本發(fā)明涉及用于3D集成電路芯片的生產(chǎn)的單片化(singulation)方法。

背景技術(shù)：

在以晶圓水平進(jìn)行生產(chǎn)的3D集成電路的制造中，通過(guò)結(jié)合完整的半導(dǎo)體晶圓[各晶圓在表面具有多個(gè)管芯(die)]以形成晶圓堆疊體、然后將堆疊體單片化為分離的3D芯片(3D chip)而組裝了3D堆疊體中的管芯。使用標(biāo)準(zhǔn)切割方法(例如激光切割或刀片切割)將晶圓堆疊體單片化是特別具有挑戰(zhàn)性的。一個(gè)具體問(wèn)題在于，應(yīng)用于現(xiàn)有集成電路的低k和超低k介電質(zhì)越來(lái)越多孔化和脆弱。另外，標(biāo)準(zhǔn)切割方法需要相對(duì)較寬的切割槽(dicing street)，即，相鄰管芯的有源區(qū)域之間需要大面積區(qū)域以避免損壞管芯。其結(jié)果是，大量的晶圓表面積被浪費(fèi)。

已經(jīng)描述了借助于等離子體蝕刻的單片化方法來(lái)使單個(gè)晶圓單片化。但是，在晶圓堆疊體中，所述單片化需要使用不同的蝕刻工具來(lái)依次實(shí)施多個(gè)蝕刻工序，將會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的工藝和低產(chǎn)量。采用單個(gè)蝕刻工具也同樣存在問(wèn)題，因?yàn)殡y以發(fā)現(xiàn)適合蝕刻晶圓堆疊體中存在的多種材料的工具和/或蝕刻工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及用于將所附權(quán)利要求中所述的半導(dǎo)體晶圓堆疊體單片化的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，將多個(gè)晶圓結(jié)合以形成晶圓堆疊體，所述晶圓各自包含多個(gè)集成電路管芯。該堆疊體中，通過(guò)現(xiàn)有的直接結(jié)合技術(shù)將管芯結(jié)合在一起。根據(jù)本發(fā)明，在各個(gè)結(jié)合步驟之前，沿著所要結(jié)合的兩個(gè)管芯的周界制作單片化槽(singulation street)，以達(dá)到下述程度：在圍繞管芯的中心有源部分的區(qū)域中，從所要結(jié)合的表面移除半導(dǎo)體基材材料之外的所有材料。優(yōu)選通過(guò)光刻和蝕刻步驟來(lái)完成該過(guò)程，穿過(guò)材料向下蝕刻直至到達(dá)基材部分。在結(jié)合步驟中，直接結(jié)合的表面上的單片化槽相互對(duì)齊，且堆疊體中的所有單片化槽相互之間同樣地對(duì)齊。在制作例如凸起或支柱的接觸結(jié)構(gòu)后，在堆疊體的頂層制作額外的單片化槽，其與之前制作的單片化槽對(duì)齊。通過(guò)單個(gè)蝕刻步驟可實(shí)現(xiàn)管芯堆疊體從晶圓堆疊體的分離，其中將與對(duì)齊的單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中的堆疊體基材材料移除。

本發(fā)明特別涉及用于生產(chǎn)晶圓堆疊體并將該堆疊體單片化的方法，晶圓堆疊體的各晶圓包括一個(gè)或多個(gè)集成電路管芯，且各晶圓包括半導(dǎo)體基材和位于基材的至少一側(cè)上的功能層，所述管芯由功能層的劃定部分和基材的劃定部分進(jìn)行限定，其中，晶圓堆疊體由以下步驟制造：

·將第一晶圓與第二晶圓直接結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)步驟，其中，第一晶圓的一個(gè)或多個(gè)管芯的功能層部分分別與第二晶圓的一個(gè)或多個(gè)管芯的功能層部分結(jié)合，從而形成包括一個(gè)或多個(gè)結(jié)合管芯堆疊體的晶圓堆疊體，和

·直接結(jié)合步驟之后，在晶圓堆疊體上形成頂層，所述頂層包括位于結(jié)合管芯堆疊體頂部且與下層的結(jié)合管芯堆疊體電連接的一個(gè)或多個(gè)接觸結(jié)構(gòu)，

且其中：

·在各個(gè)直接結(jié)合步驟之前，在所要結(jié)合在一起的兩個(gè)晶圓的相向的表面上制作中間單片化槽，其中從相向面的圍住管芯的中心部分的區(qū)域中移除功能層的材料。中心部分包含在劃定部分的邊界內(nèi)。中心部分至少包括管芯的有源部分(即包含管芯的所有有源組件和電路的部分)，

