JP2005167190A - 半導体ウェハのダイシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハを自然劈開方向からオフセット方向でダイシングすることができる半導体ウェハのダイシング方法を提供する。
【解決手段】 研磨処理をまず実施し、ウェハ３００の所定部分を後面側から研磨する。そして、ダイアモンド構造の自然劈開方向３０６から所定のオフセット角度３１０の方向に沿った少なくとも一つのラインによりウェハ３００をダイシングする。オフセット角度３１０は、ウェハ基材の自然劈開方向を基にして決定される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に関し、特にウェハのダイシング方法の改良に関する。

今日の集積回路の製造においては、ｎ型デバイス（ＮＭＯＳ）およびｐ型デバイス（ＰＭＯＳ）を含む相補形金属−酸化物−半導体（ＣＭＯＳ）集積回路が広く採用されている。ウェハ基板上である工程ステップが完了し、パッケージされていない形態の半導体デバイスはダイと言われる。そのウェハは次にダイシングされ、それぞれのダイは互いに分離されるため、更なる使用のために必要なデバイスユニットへのパッケージに提供することができる。

ダイを製造するウェハ材料の多くは、その上にミクロレベルのダイアモンド結晶構造を有する。そして例えば、ＳｉＧｅタイプやＧａＡｓタイプのウェハだけでなく、シリコン系のウェハも製造に使用されていた。このダイアモンド結晶構造のため、ウェハの基材は特定の自然劈開方向に沿って容易に割れる傾向があった。ウェハ上で処理されるダイは、一般に自然劈開方向に揃うため、ウェハがダイシングされても不適当な方向にウェハが割れる可能性は小さかった。つまり、ダイのほとんどは矩形状であり、四つの境界中の少なくとも一つの境界は、ウェハの自然劈開方向に垂直であるということである。

技術の発展とともに、半導体ウェハは次第に薄くなり、ダイシング中にウェハが割れる可能性は増大した。また、新たな技術により、自然劈開方向からオフセット角度の境界においてウェハ上でダイが処理されても、ダイシング工程中にウェハが割れてしまう可能性があった。

本発明の目的は、ウェハを自然劈開方向からオフセット方向でダイシングすることができる半導体ウェハのダイシング方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、ダイアモンド構造の基材を有するウェハをダイシングする方法を提供する。ウェハに先ず研磨工程を施し、所定部分を後面側から研磨除去する。ダイアモンド構造の自然劈開方向から所定のオフセット角度の方向に沿う少なくとも一つのダイシングラインでウェハをダイシングする。

本発明の半導体ウェハのダイシング方法を応用することにより、ウェハを自然劈開方向からオフセット方向でダイシングすることができる。

以上その他の目的およびその他の長所は、開示の原則による実施例が示すように、添付の図面と合わせて、下記の詳細な説明から明らかになる。

ウェハのダイシング方法を開示する。ウェハはダイアモンド構造の基材を有する。ウェハ上で複数のダイが処理された後、そのウェハは基材の自然劈開方向からオフセットされた一つ以上のダイシングラインに沿ってダイシングされる。シリコン（Ｓｉ）は、今日の電子工業において最も重要な半導体であるため、次に説明する本実施例ではシリコンウェハを使用する。またウェハは、自然劈開方向を有するＳｉＧｅまたはＧａＡｓなどの基材を有する他のタイプにより形成されてもよい。

シリコンウェハを形成するシリコン材料は、単結晶シリコンからなる。結晶シリコンにおいて、固体材料を構成する原子は等間隔に配列される。結晶中において原子が等間隔に配列されたものを格子と呼ぶ。シリコンは、二つの貫入する面心立方格子として表されるダイアモンド立方格子構造（または簡単にダイアモンド構造という）を有する。

