專利名稱：使用短脈沖紅外激光刻劃晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及激光切割或刻劃，特別涉及使用q開關(guān)激光來刻劃完成的半導(dǎo) 體晶片以降低或消除碎屑和裂縫的方法。
背景技術(shù)：
集成電路(IC)通常制造在半導(dǎo)體基板之上或之中的數(shù)組中。IC通常包 含形成在基板上的許多層?？梢允褂脵C械鋸子或激光沿著刻劃線或道(street) 而使一個或多個層被移除。在刻劃后，使用鋸子或激光來使電^^構(gòu)件彼此分離， 基板可以被切穿，有時候也被稱作分切(dicing)。具有連續(xù)的機械鋸子的激光 刻劃的組合也是用來分切。
然而，常用的機械切割或激光切割方法并不非常適合用來刻劃許多預(yù)先完 成好的芯片(例如，隔離層或封裝層和/或低k介電質(zhì)層)。在圖1A至圖1C 中，圖1B是使用常用鋸子來在完成的晶片114、 116、 118中切割邊緣110、 112、 113的電子顯微照片。如所顯示，完成的晶片的接近的邊緣110、 112、 113被切削或斷裂。相對較低的密度、缺少機械強度以及對熱應(yīng)力的敏感度， 使得低k介電質(zhì)材料對應(yīng)力非常敏感。周知的是，常用的機械晶片分切與刻劃 技術(shù)造成低k材料的破裂、裂縫以及其它類型的缺陷，因此破壞IC組件。為 了減少此類問題，則需降低切割速度。然而，此嚴(yán)重地降低了生產(chǎn)率。
激光刻劃技術(shù)具有許多勝過機械鋸子的優(yōu)點。然而，熟知的激光技術(shù)會產(chǎn) 生過量的熱以及^5卒片。過量的熱擴散會造成熱影響區(qū)、重鑄氧化層、過量的碎 片以及其它問題。裂縫會形成在熱影響區(qū)中，并會降低半導(dǎo)體晶片的晶粒破碎 強度(die break strength )。因此，可靠性和產(chǎn)量降低。再者，碎片分散遍及半 導(dǎo)體材料的表面各處，且會，舉例來說，污染連接墊(bond pad)。此外，常 用激光切割剖面會遭受激光噴濺出的材料的槽溝回填。當(dāng)晶片的厚度增加，此 回填會變得更嚴(yán)重并降低分切的速度。再者，在許多過程條件中，對于許多材料，噴濺出的回填材料會比起最初的目標(biāo)材料更難以在隨后的過程中被除去。 因此，如果產(chǎn)生低質(zhì)量的切割就會破壞IC組件且需要對基板上的組件進(jìn)行的 額外的清潔和/或廣泛分離。
常用激光切割技術(shù)包含，舉例來說，使用具有波長在中紅外線范圍的連續(xù)
波(continuous wave; CW)C02激光。然而，此CW激光難以聚焦且通常需 要高能量來燒蝕IC處理材料。因此，產(chǎn)生過量熱與碎片。脈沖C02激光也已 經(jīng)被用來刻劃。然而，此刻劃技術(shù)通常用在微秒范圍的長脈沖。因此，長脈沖 產(chǎn)生低峰值功率且每脈沖的高能量用來燒蝕材料。因此，長脈沖允許過量的熱 擴散，從而造成熱影響區(qū)、重鑄氧化層、過量的碎片、碎屑和裂縫。
另一個常用激光刻劃技術(shù)包含例如使用具有范圍從大約1064納米至大約 266納米的波長。然而，外部的鈍化和/或封裝層通常對于該些波長是部分地透 明。舉例來i^L,在這些波長的脈沖的第一部分可以穿過上部^/f匕層和/或封裝 層而不被燒蝕。因此，在上部鈍化層和/或封裝層會被激光燒蝕之前，隨后的 激光可以加熱或激增。這樣造成鈍化層和/或封裝層得以削去或^C裂和散布碎 片。圖2A和2B是使用常用具有在皮秒范圍的脈沖寬度的高斯激光脈沖所在 晶片214、 216刻劃的截口210、 212的電子顯微照片。如圖所示，晶片214、 216靠近截口 210、 212的邊緣是被切削和破裂的。
因此，降低或消除碎屑、裂縫及碎片與增加生產(chǎn)率并改善切 割表面或截口 質(zhì)量的激光切割方法是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供激光刻劃完成的晶片的方法，以有效率地?zé)g鈍化層和/或封 裝層，同時降低或消除在鈍化層和/或封裝層的碎屑和裂縫。短激光脈沖是用 來提供高峰值功率和降低燒蝕閾值。在一個具體實施例中，是通過q開關(guān)的
C02激光執(zhí)行刻劃。