·在各個(gè)直接結(jié)合步驟之前，該方法包括使所要結(jié)合的兩個(gè)晶圓的相向表面的中間單片化槽對(duì)齊的步驟，

·晶圓堆疊體中形成的結(jié)合管芯堆疊體中的所有中間單片化槽之間相互對(duì)齊，

·在制造了晶圓堆疊體的頂層后，在晶圓堆疊體中形成的管芯的各堆疊體的頂層中制作上部單片化槽，其中，從頂層的區(qū)域移除頂層的材料，上部單片化槽與之前制作的中間單片化槽對(duì)齊，

·通過(guò)在與對(duì)齊的中間和上部單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中對(duì)晶圓堆疊體的半導(dǎo)體基材進(jìn)行蝕刻而使晶圓堆疊體單片化，從而得到了一個(gè)或多個(gè)單片化的管芯堆疊體。

根據(jù)一種實(shí)施方式，通過(guò)光刻和蝕刻工藝制作中間單片化槽，且光刻和蝕刻工藝所移除的區(qū)域中不存在金屬材料。

根據(jù)一種實(shí)施方式，通過(guò)光刻和蝕刻工藝制作上部單片化槽，且光刻和蝕刻工藝所移除的頂層區(qū)域中不存在金屬材料。

根據(jù)一種實(shí)施方式，將光刻掩模施加于頂層，且通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體基材進(jìn)行蝕刻而將晶圓堆疊體單片化時(shí)，掩模仍然存在于頂層上。

根據(jù)一種實(shí)施方式，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體基材的與單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中的半導(dǎo)體材料實(shí)施單個(gè)各向異性蝕刻步驟而完成了晶圓堆疊體的單片化步驟。

根據(jù)一種實(shí)施方式，在制作了上部單片化槽后，將晶圓堆疊體轉(zhuǎn)移至背磨膠帶，之后將晶圓堆疊體薄化，然后轉(zhuǎn)移至切割膠帶，并在晶圓堆疊體粘接于切割膠帶的同時(shí)，通過(guò)對(duì)基材的與對(duì)齊的中間和上部單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中的所有半導(dǎo)體材料進(jìn)行蝕刻而得到了單片化管芯堆疊體。

根據(jù)一種實(shí)施方式，在制作了上部單片化槽后，對(duì)半導(dǎo)體基材的與對(duì)齊的中間和上部單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中的半導(dǎo)體材料進(jìn)行蝕刻，從而從堆疊體中除底部基材之外的每個(gè)基材中完全移除所述半導(dǎo)體材料，并從底部基材中移除所述材料至預(yù)定深度，之后將堆疊體轉(zhuǎn)移至背磨膠帶，并將晶圓堆疊體薄化，直到獲得一個(gè)或多個(gè)單片化管芯堆疊體。

根據(jù)一種實(shí)施方式，管芯具有多邊形表面區(qū)域，且中間和上部單片化槽具有與所述表面區(qū)域的邊界平行的邊，單片化槽為弧形的角部區(qū)域除外。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施方式，管芯在晶圓上形成相鄰多邊形區(qū)域的陣列，且中間和上部單片化槽的邊的至少一部分與兩個(gè)相鄰管芯之間的邊界重疊。例如，單片化槽的邊與邊界(邊界兩側(cè)之間的角部除外，此處單片化槽是弧形的)重疊。

根據(jù)一種實(shí)施方式，所要結(jié)合的管芯包括管芯密封圈，且其中，中間單片化槽在管芯密封圈外圍且與其同心。

根據(jù)一種實(shí)施方式，中間和上部單片化槽的寬度為5-15微米。根據(jù)一種實(shí)施方式，接觸結(jié)構(gòu)包括接觸凸起或支柱。

所述方法可進(jìn)一步包括形成完全穿過(guò)或部分穿過(guò)各個(gè)結(jié)合管芯堆疊體的一個(gè)或多個(gè)連接結(jié)構(gòu)，以將一個(gè)或多個(gè)功能層部分與頂層電連接。

根據(jù)一種實(shí)施方式，第一直接結(jié)合步驟在兩個(gè)單獨(dú)的晶圓之間進(jìn)行，以形成第一堆疊體，且各個(gè)后續(xù)的直接結(jié)合步驟在單獨(dú)的晶圓和之前制備的堆疊體的晶圓之間進(jìn)行。

