(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デブリの生成を微少にした半導体デバイスのスクライビング方法であって、
半導体基板上に作られた多層構造を含み、ダイシングストリートにより分離された、互いに離間された複数の半導体デバイスを含むパターン付き半導体ワークピースを用意し、前記多層構造は、深さ方向に半導体基板から離れた位置にある機械的に弱い上層の材料と、深さ方向に半導体基板に近い位置にある機械的に強い下層の材料とを含み、前記機械的に弱い上層は、熱機械的な強さが弱いという特性により特徴付けられる、導電材料及びlow-k誘電材料を含み、前記機械的に強い下層は、熱機械的な強さが強いという特性により特徴付けられる誘電材料を含み、前記機械的に強い下層は、前記機械的に弱い上層に対するレーザエネルギー透過ストップ層として機能する酸化シリコン材料の層を含み、
波長、パルス幅、及びフルエンスによって特徴付けられる、時間的に間隔を空けた複数のレーザパルスからなるパルスレーザビームを生成し、前記機械的に弱い上層が前記レーザビームを吸収し、前記機械的に強い下層が前記レーザビームを伝達するようにし、
前記ダイシングストリートの１つに前記パルスレーザビームを合わせ、
前記パルスレーザビームと前記半導体ワークピースとの間で前記ダイシングストリートに沿って長手方向に相対運動を生じさせ、デブリの発生を微少にしつつ、前記機械的に弱い上層を深さ方向に除去し、これにより前記レーザエネルギー透過ストップ層の露出部分によって規定される側界を有するレーザスクライブ領域を前記ダイシングストリート内に形成し、前記パルスレーザビームにより実質的に損傷されないようにする、方法。
【請求項２】
さらに、前記レーザスクライブ領域の前記側界の間において、機械鋸と前記半導体ワークピースとの間で前記ダイシングストリートに沿って長手方向に相対運動を生じさせ、前記機械的に強い下層を切断して前記レーザスクライブ領域の両側に位置する前記半導体デバイスを分離することによって、前記半導体デバイスを分離する、請求項１の方法。
【請求項３】
前記機械鋸は、ある鋸刃幅を有する鋸刃を含み、前記レーザスクライブ領域の前記側界は、前記鋸刃幅よりも大きなレーザスクライブ領域幅を定義する距離だけ離れており、前記機械鋸が切断する前記レーザスクライブ領域内には前記機械的に弱い上層の材料が存在しない、請求項２の方法。
【請求項４】
前記機械鋸は、ある鋸刃幅を有する鋸刃を含み、前記レーザスクライブ領域の前記側界のそれぞれは、スクライブ線により形成され、前記スクライブ線は、前記鋸刃幅よりも大きなレーザスクライブ領域切断幅を定義する距離を規定し、前記機械鋸が切断する前記レーザスクライブ領域を形成する前記スクライブ線の間には前記機械的に弱い上層の材料の一部が存在する、請求項２の方法。
【請求項５】
前記ダイシングストリートはサイドマージンにより規定され、前記スクライブ線は前記ダイシングストリートの前記サイドマージン上に形成される、請求項４の方法。
【請求項６】
前記low-k誘電材料は、１以上の酸化物誘導体、有機物、及び高多孔質酸化物を含む、請求項１の方法。
【請求項７】
前記導電材料は、銅、アルミニウム、タングステン、クロム、チタン、ニッケル、コバルト、タンタル、金、又は白金を含む、請求項１の方法。
【請求項８】
前記半導体基板はシリコンからなる、請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
著作権表示
（ｃ）２０１０  エレクトロ  サイエンティフィック  インダストリーズ  インコーポレーテッド。この特許文書の開示の一部には、著作権保護を受ける構成要素が含まれている。著作権所有者は、いかなる者による特許文書又は特許開示のファクシミリによる複製に対しても、それは米国特許商標庁の特許ファイル又は記録に記載されているため、異議を唱えないが、記載されていない場合には、どのようなものであってもすべての著作権を留保する。米国連邦規則集第３７巻第１．７１条（ｄ）。
【０００２】
本開示は、パターン付き半導体ワークピースのレーザスクライビングに関するものであり、特に、レーザスクライビングデブリの生成を微少にしつつ、パターン付き多層ワークピースにおけるチャネルのスクライビングを達成するレーザエネルギー透過ストップ層の利用に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