在一個具體實施例中，提供具有復(fù)數(shù)個集成電路形成在其中或其上的基板 的刻劃的方法。集成電路是以一個或多個道而分離。該方法包含產(chǎn)生一個或多 個具有波長和脈沖寬度持續(xù)期間的激光脈沖。選擇波長，使得一個或多個脈沖 是實質(zhì)上被目標(biāo)材料所吸收，該目標(biāo)材料包含形成在基板上的鈍化層和封裝層中的至少一個。更進(jìn)一步選擇波長，使得基板對一個或多個脈沖是實質(zhì)上透明 的。選擇脈沖寬度持續(xù)期間，以降低目標(biāo)材料的燒蝕閾值。
在另一個具體實施例中，提供刻劃半導(dǎo)體晶片的方法。該方法包含以一個 或多個脈沖(該脈沖具有大約在9微米至大約11微米之間的波長范圍)燒蝕 形成在半導(dǎo)體晶片上的一個或多個層的部份。一個或多個激光脈沖具有在大約
130納秒至170納秒之間的脈沖寬度持續(xù)期間。在一個具體實施例中，半導(dǎo)體 晶片包含硅。在另一個具體實施例中，半導(dǎo)體晶片包含鍺。
繼續(xù)展開。


圖1A-1C是使用常用機械鋸子來在完成的晶片中切割的截口的電子顯微 照片。
圖2A和2B是使用具有波長分別大約在1064納米和355納米的激光在完 成的晶片上刻劃的截口的電子顯微照片。
圖4A和4B是解釋根據(jù)常用激光刻劃技術(shù)的圖3所處理的工件的概略側(cè) 視圖。
圖5A和5B是解釋根據(jù)本發(fā)明特定具體實施例的圖3以q開關(guān)(302激光 所刻劃的工件的概略側(cè)視圖。
圖6A-6C是根據(jù)本發(fā)明的特定具體實施例，使用q開關(guān)C02激光刻劃穿 過鈍化層/封裝層的截口的電子顯微照片。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的特定具體實施例，使用q開關(guān)C02激光和高斯皮秒 脈沖激光射束刻劃穿過鈍化/封裝層的截口的電子顯微照片。
具體實施例方式
材料吸收激光能量的能力決定該能量可以執(zhí)行燒蝕的深度。燒蝕深度是由 材料的吸收深度和材料的蒸發(fā)熱度來決定。通過控制例如波長、脈沖寬度持續(xù)
6期間、脈沖重復(fù)頻率以及射束質(zhì)量的參數(shù)，來改善切割速度和切割表面或截口 的質(zhì)量。在一個具體實施例中，選擇這些參數(shù)中的一個或多個，以增加在鈍化 層和/或封裝層外部的能量燒蝕并降低要求來燒蝕鈍化層/封裝層和/或額外層 (在此指的是「燒蝕閾值J)的能量密度的量(通常以焦耳/平方厘米來測量)。 因此，可以降低或消除沉積進(jìn)入材料的過量的能量總量。再者，使用較低能量 密度減少或消除重鑄氧化層、熱影響區(qū)、碎屑、裂縫以及碎片。因此，提高了 晶粒破碎強度且所需的后激光清潔總量下降。
在一個具體實施例中，激光脈沖具有范圍在大約9微米至大約ll微米的
波長，其用來刻劃完成的半導(dǎo)體晶片。在這些波長中，建構(gòu)鈍化層和封裝層以 吸收很大一部份的脈沖能量。因此，鈍化層和封裝層是在破裂和炸開(因為較 低層的燒蝕)前被燒蝕。再者，硅基板在這些波長中吸收很少的脈沖能量。因 此，非常少或是沒有基板熱到可以造成破裂。
激光脈沖具有范圍在大約130納秒至大約170納秒之間的短脈沖寬度。在 一個具體實施例中，q開關(guān)的C02激光是用來產(chǎn)生激光脈沖。技術(shù)人員將會了 解的是，q開關(guān)是通過調(diào)整激光孔穴的質(zhì)量因子而用來從激光得到有力的短脈 沖的技術(shù)。使用q開關(guān)的短脈沖C02激光在晶片刻劃和晶片分切處理期間消 除或明顯地降低碎屑和裂縫。
選擇短脈沖寬度以提供比連續(xù)波(CW )脈沖的短脈沖寬度或長脈沖寬度 更高的峰值能量。Mourou等人的美國專利第5,656,186號教示了材料的燒蝕闊 值是激光脈沖寬度的函數(shù)。與短脈沖寬度的燒蝕閾值相比，CW脈沖或具有長 脈沖寬度(例如在微秒范圍)的脈沖通常需要較高的燒蝕閾值。較短的脈沖 增加了峰值功率且降低了熱導(dǎo)。因此，使用短脈沖刻劃完成的晶片是更有效率 的。這項結(jié)果是較快的刻劃處理。
為了方便性來說，術(shù)語"切割"通常會用來包含刻劃(并沒有穿透目標(biāo)工 件的整個深度而切割)及切穿，其包含切成薄片(通常與晶柱分離有關(guān))或分 切(dicing)(通常與由晶柱分割成部份有關(guān))。切成薄片或分切在本發(fā)明文中 是可互換使用的。