根據(jù)一種實(shí)施方式，至少一個(gè)直接結(jié)合步驟在第一堆疊體的晶圓和第二堆疊體的晶圓之間進(jìn)行，所述第一和第二堆疊體已由前述直接結(jié)合步驟制得。

附圖說(shuō)明

圖1示出了半導(dǎo)體晶圓表面的一部分，其包括集成電路管芯的陣列。

圖2示出了在兩個(gè)晶圓上制作的兩個(gè)管芯的截面，所述兩個(gè)晶圓將通過(guò)直接結(jié)合而結(jié)合。

圖3示出了結(jié)合之前的兩個(gè)管芯上中間單片化槽的制作。

圖4和圖5分別示出了結(jié)合工序和兩晶圓結(jié)合的晶圓組件中上部晶圓的薄化。

圖6示出了用于完成晶圓堆疊體的半導(dǎo)體穿孔(TSV)和接觸結(jié)構(gòu)的制作。

圖7a和7b示出了堆疊體頂層上的上部單片化槽的制作。

圖8-11示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的管芯堆疊體從晶圓堆疊體的最終分離。

圖12-14示出了根據(jù)第二實(shí)施方式的管芯堆疊體從晶圓堆疊體的分離。

圖15示出了應(yīng)用于多于兩個(gè)晶圓的堆疊體的本發(fā)明的方法。

圖16a示出了本發(fā)明的方法中施加的單片化槽的位置，如多個(gè)管芯上所觀察到的。圖16b示出了一個(gè)實(shí)施方式中的單片化槽的位置，其中，單片化槽與相鄰管芯之間的邊界重疊。

發(fā)明詳述

在附圖中說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的方法，該方法用于生產(chǎn)兩個(gè)直接結(jié)合的晶圓的堆疊體并切割堆疊體以形成分離的3D管芯。該方法不受限于堆疊的晶圓的數(shù)量，也可應(yīng)用于多于兩個(gè)晶圓的堆疊體。除非另有說(shuō)明，本發(fā)明不局限于附圖所示或描述的任何細(xì)節(jié)。附圖用于說(shuō)明本發(fā)明的方法。附圖中的各個(gè)組件和層不是按比例繪制的。

圖1示出了集成電路管芯2的(部分)陣列的圖像，在半導(dǎo)體基材上制作特定類型的管芯的生產(chǎn)工序完成時(shí)，所述陣列可呈現(xiàn)在晶圓表面。

圖2示出了兩個(gè)管芯2a和2b的截面，兩個(gè)管芯將通過(guò)兩個(gè)這種晶圓的直接結(jié)合而結(jié)合。顯而易見的是，圖2所示的管芯分別是較大晶圓的一部分，且僅示出了各晶圓的一個(gè)管芯。各晶圓包括半導(dǎo)體基材和在該基材上形成的與基材直接接觸的“功能層”。功能層與基材直接接觸，且可包含多種層。在圖2所示的特定情況下，功能層是層堆疊體，其包括晶圓上各個(gè)管芯的有源組件和互連部分。從而各個(gè)管芯2a/2b包括半導(dǎo)體基材部分3a/3b，和本說(shuō)明書的上下文中所定義的“功能層部分1a/1b”。各個(gè)管芯還包括中心部分2'(參照?qǐng)D1)，所述中心部分至少包括管芯的“有源部分”(即，包含管芯的所有有源組件和電路的部分)。所示實(shí)施方式中，管芯2a和2b這兩者的功能層部分1a和1b包括在半導(dǎo)體基材部分3a/3b上制作的生產(chǎn)前段工藝(FEOL)部分和FEOL部分上的生產(chǎn)后段工藝(BEOL)部分。術(shù)語(yǔ)FEOL和BEOL在半導(dǎo)體加工領(lǐng)域中是已知的。FEOL是指包括有源組件(例如晶體管或二極管)的部分，BEOL是指包括金屬化堆疊體(即，具有金屬線和嵌在金屬線中的連接孔的介電層堆疊體，所述金屬線和連接孔可通過(guò)單鑲嵌技術(shù)或雙鑲嵌技術(shù)來(lái)獲得)的部分。使用附圖標(biāo)記4a/4b示意性地表示FEOL和BEOL部分，其中FEOL和BEOL之間沒(méi)有明顯差別。功能層部分1a/1b還包括再分配層5a/5b，所述再分配層進(jìn)一步是BEOL部分頂部上的介電層，其中嵌有金屬接觸部6a/6b，配置接觸部6a/6b以將BEOL金屬化層疊體與外部接觸終端連接。在再分配層5a/5b的頂部，功能層部分1a/1b包括適于直接結(jié)合的介電連接層7a/7b。本發(fā)明上下文中的術(shù)語(yǔ)“直接結(jié)合”是指結(jié)合工藝，其中，使介電平面接合層相互接觸，且其中，可在退火步驟后和/或在熱壓步驟后由連接層之間的相互作用形成結(jié)合。直接結(jié)合層例如可以是硅氧化物層、硅碳氮化物層(SiCN)或可感光成像(photopatternable)的聚合物膠水層(參考下文)，或者直接結(jié)合層可包括不同材料的堆疊體。結(jié)合層可以是覆蓋介電層，或者可包括金屬區(qū)域和介電質(zhì)區(qū)域，其中金屬與金屬結(jié)合，介電質(zhì)與介電質(zhì)結(jié)合。這種情況下，結(jié)合技術(shù)仍然稱作“直接結(jié)合”，但是也可將其稱作“混合結(jié)合(hybrid bonding)”。金屬區(qū)域可以和結(jié)合層在同一平面中，或者可表示為相對(duì)于結(jié)合層的給定的布局，例如一個(gè)表面上的支柱，所述支柱與其他表面的凹陷區(qū)域通過(guò)嵌入結(jié)合的方式接觸。在后者的情況下，支柱通常被底部填充層(underfill layer)圍住，所述底部填充層可以是上述的聚合物膠水層。因此，底部填充層也符合本說(shuō)明書的上下文中的直接結(jié)合層的定義。

