JP5390769B2 - 極薄ダイおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は半導体デバイスに関する。より詳細には、本開示は半導体デバイスの厚さの低減に関連する方法に関する。
実証研究およびコンピュータモデルでは、半導体ダイを薄化することによって半導体デバイスの性能が改良され得ることが示されている。ダイを薄化するために用いられる最も一般的な方法はバック・グラインディング処理であり、ダイ・ソーイング、即ち、個片化に先立って行われる。
しかしながら、グラインディング単独でのダイの薄化が可能であるのは、機械的荷重によって半導体ウエハの欠けまたは割れを生じるより充分に前のみである。加えて、バック・グラインディング処理に続いて、ウエハ上に形成される個々のダイはソー切断またはスクライビング手法を用いて個片化される。ダイを個片化する個々の処理中、特にダイが薄化された状態にあるときには、ダイに一層の損傷が生じる恐れがある。したがって、この問題を克服する方法は有用であろう。
本開示の特定の一実施形態では、半導体基板の処理方法が開示される。この方法によって共通の処理中に基板が薄化され、ダイシング（個片化）される。一実施形態では、標準的なリソグラフィ手法および背面整合手法を用いて、開口トレンチ領域を有するフォトレジストその他のパターニング可能な有機層などのマスク層が、基板の背面上に形成される。典型的には、トレンチ領域は基板の正面上に規定されるスクライブ・グリッド領域と整合される。背面に等方性エッチングを行うことによって、基板の背面上のトレンチ領域のパターンが転写される。マスク層の除去後、エッチング消費または剥離によって基板の背面のエッチングが行われ、ウエハが背面表面を通じて均一に薄化される。同時に、背面の最も深い部分を構成しているトレンチ領域がエッチングされ、背面を通じて最も深い部分を残す。エッチングによる基板の薄化はトレンチ領域が正面に貫通するまで続行され、その時点でウエハが個々のダイに個片化される。マスク層が消費または除去される時点、即ち、バルクウエハエッチングの開始時でのトレンチの深さによって、最終のダイの最大厚さが決定される。
本開示の特定の実施形態は、図１〜１２を参照することによって一層よく理解される。
図１には、ワークピース３１の断面図を示す。ワークピース３１は半導体基板１０を備え、２つの平行な大きな表面１２，１４と、２つの大きな表面１２，１４の間の縁を形成する１つの小さな表面とを有する。小さな表面、即ち、縁は、ワークピース３１の周面を形成する。参照のため、大きな表面１４を前面、正面または能動面１４と呼び、この表面が動作デバイスの形成される能動領域を有する表面であることを示す。また、前面の能動面１４の位置に対し、大きな表面１２を基板の後面または背面１２と呼ぶ。参照符号２１はワークピース３１の厚さを表す。一実施形態では、能動面１４を処理して動作デバイスを形成している間、厚さ２１は基板１０の厚さとほぼ同じである。薄化の必要な任意のワークピース厚さが用いられ得るが、典型的には基板１０の厚さは約６６０．４マイクロメートル（２６ミル）である。
図１には、ワークピース３１の断面図を示す。ワークピース３１は半導体基板１０を備え、２つの平行な大きな表面１２，１４と、２つの大きな表面１２，１４の間の縁を形成する１つの小さな表面とを有する。小さな表面、即ち、縁は、ワークピース３１の周面を形成する。参照のため、大きな表面１４を前面、正面または能動面１４と呼び、この表面が動作デバイスの形成される能動領域を有する表面であることを示す。また、前面の能動面１４の位置に対し、大きな表面１２を基板の後面または背面１２と呼ぶ。参照符号２１はワークピース３１の厚さを表す。一実施形態では、能動面１４を処理して動作デバイスを形成している間、厚さ２１は基板１０の厚さとほぼ同じである。薄化の必要な任意のワークピース厚さが用いられ得るが、典型的には基板１０の厚さは約６６０．４マイクロメートル（２６ミル）である。
典型的には、基板１０はシリコンまたは砒化ガリウムのウエハであるが、ゲルマニウムドープ層、エピタキシャルシリコン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板その他、半導体デバイスの形成に適切な任意の基板であることが可能である。
図２には、薄化され、厚さ２１１を有するワークピース３２が形成された後の基板１０を示す。特定の一実施形態では、摩耗性の機械的バック・グラインディング処理により、基板１０の背面に１つ以上の研磨材を接触させることによって基板１０が薄化され、所望の中間の厚さ２１１が得られる。基板１０の厚さ２１１は、薄化される基板材料の機械的強度の限界によって制約される。この限界では、続く機械的薄化処理による破壊に対し、基板はより敏感になる。典型的には、厚さ２１１は約１０１．６〜２５４．０マイクロメートル（４〜１０ミル）の範囲にあるが、厚さ２１１は、さらなる薄層化を必要とする基板の任意の厚さを表し得る。例えば、より厚い基板やより薄い基板に対し、続く図３〜１０に記載の処理が実行され得る。