現(xiàn)在參考附圖，其附圖中相似的參考數(shù)字代表相似的組件。未來清楚地說 明，參考數(shù)字的第一位數(shù)字指的是附圖的編號，其中相對應(yīng)組件最先被使用。
7在接下來的描述中，會提供數(shù)字特定的細(xì)節(jié)，以完全了解在此揭示的具體實施 例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會了解到本發(fā)明可以被實施而不需一個或多個的 特定細(xì)節(jié)或其它方法、構(gòu)件或材料。更進(jìn)一步地，在某些情況下，未顯示或詳 細(xì)敘述所熟知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以避免模糊本發(fā)明的觀念。再者，所述的 特征、結(jié)構(gòu)或特性會結(jié)合在任何適合的一個或多個具體實施例的方法中。
視圖。工件300包含形成在基板314上的第一層302、第二層304、第三層306、 第四層308、第五層310及第六層312。如技術(shù)人員將會了解的是，層302、 304、 306、 308、 310、 312會包含以絕緣層(包含低k介電質(zhì)層)所分離的互 連層，以形成電子電^各。在此范例中，上方兩個層302、 304形成鈍化層和封 裝層。舉例來說，第一層302可以包含二氧化硅(Si02)，且第二層304可以 包含氮化硅(SiYNx )。舉例來說，第二層304可以包含Si3N4。技術(shù)人員將會 了解的是，其它材料可以用來形成鈍化層和/或封裝層。
在此范例中，第三層306包含金屬(例如Cu或Al),第四層308包含 介電質(zhì)(例如SiN)，第五層310包含金屬(例如Cu或Al)，且第六層312 包含低k介電質(zhì)(例如SiN )。舉例來說，低k介電材料可以包含無機材料(例 如SiOF或SiOB)或有機材料(例如聚酰亞胺基(polyimide-based)或聚 對二曱苯基(parylene-based)的聚合物)。技術(shù)人員將會了解的是，所討論的 層306、 308、 310、 312的材料僅僅是舉例且也可以使用其它形式。再者，技 術(shù)人員將會了解的是，較多層或較少層可以被用在特定IC。如所顯示，基板 314包含硅(Si)。然而，技術(shù)人員也將會了解的是，其它在IC制造有用的材 料可以使用在基板314,舉例來說，包含玻璃、聚合物、金屬、組合物以及其 它材料。舉例來說，基板314可以包含F(xiàn)R4。
如上所述，層302、 304、 306、 308、 310、 312形成電子電路。各個電路 通過線或道316 (在圖3顯示成兩條垂直破折線)而彼此分離。為了產(chǎn)生單個 的IC，延著道316刻劃、切穿(或兩者皆使用)工件300。在特定具體實施例 中，通過以激光脈沖射束來燒蝕一個或多個層302、 304、 306、 308、 310、 312 以刻劃工件300。有利地，在此所述的激光刻劃處理在道316的區(qū)域中產(chǎn)生具 有實質(zhì)上一致的側(cè)壁的干凈截口 ，且在道316的區(qū)域外僅具有一點或沒有裂縫或碎屑，該裂縫或碎屑在典型激光刻劃處理是常見的。
舉例來說，圖4A和4B是解釋根據(jù)常用激光刻劃技術(shù)的圖3所處理的工 件300的概略側(cè)視圖。圖4A顯示激光脈沖能量402 (即，范圍從大約1064納 米至大約266納米的波長)穿過鈍化層/封裝層302、 304,而僅有一點或沒有 燒蝕。更確切的說，在第三層306的區(qū)域406中吸收激光脈沖能量402，其造 成區(qū)域406溫度上升。最終，熱造成區(qū)域406燒蝕或爆炸。因此，部分的層 302、 304是被炸掉的。圖4B大略地解釋由爆炸所產(chǎn)生的截口 408。截口 408 不具有一致的側(cè)壁并延伸(以碎屑)至道區(qū)域316的外部，其會破壞IC。如
上所述，圖2A和2B解釋此類碎屑。
圖5A和5B是解釋根據(jù)本發(fā)明特定具體實施例的圖3以q開關(guān)032激光 所刻劃的工件300的概略側(cè)視圖。C02激光提供包含一系列激光脈沖的激光射 束，其激光具有范圍在大約9微米至大約11微米之間的波長，且脈沖寬度持 續(xù)期間的范圍在大約130納秒至大約170納秒之間。