図１Ａから図１Ｃは、シリコンの三つの結晶面方位を示す。結晶面を説明するためにＸＹＺ座標系を使用する。結晶面は、結晶軸に対するシリコン原子の結晶面方位を示す。図１Ａに示すように、シリコンの結晶面１０２は１でＸ軸と交差するが、Ｙ軸やＺ軸とは交差しない。従って、このタイプの結晶シリコンは（１００）である。同様に、図１Ｂは（１１０）の結晶シリコンを示し、図１Ｃは（１１１）のシリコンを示す。（１１１）および（１００）の配向は、商業用に使われる主な二つのウェハ配向である。ここで述べていることは、シリコン結晶の様々な面、特に（１００）、（１１０）および（１１１）の面を参照する。ここで注意しなければならないことは、立方結晶中のどの面にも他に五つの等価面があることである。従って、結晶の基本単位セルを構成する立体の六面全ては（１００）面と考えることができる。そのため、表記（ＸＹＺ）は等価面の六面全てを参照することができる。また、結晶面に直交する結晶方位も参照することができる。例えば、結晶方位〈１００〉は、（１００）面に対して直交する。

図２に示すのは、通常（１００）シリコンと言われる半導体ウェハ２００の平面図であり、それは今日よく使用されている半導体ウェハの形態である。大部分のＭＯＳトランジスタ２０２は、ゲートを有する（１００）シリコン上に製作されるため、電流は〈１１０〉の方向と平行に流れる。そして、電子デバイス（ダイとして知られる）の大量生産には、キャリアユニットとしてウェハが使用されるため、各ウェハ上に製作される複数のダイ２０４がある。図２に示すように、ウェハ上の全てのダイ２０４は従来、空間ギャップ２０６を有して縦列と横列に配列される。ダイをそれぞれ分離するために、縦列間或いは横列間の空間ギャップ中に位置する一つ以上のダイシングライン２０８に沿ってウェハ２００をダイシングする。そのため、複数のダイシング処理が行われると、ダイは最終的に分離されてパッケージの準備がなされる。

ウェハ上には、基材のダイアモンド構造による自然劈開方向がある。劈開方向とは、ウェハに圧力が加えられたときに亀裂あるいは割れが発生しやすい方向のことである。例えば、ウェハが点でパンチされたとき、或いは小さい切断力が特定点に施されたとき、特定方向に沿ってウェハに亀裂が発生し始める可能性があった。この特定方向は自然劈開方向と呼ばれる。例えば、（１００）ウェハの自然劈開方向は〈１１０〉方向である。このウェハの性質により、ダイは横列および縦列に配列されるため、ダイシングラインは基材の自然劈開方向に合致する。ここで注意しなければならないことは、上述した結晶方位のような劈開方向は、単数で記述されているが、面上における一つだけの方向に限定されるわけではないということである。つまり、ウェハを横列間または縦列間でダイシングするとき、ダイシングラインは全て自然劈開方向に合致することが好ましい。ここで注意しなければならないことは、ダイシングラインはウェハ上の物理的マーキングではなく仮想ラインであることである。ダイシングラインとは、切断がおこなわれる箇所であり、ダイシングがおこなわれるラインあたりに切断ツールが導入されるのであれば、物理的マーキングは必要がない。

ウェハダイシング工程は、通常ウェハの前側および後側に欠けや意図しない亀裂を誘発させたが、それはウェハダイシング工程における歩留り率の低下を招いた。厚いウェハの場合、長いダイシング時間が必要なため、亀裂が増大し、ウェハへさらに大きなダメージを与えることとなった。ウェハダイシング中の生産ロスを最小限に抑えるために、この理想的でない効果は減らさなければならなかった。デバイスが小さくなるに従い、特に電流の流れ方向をシリコン配向へ合致させずに、デバイスをウェハ上に設ける必要があるときは、ダイの境界がウェハ基材の自然劈開方向と合致しないために、ウェハダイシングは非常に困難となり、そのために好適でない亀裂が容易に発生した。