半導体デバイスは、シリコンウェハのような基板上に生成された後、パッケージングの前に機械鋸やレーザビームにより個々のチップに切断される多層構造である。半導体デバイスにおけるトレンドは、二酸化ケイ素誘電体層をlow-k誘電材料層に置換することである。low-k誘電材料は機械的に強いわけではなく、したがって、誘電材料層を機械鋸で切ると、特有のデバイス故障メカニズムを引き起こす可能性がある。半導体デバイスをレーザスクライブするときの問題は、多層構造と相互作用を生じるレーザビームが、除去又は管理が必要になる多くのデブリを生成することにある。レーザ生成デブリは熱く、溶融した材料を含んでいる。デブリがウェハ表面に付くと、溶融した材料又はスラグがその表面に溶着するようになる。スクライビングから生じるレーザ生成デブリは、スクライビング後にウェハを洗浄するか、あるいは、熱いスラグがウェハ表面にくっつくのを防止するために、スクライビング前に水ベースのコーティングをウェハ表面に塗布し、スクライビング後に生じたデブリとともにコーティングを洗浄することによって処理される。コーティングと洗浄は、スクライビング処理にコストと複雑さを加える。必要とされているものは、デブリ生成を微少にしつつ、素早くかつ完全に半導体デバイスをスクライブすることができる方法である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
機械鋸引きにより生ずる故障メカニズムに対する１つの解決策は、ソーダイシング前にレーザビームを用いてダイシングストリートから導電材料層及びlow-k誘電材料層を切断及び除去することを含んでいる。開示される工程は、レーザビームを用いて、導電材料層（例えば銅）及びlow-k誘電材料層を含むチャネルや溝（以下「チャネル」）などのレーザスクライブ領域を半導体ワークピース内に形成する。チャネルの底部は、すべての導電材料層及びlow-k誘電材料層の下方に置かれた酸化シリコン（ＳｉＯX）、好ましくは二酸化ケイ素からなるレーザエネルギー透過ストップ層の端と合っている。酸化シリコン層は、物理析出、化学析出、スピンオンガラス（例えばテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ））、又はシリコンの酸化（熱酸化など）などの多くの一般的な工程により用意することができる。半導体ワークピースは電気回路を含んでいてもよい。開示される工程は、波長、パルス幅、及びフルエンスなどのレーザパラメータを酸化シリコン層ストップ層を完全に又はほぼ損傷のないのままにするように選択することを含んでいる。この結果、チャネル底部は酸化シリコンストップ層と一致する。
【０００５】
半導体ワークピースをスクライブし、その後、ダイシングして半導体デバイスを分離する２つの好ましい実施形態がある。１つの実施形態は、鋸刃幅よりも広いチャネル幅を規定する側界を有するチャンネルをレーザ切断してデバイス層をチャネル底部まで除去し、その後、機械鋸を用いて、得られたチャネル内で半導体デバイスをダイシングすることを含んでいる。他の実施形態は、ダイシングストリートの両側のサイドマージン上で、２つのスクライブ線を深さ方向に酸化シリコンストップ層まで切断し、その後、機械鋸を使ってスクライブ線の間で半導体デバイスをダイシングすることを含んでいる。
【０００６】
付加的な態様及び利点は、添付図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、ダイシングストリートにより分離されている、互いに離間された複数の半導体デバイスを含むパターン付き半導体ワークピースの破断平面図である。
【図２】図２は、導電材料及びlow-k誘電材料の層に被覆された二酸化ケイ素下層を有する多層構造を含む、図１の半導体デバイスの断面図を示す拡大画像である。
【図３Ａ】図３Ａ及び図３Ｂは、図１の半導体デバイスを分離するように構成された２つの好ましいレーザスクライビング領域を示す、図１を修正した複製図である。
【図３Ｂ】図３Ａ及び図３Ｂは、図１の半導体デバイスを分離するように構成された２つの好ましいレーザスクライビング領域を示す、図１を修正した複製図である。
【図４Ａ】図４Ａは、シリコンウェハのレーザスクライビングを行った後のデブリ領域の電子顕微鏡写真の傾斜画像である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、スクライブされて図４Ａに示されるデブリ領域を生じる、シリコンウェハの多層構造を一般的に示す簡略化ブロック図である。
