示出) 的晶片10。晶片10包括在稱為「有用區域」的區域14中形成的部件11，該區域14覆 蓋了大部分晶片表面，而未覆蓋寬度為I3的環形排除部分，該寬度I3等於晶片10的邊緣 IOa與有用區域14的邊界之間的距離。環形排除部分至少包括晶片的削角延伸覆蓋的區 域。該環形排除部分被分為第一環形區域12和第二環形部分13。第一環形區域12的寬 度為I1,並且距離晶片邊緣IOa最近。就是在該第一區域12上執行本發明的方法的第一 衝切步驟。該第一區域距離包括部件11的有用區域14稍遠一些，因此在該結構中執行 衝切不會產生宏剝落或微剝落的風險。第二環形區域13的寬度為I2 (小於寬度I1),該第 二環形區域13距離晶片的邊緣IOa更遠一些，即更接近有用區域14。但是，由於大量材 料在第一衝切步驟中已經被移走，在第二環形區域13的第二衝切步驟中限制了加熱和應 力。因此，限制了在衝切過程中可能出現的任何宏剝落現象和/或微剝落現象。在第二衝切步驟中，通過在小於執行第一衝切步驟的深度的深度上執行衝切， 可以進一步減小加熱和應力。為了進一步限制衝切過程中的加熱和應力，也可以多於兩個的步驟來執行本發 明的方法，例如三個或四個衝切步驟。在這種情況下，連續的衝切步驟中的每一步都在 小於或等於前一衝切步驟的寬度的寬度上實施。每一步的衝切深度優選地但不排他地小CN 於前一衝切步驟的衝切深度。以下參照圖2A至2E和圖3來描述衝切方法的一個實施方式。如圖2A所示，將被衝切的結構100通過將與圖1中的晶片同類型的第一晶片101 組合到例如由矽製得的第二晶片102而形成。第一晶片101和第二晶片102在此具有相 同的直徑。然而，它們也可以具有不同的直徑。在此描述的示例中，採用所屬領域技術 人員熟知的分子鍵合技術來執行組合。應當想到，分子鍵合的原理是基於將兩個表面直 接接觸，即不使用任何特定鍵合材料(粘結劑、蠟、焊料等)。這樣的操作要求將被鍵合 的表面足夠平滑、不含微粒或汙染物，從而使得鍵合的表面充分靠近而允許開始接觸， 通常來說，其間隔距離小於幾個納米。在這種情況下，兩個表面直接的吸引力要高到足 以引起分子鍵合(由於將鍵合在一起的兩個表面的原子或分子直接的電子相互作用，通 過一組吸引力(範德華力)而引發鍵合)。在低溫下執行兩個晶片之間的粘結，以便不損壞部件和/或第一晶片。更確切 的說，晶片在室溫下相互接觸之後，可以在低於450°C的溫度下執行鍵合加強退火，超過 該溫度則如鋁或銅等某些金屬開始蠕變。在第一晶片101與第二晶片102接觸之前，在第一晶片101和/或第二晶片的鍵 合面上形成氧化物層類型的鍵合層107。第一晶片101包括一層部件103並具有削邊， 即，該削邊是包括上削角104和下削角105的邊緣。在圖2A中，晶片具有圓形的削角。 當然，晶片也可以具有由不同形狀，例如圓錐形倒圓的削角或邊緣。一般而言，術語
「削邊」是指在其上斜切阱脊而使得兩個晶片的靠近其外圍之間的接觸較差的任意晶片 邊緣。通過分子鍵合將晶片101和102相互抵靠而組合在一起來形成結構100(步驟 Si，圖2B)。根據第一晶片101的初始厚度，為了形成具有預定厚度^的轉移層106可 以減薄第一晶片(步驟S2，圖3C)，例如大約ΙΟμιη。層或晶片的遠離削邊的上面和下 面之間測量厚度ei。在衝切操作之前優選執行減薄步驟。但是，將第一晶片減薄的步驟 仍然是可選的，並且在未執行之前的減薄步驟也可以執行衝切第一晶片的步驟。接下來，對結構100進行衝切，主要包括除去包括削角105的層106的環形部 分，削角104在減薄第一晶片101的過程中已經被除去。