図３は（１００）ウェハ３００を示すが、それは〈１１０〉方向である自然劈開方向３０６ではなく、境界線または縁部３０４でその上のダイ３０２が処理される。ダイシングライン３０８は、実質上オフセット角度３１０により自然劈開角度３０６からオフセットされる。オフセット角度３１０は、３０〜６０度である。この実施例において、〈１００〉と〈１１０〉との間の角度は４５度である。そしてオフセット角度があるとき、ウェハのダイシングは上述したように困難であり、理想的でない亀裂を制御することは難しかった。

本発明の好適な一実施例によると、オフセット角度３１０は、先ずウェハ基材の自然劈開方向を基にして決定される。これはどの種類の基材が使用され、どんな配向性でデバイスがウェハ上で処理されるかにより実施される。（１００）シリコンウェハが使用される場合、ダイが形成された後にウェハの後側を研磨処理する。ウェハが薄くなるほど、亀裂の生成、成長および伝播の可能性は低くなる。後側の研磨中、ツールなどによる機械力の使用により、ウェハの所定部分が研磨または研磨除去されるため、ウェハは好適な厚さにまで薄くなる。例えば、研磨された（１００）シリコンウェハが３５ｍｍよりも薄くなると、ウェハダイシング工程中の（１００）シリコンウェハの後面および前面のチッピング効果は改善される。そして、厚さが２５ｍｍよりも小さくなると、減少したチッピング効果はさらに明らかになる。

ウェハの厚さが減少した後、一枚または二枚のブレードダイシング処理をダイシングラインに沿ってウェハ上に適用する。亀裂が発生する可能性をさらに下げるため、一枚のブレードダイシング処理は１０〜１６０μｍ内に制御される。二枚のブレードダイシング処理が使用されると、第１の切断幅は１０〜１６０μｍ内に制御され、ウェハ全体を切断しない広い凹みを形成する。第２のブレードを使用してウェハを深く切断すると、第２の切断幅は第１の切断幅よりも小さくなるように制御される。例えば、それは５〜８０μｍなどのように第１の切断幅の半分である。そのため、第２の切断のブレードはウェハ全体を切断することがない。ダイシングラインが形成され、所定の圧力が加わると、ウェハはダイシングラインに沿ってダイシングされる。さらに、ブレードを挿入してウェハ表面に接触する角度も考慮する必要がある。例えば、（１００）シリコンウェハにとり、ブレードをウェハの表面に対して垂直に当てるよりも、４５度にした方が良い。切断角度は、次の数式により数学的に決定される。

ArcCos[(n²)/sqrt(n²+k²+l²)]、または
ArcCos[(k²)/sqrt(n²+k²+l²)]、または
ArcCos[(l²)/sqrt(n²+k²+l²)]

n/kおよびlは整数であり、0≦(n/k/1) ≦4の範囲である。この計算方法によると、数種類のサンプル切断角度は、７７、５６、４８または３７度前後或いはそれよりも小さいものより選択する。さらに注意しなければならないことは、異なる切断角度は異なるダイシング方向に用いられるということである。例えば、４８度よりも小さい切断角度はＸ方向に使用され、３７度よりも小さいもう一つの切断角度はＹ方向に使用される。

さらに、ウェハをダイシングするとき、ブレードは常に連続した切断ラインを切断する必要はない。例えば、複数の凹みが形成され、ダイシングラインに沿って間隔が開けられる。必要なそれら凹みの数は、ダイシングの結果を基にして決定される。あるいは、ダイシング処理が行われる前に、長い凹みラインを先ず、後側研磨の前か後に形成してもよい。

ブレードやダイアモンド切断ブレードなどのように、機械的にウェハをダイシングする以外に、液体ビームを使用してもよい。例えば、水ジェットを使用して、ウェハをダイシングラインに沿ってダイシングしてもよい。使用される液体ビームは、ウェハ上へ圧力を加えるために、ビームを維持する十分な表面エネルギを有さなければならない。また、十分なエネルギを有するレーザビームなどの非機械的な力を使用してウェハをダイシングすることもできる。非機械的な力を使用する場合は、連続した切断ラインは必要ない。例えば、レーザビームによりダイシングラインに沿って孔が形成されて、所定の圧力が加えられると、ウェハにはそのラインに沿って亀裂が発生する。ウェハをダイシングするとき、ウェハの後側はブルーテープと言われる特別なテープに粘着されるが、（１００）ウェハはＵＶテープの使用により、良好なダイシング結果を得ることができる。