【図５】図５は、従来技術により、シリコン基板にスクライブ線をレーザスクライブすることにより生成されたデブリ領域の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、シリコン基板１６（図２）上に作られた多層構造１４（図２）を含み、ダイシングストリート１８により分離されている、互いに離間された複数の半導体デバイス１２（４つのデバイス１２の一部が図示されている）を含むシリコンウェハとして具現化されるパターン付き半導体ワークピース１０の破断平面図である。他の基板１６としては、ガラス、ストレインドシリコン、絶縁上シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、及びリン化インジウムが挙げられる。また、図１は、様々なアライメントターゲット２０と、ダイシングストリート１８内の領域を占有する他の犠牲テスト構造２２とを示している。
【０００９】
図２は、low-k誘電材料の層３４に囲まれた銅線３２の層に被覆された二酸化ケイ素下層３０を備えた多層構造又は多層スタック１４を含む半導体デバイス１２の断面図である。二酸化ケイ素層３０は、タングステン配線３６を囲んでいる。銅線３２とタングステン配線３６は、ダイシングストリート１８の中に延びている。銅線３２の層及びlow-k誘電材料の層３４は、熱機械的な強さが弱いという特性により特徴付けられ、したがって、二酸化ケイ素層３０と比較すると、多層スタック１４の機械的に弱い層３８を構成している。二酸化ケイ素層３０は、熱機械的な特性のほとんどすべてのカテゴリにおいてlow-k材料層よりも約１０倍優れているという点で、機械的に強いものである。これらの熱機械的特性には、中間層接着性、銅に対する接着性、熱安定性、引っ張り強さ、硬度、結合力、及びエッチング選択性が含まれる。多層スタック１４は、機械的に弱い層３８がシリコン基板１６から深さ方向に遠くに位置し、二酸化ケイ素層３０とその下に形成されたすべての層からなる熱機械的に強い層４０がシリコン基板１６に対して深さ方向により近くに位置するように作られる。
【００１０】
デブリの生成を微少にする、半導体ワークピース１０のレーザスクライビングは、時間的に間隔を空けたレーザパルスからなるパルスレーザビームを照射し、それらをダイシングストリート１８の１つに合わせ、半導体ワークピース１０の機械的に弱い上層３８に入射させることを伴う。このレーザパルスは、多層スタック１４の機械的に弱い上層３８が吸収し、機械的に強い下層４０が半導体ワークピース１０中を伝搬するレーザビームのエネルギーを伝達するように、波長、パルス幅、及びフルエンスにより特徴付けられる。二酸化ケイ素層３０は、機械的に弱い上層３８に対して層エネルギー透過ストップ層として機能する。
【００１１】
二酸化ケイ素層３０がレーザエネルギーストップ層として機能する理由は、二酸化ケイ素層３０がシリコン基板１６と熱接触しているからである。シリコン基板１６は、二酸化ケイ素ストップ層３０に対してヒートシンクとして作用し、その結果、レーザスクライビング中はそのままの状態を維持する。これに対して、弱い上層３８のスタックに含まれている１以上の二酸化ケイ素パシベーション層は、熱伝導性の悪い他の誘電材料に囲まれているので、二酸化ケイ素層３０とは異なる。これにより、弱い上層３８の一部を構成する二酸化ケイ素層内に発熱が生じ、レーザエネルギーによりそれらが除去される。
【００１２】
半導体ワークピース１０とダイシングストリート１８に合わされたパルスレーザビームとの間の相対運動を生じさせるレーザビーム位置決めシステム（図示せず）は、デブリの生成を微少にした、深さ方向における機械的に弱い上層３８の除去をもたらし、これにより、ダイシングストリート１８に沿った長手方向に延びる側界を有するレーザスクライブ領域を形成する。理解しやすいようにアライメントターゲットと犠牲テスト構造を取り除いた図１の複製図である図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明される２つの好ましい実施形態のうちのいずれかによれば、形成されたレーザスクライブ領域の側界は、レーザエネルギー透過ストップ層３０の露出部分によって規定される。
【００１３】
図３Ａは、第１の好ましい実施形態に係るレーザスクライブ領域であって、ダイシングストリート１８に沿って照射されたパルスレーザビームの１以上のパスにより切り込まれたチャネル４４の形態をしたレーザスクライブ領域を示している。チャネル４４は、チャネル幅を定義する距離４８だけ離れた側界４６を有している。レーザビームは、側界４６の間で機械的に弱い上層３８の材料を除去し、二酸化ケイ素層３０をレーザビームにより実質的に損傷されていないままの底部５０としたチャネル４４を形成する。位置決めステージ又は他の装置を使って機械鋸と半導体ワークピース１０との間でダイシングストリート１８に沿って長手方向に相対運動を生じさせることにより、半導体デバイス１２の分離が行われる。機械鋸が上層３０の機械的に弱い材料を切断せずにチャネル４４の両側に位置する半導体デバイス１２を分離するように、機械鋸はチャネル幅未満の厚さの鋸刃を有している。
【００１４】