在實(shí)施結(jié)合步驟之前，沿著各個(gè)管芯2a/2b的周界制作單片化槽10a/10b，參見圖3。單片化槽圍住管芯的有源中心部分2'?？稍诠苄镜耐獠窟吔?1a/11b內(nèi)制作單片化槽，例如(角部區(qū)域中除外)與管芯的外部邊界的距離恒定，如圖3中管芯2a/2b中任一者的俯視圖所示。在角部，槽優(yōu)選是弧形的，如附圖中所示。單片化槽不一定必須完全位于管芯的邊界11a/11b之內(nèi)(距離a>0)。在最大限度地利用晶圓表面的優(yōu)選實(shí)施方式中，槽實(shí)際上可與這些邊界重疊，其中槽與兩個(gè)相鄰的管芯使用共同的邊。本說(shuō)明書的后文會(huì)對(duì)該實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明，但是為了解釋該方法，使用了各個(gè)管芯具有單獨(dú)的單片化槽10a/10b的實(shí)施方式。優(yōu)選使用光刻和各向異性蝕刻經(jīng)過(guò)功能部分1a/1b(即，經(jīng)過(guò)FEOL/BEOL部分4a/4b、再分配層5a/5b和結(jié)合層7a/7b，直至到達(dá)基材部分3a/3b的材料)來(lái)制作單片化槽。改進(jìn)管芯設(shè)計(jì)以使其適合該目的，其意義在于與單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域中不存在金屬，因?yàn)榕c單片化槽的介電質(zhì)部分的蝕刻工藝相同的工藝難以移除這些金屬。因此，兩個(gè)單片化槽10a/10b各自由單獨(dú)的蝕刻步驟制作。這可通過(guò)例如使用Ar和/或O₂作為添加劑的基于C₄F₈的等離子體蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。施加這種類型的蝕刻化學(xué)品的條件是本領(lǐng)域已知的，并且不在本文中詳細(xì)描述。單片化槽越窄越好，例如在基材3a/3b的厚度為100微米且功能層1a/1b的總介電質(zhì)厚度為3.5微米的情況下，單片化槽的寬度可以是約10微米。單片化槽10a和10b具有相同的形狀(如管芯表面的平面所示)，從而它們能夠以形成一個(gè)單獨(dú)的開口區(qū)域的方式來(lái)相互對(duì)齊。

然后通過(guò)直接結(jié)合將晶圓結(jié)合。將上部晶圓2a翻轉(zhuǎn)并與下部晶圓2b對(duì)齊，如圖4所示。需要小心定位晶圓，從而單片化槽10a/10b基本對(duì)齊。如圖4所示，使結(jié)合層7a/7b相互接觸。優(yōu)選實(shí)施退火步驟以形成牢固的結(jié)合。本文未給出該直接結(jié)合步驟的細(xì)節(jié)，因?yàn)檫@些技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。