他のダイシングパラメータも、ウェハチッピングを制御するために考慮しなければならない要素である。それらのパラメータには、切断速度、装着速度および流量率が含まれる。例えば、速い切断速度は、亀裂の生成、成長および伝播が発生する可能性を下げるため、（１００）ウェハダイシング中のクラック形成を減らすことができる。（１００）ウェハの切断速度は、２００００ＲＰＭ以上が好ましい。第二に（１００）ウェハ基板ダイシング工程において、ＵＶテープや青テープを使用しても、ウェハに振動や回転が発生した。遅い装着速度は、ウェハに振動や回転などを発生させる処理工程を減らすことができる。本実施例によると、（１００）ウェハへ適用する送り速度は約２００ｍｍ／秒より遅いのが好ましい。さらに流量率は、ウェハダイシング工程により発生する切断粒子量を制御することもできる。一般に、この流体や液体材料は水、ＤＩ水などである。切断粒子は、ウェハダイシング工程における亀裂の生成や成長のソースである。特に（１００）ウェハ基板上において、高い流量率は、低い流量率よりも効果的にその粒子を除去することができる。流量率を０．１リットル／分よりも高く制御すると、ウェハの不良率を最小にすることができる。

亀裂をさらに減らすため、防護素子をウェハ上に加える。図４は、複数の防護素子４０２をダイシングライン４０４に沿って有するウェハ４００の一部を示す平面図である。防護素子４０２は、無意図的にダイが割られることから護るために配列される。それらは金属素子、誘電体素子或いは凹みである。短い凹み以外に、比較的長くて連続した溝を形成することもできる。さらに防護素子４０２は、ダイの周辺に一つ以上配列することができる。例えば、ダイ周辺上の防護素子４０２はダイのコア回路４０６に接続していない。ある実施例では、ダイシング工程において最良の防護効果を提供する特定形状を有する。ある防護素子は、望ましくない亀裂がダイに向かって伝播することがないように、ローカル材料強度を強化することができる。凹みなどである防護素子は、加えられた圧力を吸収することができる。

図５は、ダイシングライン部分のウェハ５００の一部を示す断面図である。二つのダイ５０２、５０４に示すように、ウェハは仮想ダイシングライン５０６に沿う二つのダイ間でダイシングされる。複数の防護素子５０８は異なる垂直方向高さに位置する。例えば、ダイが複数層を有すると、防護素子５０８は異なる層上に形成される。それらは金属などの純金属であるが、それら周辺領域の金属強度を強化する化合物でもよい。さらに、それらは上面へ互いに重ねられ、望まれない亀裂を防止するために、防護素子が設けられる間、それらは互いにオフセットされる。さらに、防護凹み５１０などのその他の形態の防護素子を、ウェハ基板中に形成してダイシング工程を改良することもできる。防護素子５０８および防護凹み５１０は、組合せて又は個別に使用することができる。図示するように、凹みはダイの位置よりも下でダイの縁部に近い箇所に形成することができる。あるいは、実質上ダイと同じレベルにしてもよい（図示しない）。それらにはダイシング工程により発生する圧力を吸収するための有機材料が充填され、望ましくない亀裂がダイに発生することを防止する。

本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

ウェハに使用されるシリコン基材の三種類の結晶配向性を示す模式図である。 ウェハに使用するシリコン基材の三種類の結晶配向性を示す模式図である。 ウェハに使用するシリコン基材の三種類の結晶配向性を示す模式図である。 自然劈開方向に揃うダイを有するシリコンウェハを示す平面図である。 少なくとも一つの境界線によりシリコン基材の自然劈開方向からオフセットするダイを上に有するシリコンウェハを示す平面図である。 本発明の好適な一実施例による防護素子を上に有するウェハを示す平面図である。 本発明の好適な一実施例による防護素子を有するウェハを示す断面図である。