図３には、ワークピース３３を示す。ワークピース３３では、ワークピース３２の基板１０の背面の上にマスク層１６が形成されている。マスク層１６は放射線感光材料または非放射線感光材料から形成されてよく、複数の層を含んでよい。マスク層１６におけるトレンチ領域４１の形成は、リソグラフィの技術分野において周知のパターニングマスク（図示せず）、即ち、フォトマスク、または直接照射手法、即ち、電子ビームもしくはレーザを用いる背面整合手法の使用によって実行され、トレンチ領域４１がスクライブ領域の直上に形成されるように、トレンチ領域４１の位置がワークピースの正面と整合される。
一実施形態では、マスク層１６はフォトレジスト材料から形成される。このフォトレジスト材料の典型的な厚さは０．２５〜２５マイクロメートルの範囲であり、他の厚さは１〜２マイクロメートル、１〜４マイクロメートル、０．７５〜１．２５マイクロメートル、０．５〜１．５マイクロメートルおよび０．５〜３マイクロメートルの範囲である。典型的な厚さはほぼ１マイクロメートルである。マスク層１６がフォトレジスト層であるとき、フォトリソグラフィ手法の使用によってフォトレジスト材料の中へトレンチ４１が形成される。別の実施形態では、マスク層１６はハードマスク材料、即ち、非放射線感光材料から形成され、フォトレジスト層など別個のマスキング層（図示せず）を用いてエッチングされ、マスク層１６のエッチング中にトレンチ領域４１の位置が規定される。ハードマスク材料はエッチング耐性を提供する任意の材料であってよい。ハードマスク材料には、有機材料、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコンもしくはアルミニウム、タングステン、チタンなどの金属またはそれらの組み合わせが含まれる。
図１２は、能動面１４上に配置されるスクライブ・グリッドの位置を表すグリッド位置４１１を有する基板の平面図である。これらのスクライブ領域はデバイス４６の間に形成される領域であり、この領域ではダイを個片化するために、典型的には切断またはスクライブが行われる。トレンチ４１の幅をスクライブ領域の幅より幾分狭くするために、整合精度に基づいて、典型的にはスクライブ領域の幅をほぼ２０〜１００マイクロメートルとする。本開示の特定の実施形態では、デバイス４６が円など矩形以外の形状であってよいこと、即ち、円い縁を有するデバイスであってよいことや、スクライブ・ラインが任意の所望のパターンであってよいこと、また基板表面を横切って連続したチャネルを形成しても形成しなくてもよいことは明らかであろう。
図４には、ワークピース３３の一部１１０（図３）の拡大図を示す。図４の拡大図は、マスク層１６を通じてトレンチ領域４１を完全にエッチングして基板１０の一部を露出することが可能であること、または、破線１４１によって示す位置までなど、マスク層１６を通じてトレンチ４１を部分的に形成することが可能であることを示す。マスク層１６を通じて位置１４１まで部分的に形成されたトレンチは、様々な手法を用いて得られる。例えば、マスク１６が単一の種類の材料から形成される（即ち、領域１６１，１６２が同じハードマスク材料である）とき、典型的には時間の設定されたエッチングが用いられる。多層マスクが用いられるとき、下の層１６１に対し停止するように選択されるエッチングを用いることが可能である、即ち、層１６２の下の層１６１は異なった材料から形成される。また、層１６１が所望のトレンチ深さ１４１を表す深さに形成された検出可能な層を表すときなど、終了点の検出によって制御されるエッチングを用いることも可能である。光学分光その他の標準的なまたは専用の検出手法を用いて、終点検出を実行することが可能であることは認識されるであろう。
図５には、ワークピース３４を形成するためにエッチング工程６２によってマスク層１６および基板１０の背面内に形成されたトレンチ４２を示す。一実施形態では、エッチング６２はマスク層１６に対する有意な選択性を有し、基板１０はマスク層１６より大きな速度でエッチングされる。例えば、マスク層１６がフォトレジスト材料であるとき、ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）エッチング、即ち、ディープシリコンエッチングとして知られる処理を用いて、マスク層１６に対し基板１０を優先的にエッチングすることが可能である。このエッチング処理の結果、図５に示すように、図３にて形成されたトレンチは基板の中へ転写される。基板１０に所望の深さを有するトレンチ領域４２を形成することに続き、図６のエッチング処理６３の進行中にマスク層１６を除去することが可能である。これによって、ハードマスク１６を用いることなく、基板１０にトレンチ領域４３の形成されたワークピース３５が形成される。例えば、マスク層１６がフォトレジスト材料である場合、基板１０に対してトレンチ領域が所望の深さに達したときに、酸素プラズマを用いるエッチング処理またはフォトレジストの剥離もしくはアッシングを行うエッチングを用い、フォトレジストマスク層を除去することが可能である。