図３Ｂは、第２の好ましい実施形態に係るレーザスクライブ領域５２であって、そのそれぞれの側界は、ダイシングストリート１８のサイドマージン５６に沿って照射されたパルスレーザビームの１以上のパスにより切り込まれたスクライブ線５４により形成されているレーザスクライブ領域５２を示すものである。スクライブ線５４は、レーザスクライブ領域切断幅を定義する距離５８を規定している。レーザビームは、機械的に弱い上層３８の材料を除去し、二酸化ケイ素層３０をレーザビームにより実質的に損傷されていないままの底部６０としたスクライブ線５４をそれぞれ形成する。機械的に弱い上層３８の材料は、スクライブ線５４とスクライブ線５４の間の空間に存在する。
【００１５】
位置決めステージ又は他の装置を使って機械鋸と半導体ワークピース１０との間でダイシングストリート１８に沿って長手方向に相対運動を生じさせることにより、半導体デバイスの分離が行われる。機械鋸が半導体デバイス１２の上層３０の機械的に弱い材料を分離時に切断しないように、機械鋸はレーザスクライブ領域切断幅５８の範囲内の厚さの鋸刃であるが、ダイシングストリート１８のサイドマージン５６のいずれかを超えることのない厚さの鋸刃を有している。機械鋸切断領域は、鋸刃位置のｘ−ｙ変動及び刃の撓みを考慮して、鋸刃の厚さより大きくなっている。鋸刃は、スクライブ線５４の中に切り込んでいく可能性があるが、サイドマージン５６の外側に切り込んでいくことはない。スクライブ線５４の両側にある弱い上層３８の材料の間には物理的な結合はなく、機械鋸は、サイドマージン５６の外側の弱い上層３８に損傷を与えることなく、レーザスクライブ領域５８の内側のいずれの箇所を切り込むことができる。
【００１６】
機械鋸を用いて切断すれば、ウェハ表面に溶着しない冷たい粒子状のデブリが相当量生じることは、当業者であれば理解できるであろう。そのようなデブリは、鋸引き後の浄化処理中に簡単に洗い流せる。また、機械鋸引きは、熱いスラグが形成される可能性を防ぐ水蒸気（時として液体潤滑剤が混ぜられる）の下で行われる。
【００１７】
図４Ａは、図３Ａに関連する第１の好ましい実施形態によるシリコンウェハ７２（図４Ｂ）のレーザスクライビングを行った後のデブリ領域７０の電子顕微鏡写真の傾斜画像である。図４Ｂは、シリコンウェハ７２の多層構造を一般的に示す簡略化ブロック図である。シリコンウェハ７２は、ブラックダイアモンド１のlow-k誘電体層３４に囲まれた０．５μｍ厚の銅線３２の層を含んでいる。銅線３２及び誘電体層３４は、５０ｎｍ厚のシリコンカーバイド層７６上に形成されており、このシリコンカーバイド層７６は、０．５μｍ厚のＴＥＯＳ二酸化ケイ素層３０上に形成されている。繰返し率２０ＫＨｚ、パワー２００ｍＷ、パルス幅約２０ｎｓ、走査速度２０ｍｍ／秒、スポット径３０μｍの丸形トップハット状の３５５μｍレーザビームの２つのパスでは、銅線３２及びlow-k誘電体層３４及び７６の機械的に弱い層３８のみが除去された。二酸化ケイ素層３０を含む機械的に強い下層４０は切断されずに残り、機械鋸がシンギュレーション工程を完了した。図４Ａは、上述した工程が、レーザスクライビング工程により生じるデブリやスラグを著しく削減していることを示している。また、図４Ａは、チャネル４４の底部５０が非常に平坦であることも示している。チャネル底部５０の平坦性は、半導体デバイス１２の製造中に成膜されたときの二酸化ケイ素層３０の平坦性に関係している。ここで開示された工程は、弱い上層３８の材料を底部の二酸化ケイ素層３０まで除去するので、チャネル底部５０は、レーザスクライビング工程の開始時の二酸化ケイ素層３０と同じくらい平坦である。
【００１８】
図５は、従来技術による、シリコン基板８４内にスクライブ線８２をレーザスクライブすることにより生成されたデブリ領域８０の電子顕微鏡写真である。基板８４をレーザスクライブすることにより生成されたデブリは、スクライブ線８２の両側に数百ミクロンにわたって延びている。
【００１９】
一般的に、開示された技術によるレーザスクライビングの後に、酸化シリコンストップ層が完全に又はほぼ損傷を受けていないように、レーザ波長、パルス幅、及びフルエンスを選択することができる。この結果、チャネル底部は酸化シリコンストップ層と一致する。これはおそらく、レーザパラメータを適切に選択することにより、レーザに対して酸化シリコン材料は透過的になるが、金属及びlow-k構造はそうではないからである。
【００２０】