根據本發明，從第一衝切步驟 開始衝切，在距離相當於第一晶片101邊緣的第一層106的邊緣寬度為Id1處執行第一衝 切步驟(步驟S3，圖2D)。對於其直徑為100mm、200mm和300mm的晶片而言，衝切 寬度Id1通常範圍為2mm至10mm，優選範圍為2mm至6mm。通過對層106的上面的 操作或機械加工(邊緣磨削)來執行衝切。可以採用磨削裝置或任何其它能夠機械磨除 該層材料的工具進行機械操作。在第一衝切步驟中，結構100在從對應於鍵合界面的參照平面限定的深度Pd1被 衝擊(在本例中為鍵合層107和第二晶片102的鍵合面之間的接觸平面)。深度Pd1包含 層106的厚度ei、鍵合層107的厚度e2，以及對應於第二晶片102的部分厚度的厚度e3。 厚度&的範圍為ΙΟμιη至30μιη。在圖2D中，以如垂直於襯底平面的示意方式顯示了 被衝切的層106的側面。但是，依據所使用的磨削裝置的類型，衝切側面可以具有不同 形狀的輪廓，即不是完全的直線形，例如略微向內彎曲的形狀。具體而言，當磨削裝置 或衝切輪在至少一個面上具有凹槽時，就能獲得這樣向內彎曲的側面。很顯然，由於存在這些凹槽，有利於將在衝切操作中分布在輪上和靠近輪的被排除的材料排出，以及有 利於液體(通常為水)循環。這進一步限制了晶片邊緣處的加熱/應力，並且能夠進一 步改善衝切質量。在層或晶片的衝切側面不具有近似直線輪廓的情況下，衝切步驟的寬 度(例如寬度Id1和Id2)至少等於晶片或層被衝擊的寬度(衝切寬度可以在衝切過程中被 略微減小)。然後，通過也由機械操作或加工執行的第二衝切步驟來完成衝切(步驟S4，圖 2E)。在距離對應於第一步驟的衝切寬度Id1的層106的邊緣的預定距離處執行第二衝切步 驟。對於直徑為100mm、200mm和300mm的晶片而言，衝切寬度Id2—般範圍為0.1mm 至 0.2mm。在第二衝切步驟中，結構100在至少包括層106的厚度ei的深度Pd2上被衝擊。 深度Pd2也可以包括對應於第二晶片102的部分厚度的厚度e4。在此描述的一個示例中， 厚度64小於厚度e3。厚度範圍為Oym至ΙΟμιη，例如5ym。如上所述，厚度e4 也可以大於或等於厚度e3。本發明的衝切方法的特別但非排他的領域是製造三維結構的領域。以下參照圖4A至4G和圖5來描述依據本發明的一個實施方式的，通過將在初 始襯底上形成的一層微部件轉移到支撐件上來製造三維結構的方法。製造三維結構始於以下步驟在第一晶片200的表面上形成第一系列微部件 204，該第一晶片200的邊緣具有上削角206和下削角205 (圖4A，步驟Si)。在此描述 的示例中，第一晶片200是多層SOI型結構，即其包括置於襯底(也是矽材料)203上的 矽層201，存在於層201和襯底203之間的掩埋氧化物層202 (例如，SiO2層)。晶片200 的厚度範圍大約為600μιη至900μιη。對於直徑為200mm(8英寸)的晶片而言，標準 厚度為725 μ m。使用能夠限定用於形成對應於將被製造的微部件的圖形的區域的掩模，通過光 刻形成微部件204。為了通過分子鍵合進行鍵合，將第一晶片200的包括微部件204的面與第二晶片 300的面緊密接觸(步驟S2，圖4B)。晶片300的厚度為大約725 μ m。按照與第一晶片 200相同的方式，第二晶片300的邊緣具有上削角301和下削角302。氧化物層207，例 如由SiO2形成，也形成在第一晶片200的包括微部件204的面上。在此所述的示例中， 第一晶片200和第二晶片300的直徑為200mm。在鍵合之後，並且如圖4C所示，減薄第一晶片200來移除出現在該層微部件 204上的一部分(步驟S3)，即襯底203。