當(dāng)結(jié)合形成后，得到了圖4所示的兩晶圓組件，對(duì)齊的單片化槽10a/10b沿著堆疊的管芯2a和2b的周界形成一個(gè)開口區(qū)域。結(jié)合步驟之前所制作的單片化槽10a/10b是指本發(fā)明的權(quán)利要求中所描述的方法所制作的中間單片化槽。因此，當(dāng)管芯堆疊體包括多于兩個(gè)的管芯時(shí)，中間單片化槽形成單片化槽對(duì)齊的堆疊體，直接結(jié)合表面中形成的各對(duì)單片化槽形成上述的單個(gè)開口區(qū)域。

回到附圖中所示的實(shí)施方式，直接結(jié)合步驟后得到的組件在之后被薄化，從而移除了上部晶圓的半導(dǎo)體基材3a的一部分，通常使該基材的厚度減少至低于50微米。該薄化步驟的結(jié)果示于圖5。

之后形成半導(dǎo)體連接通孔(TSV)15/16/17，如圖6所示。TSV由本領(lǐng)域已知的方法形成。優(yōu)選在其中使用光刻+蝕刻步驟來(lái)形成貫穿上部基材3a并到達(dá)接觸部6a和/或6b的開口。將介電質(zhì)隔離層(也稱作內(nèi)襯)14順應(yīng)性地沉積在開口的側(cè)壁以及上部基板3a的頂部表面上，之后將晶種層(如果需要，還有阻隔層)沉積在開口內(nèi)，并通過(guò)電鍍合適的金屬(優(yōu)選銅)來(lái)填充開口，然后實(shí)施平面化步驟(例如化學(xué)機(jī)械拋光步驟(CMP))。TSV將堆疊體的兩個(gè)管芯2a/2b的金屬接觸部6a/6b相互連接。在附圖所示的示例性方式中，通過(guò)一對(duì)TSV 15/16和具有兩種不同直徑的TSV 17來(lái)完成所述連接。通過(guò)在TSV的頂部形成互連部(可通過(guò)鑲嵌處理來(lái)獲得)而完成了晶圓堆疊體，互連部18被嵌入介電質(zhì)層19內(nèi)，所述介電質(zhì)層還包括朝向接觸墊21的連接部20。接觸結(jié)構(gòu)22(例如凸起或支柱)最終形成在接觸墊21上。層23(包括互連部18，介電質(zhì)層14/19，連接部20，接觸墊21，凸起或支柱22)是所附權(quán)利要求中所述的“頂層”的一個(gè)實(shí)施方式。制作這種頂層23的工藝是本領(lǐng)域已知的，并且不在本文中詳細(xì)描述。介電質(zhì)層14/19僅是“頂層”的介電質(zhì)部分的一個(gè)示例，不一定包括內(nèi)襯14(例如，在沉積頂層23的介電質(zhì)層之前，可首先將襯底從上部表面移除)。

根據(jù)本發(fā)明，上部單片化槽25形成于晶圓堆疊體的頂層23中的介電質(zhì)層14/19，如圖7a和7b所示。該上部單片化槽25與結(jié)合前制作的第一和第二單片化槽10a/10b具有相同的形狀，并優(yōu)選具有相同的寬度。上部單片化槽25與之前制作的單片化槽10a/10b對(duì)齊。優(yōu)選通過(guò)光刻+各向異性蝕刻步驟制作上部單片化槽25，直至到達(dá)薄化的上部基材3a的材料。在完成接觸凸起或支柱22后制作上部單片化槽25。這可通過(guò)在支柱22的頂部制作光刻掩模24(優(yōu)選為抗蝕掩模)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7a所示。在蝕刻步驟后，可將光刻掩模剝離，如圖7b所示?；蛘?，可保留掩模并在后續(xù)的工序中剝離，正如本說(shuō)明書的后文所解釋的那樣。