符号の説明

１０２ 結晶面、２００、３００、４００、５００ ウェハ、２０２ ＭＯＳトランジスタ、２０４、３０２、５０２、５０４ ダイ、２０６ 空間ギャップ、２０８ ダイシングライン、３０４ 縁部、３０６ 自然劈開方向、３０８、４０４ ダイシングライン、３１０ オフセット角度、４０２、５０８ 防護素子、４０６ コア回路、５０６ 仮想ダイシングライン、５１０ 防護凹み

Claims (20)

1. ダイアモンド構造の基材を有するウェハのダイシング方法であって、
   前記ウェハの所定部分を後面側から研磨するステップと、
   前記ダイアモンド構造の自然劈開方向から所定のオフセット角度の方向に沿う少なくとも一つのラインにより前記ウェハをダイシングするステップと、を含むことを特徴とする半導体ウェハのダイシング方法。
2. 前記ウェハの厚さは、研磨した後に３５ｍｍより小さくなることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
3. 前記ウェハの厚さは、研磨した後に２５ｍｍより小さくなることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
4. 前記オフセット角度は、３０〜６０度であることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
5. 前記オフセット角度は、約４５度であることを特徴とする請求項４記載の半導体ウェハのダイシング方法。
6. 第１のダイシングにより、前記ウェハ上に第１のダイシング凹みを形成するステップと、
   第２のダイシングにより、前記第１のダイシング凹み中に、前記第１のダイシング凹みよりも幅が狭い第２のダイシング凹みを形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
7. ウェハの表面に対応して所定角度でウェハ上へダイシングツールを挿入するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
8. 前記所定角度は、７７度より小さいことを特徴とする請求項７記載の半導体ウェハのダイシング方法。
9. 前記ウェハをダイシングするために、流体ビームまたはレーザビームを使用することを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
10. 前記ダイシングラインに沿って一つ以上の凹みが形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハのダイシング方法。
11. 前記凹みが形成されている領域は接続されて、一つ以上の凹溝を形成することを特徴とする請求項１０記載の半導体ウェハのダイシング方法。
12. 前記凹みは、ウェハ上に形成されたダイよりも低い位置にあることを特徴とする請求項１０記載の半導体ウェハのダイシング方法。
13. 前記凹みは、ウェハ上に形成されたダイの上表面と実質的に等しい高さにあることを特徴とする請求項１０記載の半導体ウェハのダイシング方法。
14. 前記凹みは、ダイシング中に発生する圧力を吸収するために一つ以上の有機物が充填されることを特徴とする請求項１３記載の半導体ウェハのダイシング方法。
15. ダイヤモンド構造の基材を有するウェハにおいて、前記ウェハのダイアモンド構造の自然劈開方向からオフセット角度で少なくとも一つ形成される縁部を有する一つ以上のダイと、
    少なくとも一つのダイシングラインに設置され、前記ウェハがダイシングラインに沿ってダイシングされるときに、前記ダイに好ましくないクラックが発生することを防ぐ防護素子と、
    を備えることを特徴とする半導体ウェハ。
16. 前記防護素子は、ウェハ上の金属素子および誘電体素子からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１５記載の半導体ウェハ。
17. 前記防護素子は、前記ウェハ中に一つ以上形成されることを特徴とする請求項１５記載の半導体ウェハ。
18. ウェハ上に形成されたダイよりも低い位置に凹みがあることを特徴とする請求項１７記載の半導体ウェハ。
19. ウェハ上に形成されたダイの上表面と実質的に等しい高さに凹みがあることを特徴とする請求項１７記載の半導体ウェハ。
20. 前記凹みは、ダイシング中に発生する圧力を吸収するために一つ以上の有機物が充填されることを特徴とする請求項１９記載の半導体ウェハ。

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