建構(gòu)鈍化層/封裝層302、 304以吸收由C02激光所產(chǎn)生的脈沖的能量。更 進(jìn)一步，短脈沖具有高峰值能量，其可以快速且有效率地?zé)g鈍化層/封裝層 302、 304，以產(chǎn)生干凈的具有實質(zhì)上一致的側(cè)壁的截口。此外，硅基板314 對由C02激光所產(chǎn)生的脈沖波長來說是實質(zhì)上透明的。因此，基板314吸收
一點或沒有吸收由C02激光所產(chǎn)生的脈沖能量且只經(jīng)受一點或沒有經(jīng)受熱。
如圖5A所示，在一個具體實施例中，C02激光是通過燒蝕鈍化層/封裝層 302、 304來刻劃工件300,以在道316的區(qū)域中造成截口 502。截口 502具有 實質(zhì)上一致的側(cè)壁與實質(zhì)上平坦的底部。在一些具體實施例中，由C02激光 所產(chǎn)生的波長在燒蝕鈍化層/封裝層302、 304時，并不像在燒蝕金屬時有效率 (舉例來說，層306、 310)。因此，如圖5A所示的具體實施例，C02激光僅 用來燒蝕鈍化層/封裝層302、 304。
可以使用常用鋸子或激光刻劃技術(shù)來刻劃剩余層306、 308、 310、 312。 舉例來說，可以使用在皮秒范圍的近紅外線脈沖來刻劃層306、 308、 310、 312。 也可以使用常用鋸子和激光燒蝕技術(shù)來分切基板314。舉例來說，具有大約266 納米波長的激光可以用來有效率且干凈地分切基板314。
如圖5B所示，在另一個具體實施例中，C02激光是通過燒蝕層302、 304、306、 308、 310、 312來刻劃工件300，以在道316的區(qū)域中造成截口 504。再 次地，截口 504具有實質(zhì)上一致的側(cè)壁與實質(zhì)上平坦的底部。雖然大約9微米 至大約11微米之間的波長范圍在燒蝕金屬上是較無效率的，但他們?nèi)钥稍谧?夠的加熱之后燒蝕金屬。因此，在如圖5B所顯示的具體實施例，在此所討論 的C02激光可以用來當(dāng)成單一處理，以產(chǎn)生從第一層302的上部表面延伸至 基板314的上部表面的截口 504。如上所述，硅基版對范圍在大約9微米至大 約11微米之間的波長來說實質(zhì)上是透明的。因此，使用C02激光分切基板314 是非常沒有效率的。因此，在刻劃之后，基板314可以使用常用鋸子或是激光 燒蝕技術(shù)來分切。
圖6A-6C是根據(jù)本發(fā)明的特定具體實施例，使用q開關(guān)C02激光刻劃穿 過鈍化層/封裝層的截口 610、 612、 614的電子顯孩i照片。如上所述，C02激 光所產(chǎn)生的激光脈沖具有大約在9微米至大約1H效米之間的波長范圍，且具 有在大約130納秒至170納秒之間的脈沖寬度持續(xù)期間。在圖6A-6C中，可 以發(fā)現(xiàn)的是，只有一點或完全沒有碎屑、裂縫或污染物。因此，達(dá)成了較高的 晶粒破碎強度和整體處理生產(chǎn)量。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，使用q開關(guān)C02激光和高斯皮秒脈沖 激光射束刻劃完成的半導(dǎo)體晶片708的電子顯微照片。如圖7所示，q開關(guān) C02激光在完成的晶片708的鈍化層/封裝層刻劃第一截口 710。接著，高斯皮 秒脈沖激光射束穿過完成的晶片708的額外層刻劃第二截口 712。針對解釋性 的目的，第二截口 712也延伸越過在區(qū)域714的第一截口 710。其中完成的晶 片708首先是以q開關(guān)C02激光刻劃，截口710、 712具有平滑的邊緣并產(chǎn)生 一點或不產(chǎn)生裂縫。然而，在不使用q開關(guān)C02激光的區(qū)域714中，高斯皮 秒脈沖激光在鈍化層/封裝層產(chǎn)生裂縫。
對于擅長此技術(shù)的人是明顯的，對于上述具體實施例的細(xì)節(jié)，許多改變可 以被實現(xiàn)，而不背離本發(fā)明的基本原則。因此，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)該僅能被下述 的權(quán)利要求書的范圍所決定。
權(quán)利要求