在該方法的這一階段，掩埋層202被優選保 留，以便保護部件不被可能的汙染物、微粒等損壞。第一晶片200可以被減薄，特別是 通過磨削或化學_機械拋光(CMP)襯底203 (距離鍵合界面50 μ m停止)的步驟，之後 的化學衝擊到掩埋氧化物層202的步驟(例如通過由四甲基銨氫氧化物TMAH蝕刻)來 實現。也可以通過沿之前由原子注入在晶片200中形成的弱化平面分裂或破裂來進行減 薄。有利地，掩埋絕緣層202用於限定保留的晶片200的厚度。在減薄步驟之後，晶片 200的厚度e為大約10 μ m。在其它情況下，晶片200的厚度e可為1 μ m至15 μ m。因此獲得複合結構500，其由第二晶片300以及對應於第一晶片200的保留部分 的層201形成。
依據本發明，對結構500執行機械衝切的第一步驟，包括去除晶片200的環形部 分(步驟S4，圖4D)。使用磨削裝置400來執行第一衝切步驟，結構500支撐在旋轉平 面(未示出)。如圖6所示，磨削裝置400的下面被構造為具有凹槽410。如上所述， 已經發現，具有這種結構面的磨削裝置可以限制加熱和應力。很顯然，也可以採用不具 有這種結構面的磨削裝置來執行衝切。在第一衝切步驟中，結構500在範圍為2mm至IOmm的寬度Id1以及包括第一晶 片200的保留部分的厚度ei、氧化物層207的厚度e2以及對應於第二晶片300的部分厚度 的厚度e3的深度Pd1上被衝擊，該厚度e3的範圍為10 μ m至30 μ m。然後由第二衝切步驟完成衝切，從距離晶片200邊緣的等於第一步驟的衝切寬 度Id1的預定距離且在範圍為0.1mm至2mm的寬度Id2處執行第二衝切步驟(步驟S5，圖 4E)。在該第二衝切步驟中，結構500在包括第一晶片200的保留部分的厚度ei、氧化物 層207的厚度e2以及對應於第二晶片300的部分厚度的厚度e4的深度Pd2上被衝擊，該 厚度e4的範圍為0 μ m至10 μ m，例如5 μ m。一旦結構500的衝切結束，在已經移走層202之後，在層201的暴露表面上形成 第二層微部件214(圖4F，步驟S6)。在上述的示例中，形成微部件214使其與掩埋的微 部件204對準。為此採用光刻掩模；其類似於形成微部件204所使用的光刻掩模。在一個變形中，通過層的堆疊，即通過將一層或多層其它層轉移到層201上來 形成三維結構，其中每個其它層與直接鄰接的層或多層對準。採用本發明的衝切方法順 序衝切每個其它層。此外，在每一次轉移其它層之前，可以將在暴露的層上沉積一層氧 化物層，例如一層正矽酸乙酯(TEOS)氧化物層，以便促進組合併防止衝切區域(對於該 區域，下方晶片的材料暴露)隨後被化學衝擊。可選地，在已經轉移一組層之後，可以 執行單次的衝切操作。在本發明的衝切步驟中移除的材料的厚度ei和e2相當於在堆疊的 上層的上表面與支撐晶片處或之中的衝切步驟停止界面之間包含的厚度。依據特定實施方式，多層微部件中的其中一層特別地可以包括圖像傳感器。依據另一實施方式，在將第二支撐晶片與構成轉移層的第一晶片組合起來之前 已經在第二支撐晶片中形成部件。依據又一實施方式，衝切步驟可以包括以下步驟第一粗糙移除步驟，例如採 用如圖4D所示的磨削裝置；之後的精細移除步驟，例如採用晶片邊緣拋光工具。這就 是說，在衝切之後，可以製造具有減小的粗糙程度的晶片邊緣，其不易被殘留的微粒影 響。
權利要求