然后，穿過(guò)由對(duì)齊的單片化槽所限定的區(qū)域中的基材3a/3b通過(guò)蝕刻來(lái)實(shí)施管芯堆疊體的實(shí)際單片化。實(shí)現(xiàn)該過(guò)程的第一實(shí)施方式示于圖8-11。圖7b所示的晶圓堆疊體可被翻轉(zhuǎn)并粘接于背磨膠帶30(參照?qǐng)D8)，使凸起或支柱22嵌入膠帶并使下部基材3a朝上。在晶圓堆疊體被緊密地粘接于背磨膠帶30的狀態(tài)下通過(guò)本領(lǐng)域已知的背磨步驟將基材3a薄化，參照?qǐng)D9。然后將薄化的晶圓堆疊體轉(zhuǎn)移至切割膠帶31，參照?qǐng)D10，并且將背磨膠帶30移除。粘接于切割膠帶31的同時(shí)，穿過(guò)基材3a和3b通過(guò)各向異性蝕刻來(lái)完成從堆疊體到分離的管芯堆疊體的單片化，從而除去與單片化槽10a/10b/25對(duì)齊的這些基材的材料。用于蝕刻半導(dǎo)體材料的蝕刻工藝是高度各向異性的，從而僅必要性地將分別與堆疊的對(duì)齊的單片化槽對(duì)齊的半導(dǎo)體基材3a和3b的區(qū)域35a和35b中的半導(dǎo)體材料移除。同時(shí)，蝕刻工藝必須是高度各向異性的和/或?qū)EOL/BEOL部分4a/4b、再分配層5a/5b、結(jié)合層7a/7b和介電質(zhì)層14/19的材料具有選擇性的，從而這些層中，除了與之前形成的單片化槽10a/10b相對(duì)應(yīng)的區(qū)域之外，沒(méi)有或僅有很少的材料被移除。換言之，單片化槽25/10a/10b的形狀和尺寸決定了半導(dǎo)體材料從與單片化槽相對(duì)應(yīng)的窄區(qū)域的移除。這意味著從區(qū)域35a/35b移除基材材料之前不需要涂布光刻掩模。這使得管芯堆疊體被單片化并形成了單片化的3D管芯26，如圖11所示。當(dāng)基材3a/3b是硅基材時(shí)，用于移除與單片化槽對(duì)齊的區(qū)域35a/35b中的基材材料的蝕刻工藝是本領(lǐng)域已知的等離子體硅蝕刻。優(yōu)選的等離子體蝕刻工藝采用基于C₄F₈/SF₆的蝕刻化學(xué)品，以及交替的Si蝕刻和聚合物沉積循環(huán)(所謂的博世工藝(Bosch process))。可進(jìn)一步通過(guò)例如選取和放置方法(pick and place method)對(duì)3D管芯26進(jìn)行操作。

圖7b所示情況之后完成晶圓堆疊體的單片化的方法的另一個(gè)實(shí)施方式示于圖12-14。根據(jù)該實(shí)施方式，在晶圓堆疊體自身之上對(duì)基材3a/3b進(jìn)行蝕刻，即不首先將堆疊體轉(zhuǎn)移至背磨膠帶。這示于圖12：按照之前形成的單片化槽25/10a/10b對(duì)基材進(jìn)行各向異性蝕刻，即，通過(guò)與圖10和11所描述的蝕刻工藝類似的工藝實(shí)施蝕刻，直至在底部基材3b中達(dá)到給定的深度b。然后，將晶圓堆疊體粘接于背磨膠帶30(圖13)，將部分蝕刻后的基材3b薄化直至到達(dá)蝕刻后的部分，從而完成單片化并形成分離的3D管芯，參見圖14。在轉(zhuǎn)移至切割膠帶后(形成與圖11所示的相同的情況)，3D管芯26可再次用于選取和放置方法。

根據(jù)一種實(shí)施方式，在對(duì)由單片化槽限定的區(qū)域35a/35b中的基材進(jìn)行蝕刻之前，用于制作上部單片化槽25的光刻掩模24(參見圖7a)未被剝離，而是在由穿過(guò)基材3a/3b的蝕刻完成切割后進(jìn)行剝離。掩模24能夠在基材3a/3b的蝕刻過(guò)程中對(duì)頂層23提供額外的保護(hù)。將掩模24保持在堆疊體上，直到圖8-11和12-14分別所示的單片化變化形式均能實(shí)現(xiàn)單片化之后。在第一種情況下，優(yōu)選在單片化的管芯堆疊體仍位于切割膠帶31上時(shí)將抗蝕層剝離。在第二種情況下，可在向下蝕刻至圖12的深度b后將抗蝕層剝離，或者可在單片化的管芯堆疊體上剝離抗蝕層。