1.一種具有復(fù)數(shù)個集成電路形成在其中或其上的基板的刻劃的方法，該集成電路是以一個或多個道而分離，該方法包括產(chǎn)生一個或多個具有波長和脈沖寬度持續(xù)期間的激光脈沖；其中選擇波長，使得一個或多個脈沖是實質(zhì)上被目標(biāo)材料所吸收，該目標(biāo)材料包含形成在基板上的鈍化層和封裝層中的至少一個；其中更進(jìn)一步地選擇波長，使得基板對一個或多個脈沖是實質(zhì)上透明的；以及其中選擇脈沖寬度持續(xù)期間，以降低目標(biāo)材料的燒蝕閾值。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，更進(jìn)一步包括以C02激光產(chǎn)生一個或多個 激光脈沖。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，更進(jìn)一步包括q開關(guān)C02激光。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中波長范圍是在大約9微米至大約11微 米之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中脈沖寬度持續(xù)期間范圍是在大約130 納秒至大約170納秒之間。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中鈍化層和封裝層的至少一個包含二氧 化硅。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中鈍化層和封裝層的至少一個包含氮化硅。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中基板包含硅。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，更進(jìn)一步包括以一個或多個激光脈沖燒蝕 形成在基板之上的部份金屬層。
10. —種集成電路，其根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法刻劃。
11. 一種刻劃半導(dǎo)體晶片的方法，該方法包括以一個或多個脈沖燒蝕形成在半導(dǎo)體晶片上的一個或多個層的部份，該脈 沖具有大約在9微米至大約11微米之間的波長范圍；持續(xù)期間。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中一個或多個層包含鈍化層和封裝層中 的至少一個。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中鈍化層和封裝層的至少一個包含二氧化硅。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中鈍化層和封裝層的至少一個包含氮化硅。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，更進(jìn)一步包括使用C02激光產(chǎn)生一個或多 個激光脈沖。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，更進(jìn)一步包括q開關(guān)C02激光。
17. 如權(quán)利要求11所述的方法，更進(jìn)一步包括以一個或多個激光脈沖燒蝕 部份金屬層。
18. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中半導(dǎo)體晶片對一個或多個脈沖是實質(zhì) 上透明的。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中半導(dǎo)體晶片包含硅。
20. —種集成電路，其根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法刻劃。
全文摘要
本發(fā)明對刻劃晶片(300)提供高效率地?zé)g鈍化層和/或封裝層(302，304)的系統(tǒng)和方法，同時降低或消除在鈍化層和/或封裝層(302，304)的碎屑和裂縫。短激光脈沖是用來提供高峰值功率和降低燒蝕閾值。在一個具體實施例中，是通過q開關(guān)的CO₂激光執(zhí)行刻劃。
文檔編號H01L21/78GK101681876SQ200780025957
公開日2010年3月24日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者彼得·皮羅高斯奇, 詹姆士·N.·歐布萊恩 申請人:伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司