1.一種衝切結構(100)的衝切方法，該結構(100)包括鍵合到第二晶片(102)的第一 晶片(101)，該第一晶片(101)具有削邊(104、105)；其特徵在於該方法包括第一衝 切步驟，其在包含該第一晶片(101)的厚度(ei)的第一深度(Pd1)上執行，所述第一衝切 步驟也在距離該第一晶片(101)的邊緣的第一預定寬度(Id1)處執行；以及至少一個第二衝切步驟，其在至少包含該第一晶片(101)的厚度(ei)的第二深度 (Pd2)上執行，所述第二衝切步驟也在小於該第一寬度(Id1)的第二寬度(Id2)上執行。
2.如權利要求1所述的衝切方法，其特徵在於，所述第二深度(Pd2)小於所述第一深 度(Pd1)。
3.如權利要求1或2所述的衝切方法，其特徵在於，在所述第一衝切步驟中被去除的 該第二晶片(102)的部分的厚度範圍為ΙΟμιη至30μιη。
4.如權利要求1至3中任意一項所述的衝切方法，其特徵在於，在所述第二衝切步驟 中被去除的該第二晶片(102)的部分的厚度範圍為Ομιη至ΙΟμιη。
5.如權利要求1至4中任意一項所述的衝切方法，其特徵在於，在第一寬度(Id1)上 執行所述第一衝切步驟，其中該第一寬度(Id1)範圍為2mm至10mm，優選範圍為2_ 至 6mm。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的衝切方法，其特徵在於，在第二寬度(Id2)上 執行所述第二衝切步驟，其中該第二寬度(Id2)範圍為0.1mm至2mm。
7.如權利要求1至6中任意一項所述的衝切方法，其特徵在於，該第一晶片(101)包 括部件(103)。
8.如權利要求1至7中任意一項所述的衝切方法，其特徵在於，採用磨削裝置執行至 少一個衝切步驟，其中該磨削裝置的下表面上包含凹槽。
9.一種製造三維複合結構(500)的方法，包括在第一晶片(200)的一個面上製造一層 部件(204)的至少一個步驟，將該第一晶片(200)的包括一層部件(204)的面鍵合到第二 晶片(300)上的步驟，以及依據如權利要求1至8中任意一項所述的衝切方法執行的至少 衝切該第一晶片(200)的步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，該方法包括在所述鍵合步驟之後的將該 第一晶片(200)減薄的步驟。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，該方法還包括在該第一晶片的與包 含第一層部件(204)的面相反的面上製造第二層微部件(214)的步驟。
12.如權利要求9至11中任意一項所述的方法，其特徵在於，該方法包括在所述鍵合 步驟之前的在該第一晶片(200)的包含第一層部件(204)的面上形成氧化物層(207)的步 馬聚ο
13.如權利要求9至12中任意一項所述的方法，其特徵在於，該第一晶片(200)是SOI型結構。
14.如權利要求9至13中任意一項所述的方法，其特徵在於，第一層部件(204)至少 包括圖像傳感器。
全文摘要
本發明提供了衝切結構(500)的方法，該結構(500)包括鍵合到第二晶片(300)的第一晶片(200)，該第一晶片(200)具有削邊。該方法包括在包含該第一晶片(101)的厚度(e1)的第一深度(Pd1)以及距離該第一晶片(101)的邊緣的第一寬度(ld1)上執行的第一衝切步驟(S4)。也在至少包含該第一晶片(101)的厚度(e1)的第二深度(Pd2)以及小於第一寬度(ld1)的第二寬度(ld2)上執行第二衝切步驟(S5)。
文檔編號H01L21/304GK102017092SQ200980115233
公開日2011年4月13日 申請日期2009年7月31日 優先權日2008年9月2日
發明者E·內雷, M·布魯卡特, M·米熱特, S·莫利納裡 申請人:S.O.I.Tec絕緣體上矽技術公司