根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在晶圓堆疊體上實(shí)施單個(gè)蝕刻步驟可實(shí)現(xiàn)管芯堆疊體從晶圓堆疊體的分離，所述蝕刻步驟用于對(duì)與單片化槽相對(duì)應(yīng)的區(qū)域35a/35b中的基材3a/3b進(jìn)行蝕刻。單個(gè)蝕刻步驟是指：使用單個(gè)蝕刻工具實(shí)施且不從工具移除堆疊體的工序。這種簡(jiǎn)化是因?yàn)樵诮Y(jié)合之前已經(jīng)在承載管芯的晶圓上制作了中間單片化槽10a/10b。因此，在單片化工序中不必將堆疊體從一個(gè)蝕刻工具轉(zhuǎn)移至另一蝕刻工具。一旦形成了堆疊體，則能夠以高產(chǎn)量快速實(shí)施單片化。

單片化槽10a和10b不需要100％完美地對(duì)齊，原因在于少量的錯(cuò)位不會(huì)妨礙與單片化槽對(duì)齊的半導(dǎo)體材料35a/35b的各向異性蝕刻。另外，只要能夠使單片化槽相互對(duì)齊，則允許單片化槽的寬度或其他維度存在少許差異。

圖15說(shuō)明了如何根據(jù)本發(fā)明將該方法用于多于兩個(gè)晶圓的堆疊體的單片化。在所示實(shí)施方式中，各自具有兩個(gè)晶圓的兩個(gè)堆疊體被結(jié)合在一起，以形成4晶圓堆疊體。所要結(jié)合的兩個(gè)2-晶圓堆疊體的相向的面具有功能層49a/49b，其中包括層50a/50b，例如可以是單介電質(zhì)層。功能層49a/49b還包括直接結(jié)合層51a/51b。例如，層50a/50b可以是硅氮化物層，其作為形成防止Cu擴(kuò)散的屏障的鈍化層起作用，且51a/51b均為硅氧化物層或聚合物層，或者一個(gè)為氧化層，另一個(gè)為聚合物層。在另一個(gè)示例中，層50a/50b是硅氧化物層且51a/51b是SiCN層，其作為結(jié)合層起作用且同時(shí)形成防止Cu擴(kuò)散的屏障。以上述方式制作中間單片化槽52a/52b，即，移除沿著管芯周界的窄區(qū)域中的功能層部分49a/49b中的材料。然后，通過(guò)使直接結(jié)合層51a/51b相互接觸來(lái)將兩個(gè)堆疊體結(jié)合，優(yōu)選在之后實(shí)施退火步驟。在TSV完成后，該情況中是一組具有不同直徑的將四個(gè)管芯互連的TSV 53(具有襯底，但是圖中未示出)完成后，以及在制造了頂層23并制作了上部單片化槽25后，可通過(guò)蝕刻四個(gè)晶圓的半導(dǎo)體基材的單個(gè)步驟將4-晶圓堆疊體切割，與上述兩晶圓情況中的方式相同。

圖16a是晶圓上多個(gè)管芯2的圖像，這種情況示出了四個(gè)相鄰管芯2所占區(qū)域內(nèi)部的單片化槽10的位置。管芯優(yōu)選具有本領(lǐng)域已知的管芯密封圈40。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，單片化槽以密封圈40為中心進(jìn)行環(huán)繞，即，與密封圈相距固定的距離向外偏移。由于單片化槽10的寬度可以是微米級(jí)的(例如，基于基材3a/3b的厚度，為5-15微米)，與需要在管芯間保留更大的面積作為切割槽的標(biāo)準(zhǔn)切割技術(shù)相比，使用本發(fā)明的方法時(shí)在晶圓表面的損失方面可獲得重要的益處。通過(guò)減少相鄰的單片化槽之間的距離c，晶圓表面的利用率可被進(jìn)一步優(yōu)化，直到每個(gè)管芯沒(méi)有單獨(dú)的單片化槽，而是單片化槽與管芯之間的邊界11重疊。這種類型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式示于圖16b，其中單片化槽的邊(角部除外)與兩個(gè)相鄰管芯之間的邊界重疊，且單片化槽的每條邊由兩個(gè)相鄰管芯共用。該實(shí)施方式中，當(dāng)完成單片化后，晶圓堆疊體中僅有窄柱體41殘留?；蛘?，通過(guò)對(duì)此適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)光刻掩模(即，將柱體41包括在單片化槽的圖案內(nèi))，可在中間單片化槽10的蝕刻過(guò)程中移除與這些柱體對(duì)應(yīng)的區(qū)域。優(yōu)選通過(guò)設(shè)計(jì)用于蝕刻中間槽的光刻掩模，以給定的半徑(取決于單片化槽內(nèi)的表面積)仔細(xì)設(shè)計(jì)中間單片化槽10的弧形角部?；⌒谓遣繒?huì)使單片化的晶片堆疊體中形成的應(yīng)力最小化。本發(fā)明的方法由于能夠設(shè)計(jì)這些弧形角部而具有優(yōu)勢(shì)，而使用例如刀片切割的傳統(tǒng)切割技術(shù)時(shí)則無(wú)法形成弧形角部。除了矩形形狀的管芯之外，管芯還可以是任意多邊形的形式。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于，管芯的表面區(qū)域的形狀不局限于矩形或方形。由于能夠調(diào)整單片化槽的形狀而使其與管芯區(qū)域的形狀相適應(yīng)，所以能夠形成任意多邊形。