酸化シリコンストップ層をスクライブするために必要とされる正確なレーザパラメータは、装置に依存する。必要とされるレーザパラメータは、半導体デバイスの多層構造の異なる層の組成、配位、及び厚さに依存する。任意の半導体ワークピース１０に対して、酸化シリコンストップ層に至るまでのスクライビング用プロセスウィンドウを規定するレーザパラメータの範囲がある。典型的には、波長、スポットサイズ、スポット形状、及び繰返し率のパラメータは固定され、レーザパワー、スクライブ速度、及びスクライブパスの数は、酸化物までスクライブするプロセスウィンドウが現れるまで変化させる。得られるプロセスウィンドウが小さすぎる場合は、スポットサイズ、スポット形状、繰返し率、又はレーザ波長を必要に応じて調整し、工程を改善する。下記表１は、そのパラメータ範囲を要約したものである。
【００２１】
【表１】
0005922642.tif 000002
【００２２】
切断、除去、又は処理される個々の半導体材料層の厚さは、０．５ｎｍから１０，０００ｎｍである。層数は、１から５０である（二酸化ケイ素ストップ層３０を除く）。レーザビームにより切断、除去、又は処理される半導体材料層は、次の材料のうち１以上の材料を含んでいる。
ａ）誘電材料であるＳｉＯ2（二酸化ケイ素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）、シリコンカーバイド、窒酸化ケイ素、窒化タンタル、酸化タンタル；
ｂ）シリコン、酸素、窒素、炭素、水素、及びフッ素のうちの２つ以上の任意の組み合わせからなる誘電材料。これらの誘電材料はlow-k材料を含むであろう。これらの元素のうちいずれが選択されるかによって、誘電材料の個々の化学結合は、「ダングリングボンド」に加え、Ｃ−Ｃ、Ｃ＝Ｃ、Ｃ  Ｃ、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｈ、Ｏ−Ｈ、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝０、Ｃ−Ｎ、Ｃ＝Ｎ、Ｃ≡Ｎとなるであろう；
ｃ）上記ａ）及びｂ）に挙げた誘電材料であって、材料の誘電率を下げるような多孔構造を有するもの（例えば、キセロゲルやエーロゲル）；
ｄ）銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、及び白金（Ｐｔ）からなる金属層（これらの材料上の表面酸化物を含む）；及び
ｅ）ポリシリコン及びシリコン。
【００２３】
下記は、レーザにより切断されるであろうすべてのlow-k材料のリストである。
ａ）以下の３つの会社により製造又はライセンスされる市販の任意のlow-k誘電材料：
（i）アプライドマテリアル社のブラックダイアモンド１TM、ブラックダイアモンド２TM、及びＢＬＯｋTM
（ii）ノベラス社のＣｏｒａｌTM
（iii）ＡＳＭインターナショナル社のＡｕｒｏｒａTM
ｂ）「炭素添加酸化シリコン」又は「フッ素添加酸化シリコン」のカテゴリに属するlow-k誘電材料。これらの材料は、次の元素のうち２つ以上の任意の組み合わせからなる化学量論組成を有している：シリコン、酸素、窒素、炭素、水素、及びフッ素。元素間の結合は、元素により、単結合、二重結合、又は三重結合とすることができる。すなわち、「ダングリングボンド」に加え、Ｃ−Ｃ、Ｃ＝Ｃ、Ｃ  Ｃ、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｈ、Ｏ−Ｈ、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝０、Ｃ−Ｎ、Ｃ＝Ｎ、Ｃ≡Ｎとすることができる；
ｃ）ダウケミカル社のＳｉＬＫTMのようなスピンオン高分子low-k誘電体、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン、ＰＴＦＥ（テフロンTM）、及びＰＦＡ、高分子誘電材料ベースのシリコーン、水素化シルセスキオキサン（ＨＳＱ）及びメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）などのテフロンTMのような材料；及び
ｄ）上記に挙げた誘電材料であって、材料誘電率を下げるような多孔構造を有するもの。
【００２４】
本発明の基礎をなす原則から逸脱することなく上述した実施形態の詳細に対して多くの変更をなし得ることは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ画定されるべきである。
【図１】
0005922642.tif 000003
【図２】
0005922642.tif 000004
【図３Ａ】
0005922642.tif 000005
【図３Ｂ】
0005922642.tif 000006
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0005922642.tif 000008
【図５】
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