如上所述，直接結(jié)合層可以是適合于該目的的幾種已知類型的介電層中的任一種，例如氧化物層或可感光成像的聚合物膠水層。兩個(gè)結(jié)合表面上涂布的結(jié)合層可相同(例如氧化物-氧化物結(jié)合)或不同(例如氧化物-聚合物)。本領(lǐng)域中已知可感光成像的聚合物膠水層是這種類型。當(dāng)本發(fā)明的方法使用后者時(shí)，在以下方面可能與上述工藝順序存在區(qū)別。優(yōu)選在制作聚合物層之前首先在功能層中形成中間單片化槽，然后在沉積該聚合物層后單獨(dú)在聚合物層中形成單片化槽。根據(jù)圖3-6的實(shí)施方式，但是其中層7a/7b是可感光成像的聚合物層(此處參照管芯2a進(jìn)行描述，也可參照相對(duì)的管芯2b)，中間切割槽10a首先在由FEOL/BEOL部分4a和再分配層5a構(gòu)成的堆疊體中形成。然后涂布聚合物結(jié)合層，即，也在中間單片化槽10a中涂布。之后可僅通過(guò)光刻(即，穿過(guò)掩模照射并顯影/剝離聚合物)，利用聚合物的光刻特性從中間單片化槽中移除聚合物?；蛘?，通過(guò)適于蝕刻聚合物的蝕刻工藝采用光刻+干式蝕刻從中間切割槽移除聚合物，其中使用與穿過(guò)4a和5a部分的蝕刻中相同的光刻掩模?；诰酆衔锏闹苯咏Y(jié)合的情況下，本發(fā)明的方法的其他特性與上述采用氧化物-氧化物結(jié)合的實(shí)施方式相同。

雖然已經(jīng)通過(guò)附圖和上述描述詳細(xì)地闡述和說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)認(rèn)為這些闡述和說(shuō)明是說(shuō)明性或示例性的，而非限制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明的過(guò)程中，通過(guò)研究附圖、公開內(nèi)容以及所附權(quán)利要求書，可以理解和實(shí)現(xiàn)公開的實(shí)施方式的其它各種變化形式。在權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包括”并不排除其它要素或步驟，不定冠詞“一種”或“一個(gè)”并不排除多個(gè)。事實(shí)上，互不相同的從屬權(quán)利要求中所述的某些測(cè)量并不表示這些測(cè)量的組合不能用于獲益。權(quán)利要求書中的任何引用符號(hào)不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。

上述說(shuō)明詳細(xì)描述了本發(fā)明的某些實(shí)施方式。但是，應(yīng)理解，無(wú)論上文中進(jìn)行了多么詳細(xì)的描述，本發(fā)明可以多種方式實(shí)施，因此并不限于公開的實(shí)施方式。應(yīng)注意，當(dāng)描述本發(fā)明某些特征或方面時(shí)特定術(shù)語(yǔ)的使用不應(yīng)理解為表示該術(shù)語(yǔ)在此被重新限定為局限于包括與該術(shù)語(yǔ)相關(guān)的本發(fā)明特點(diǎn)或方面的任何特定特征。

除非具體說(shuō)明，否則關(guān)于另一層或基材“上”的層的存在、沉積或形成的描述包括

·所述層直接(即，物理接觸)存在、形成或沉積于所述其它層或基材，和

·所述層存在、形成或沉積于所述層和所述其它層或基材之間的一個(gè)中間層或中間層堆疊體。