代替の一実施形態では、ワークピース３５のトレンチ領域４３は、マスク層１６を消費するエッチング中に同時に形成される。例えば、マスク層１６が部分的に消費され、トレンチ領域４３が部分的にのみ形成された場合、エッチング６２（図５）は中間のワークピース３４を形成する。図６のエッチング６３はエッチング６２の続きを表し、エッチング処理６３によってマスク層１６が完全に消費され、即ち、除去され、トレンチ領域４３が完全に形成されたときのワークピース３５を示す。一実施形態では、マスク層１６の厚さは、ボッシュエッチングなどディープエッチング処理を用いて基板のトレンチ領域４３の形成とマスク層の完全な消費とを同時に行うことを可能とする厚さである。
典型的なボッシュエッチング処理は、反復的な堆積（例えば、Ｃ４Ｈ８を用いる）とエッチング（例えば、ＳＦ６／Ｏ２）との連続に基づく。一般には、エッチングされているフィーチャ上にポリマーの堆積が行われる。サイドウォール沿いのポリマーの除去に対しトレンチの底部でのポリマーの除去を促進するために、基板バイアスが印加される。次いで、サイドウォール保護ポリマーを貫通せず、より深くトレンチをエッチングするために充分なだけ長く、エッチング工程が実行される。必要な深さに達するまで、堆積およびエッチングの工程が反復される。
ボッシュ処理では、低基板バイアスを用いて異方性エッチング特性が強化される。プラズマは高密度であり、高いエッチング速度と、潜在的に高い選択性を生じる。ポンプパッケージは低圧で非常に高いガス流量を可能とするように構成される。
ボッシュエッチングの結果、原子レベルで平滑（ａｔｏｍｉｃａｌｌｙ ｓｍｏｏｔｈ）な粗さ、即ち、５ｎｍ未満の表面粗さを有する水平の（大きな）表面と、ほぼ５０ｎｍのスキャロッピング性（ｓｃａｌｌｏｐｉｎｇ ｎａｔｕｒｅ）の粗さを有する垂直の（小さい）表面とが得られる。
マスク層１６がトレンチ４３の形成中の同時の消費によって除去されるフォトレジストである一実施形態では、マスク層１６の最小厚さは、下述の方程式によって決定される。既知変数には、基板１０の除去の速度、フォトレジストの除去の速度および所望のダイの厚さが含まれる。次の方程式によって定義される最小厚さのフォトレジストマスク層１６によってトレンチ４１を形成し、必要な場合には個片化に続くエッチングを通じて、所望のダイ厚さが得られる。
最小マスク厚さ ＝ 所望ダイ厚さ×（エッチング速度（マスク）／エッチング速度（基板））
エッチングが前面の能動側まで貫通して停止することによって完了するので、元のマスク厚さによって個片化時のダイの厚さが規定される。
エッチングが前面の能動側まで貫通して停止することによって完了するので、元のマスク厚さによって個片化時のダイの厚さが規定される。
図７には、ワークピース３６を示す。ワークピース３６は、中間の接着剤層５１の使用によって取り扱い基板５２に付着された後のワークピース３５である。開示の処理はダイを個片化するので、個々のダイを適所に支持するために取り扱い基板５２が用いられる。基板１０を損傷させることなく有効に取り扱うことが不可能となる点まで基板１０が薄化されるより前の任意の時点において、取り扱い基板５２が基板１０に付着され得ることは認識されるであろう。これによって、正面への整合が可能となる。例えば、取り扱い基板は、図３の処理の後に加えられる。
また、図７にはエッチング６４を示す。エッチング６４によって、ウエハの均一な薄化が継続される。エッチング６４は、ほぼ同じ速度でまたは既知のように背面の上部表面およびトレンチ領域４３の底部をエッチングすることによって、背面１２の上部表面に対するトレンチ領域４３のほぼ既知の深さを維持する任意のエッチングである。厚さ２１１は薄化処理中の基板１０の厚さを表す。特定の一実施形態では、エッチング６４は、本明細書に記載のボッシュエッチングなど、ディープシリコンエッチングである。図８に示すように、所望のダイ厚さ２１４が得られ、個々のダイ４６が個片化されるまでエッチングが継続されて、ワークピース３７が形成される。特定の一実施形態では、所望のダイ厚さは６５マイクロメートル未満である。別の実施形態では、この厚さは５１マイクロメートル未満である。さらに別の実施形態では、所望のダイ厚さは４０マイクロメートル未満である。典型的には、極薄ダイの厚さは後の取扱い要件および消費電力要件に適合するように選択される。図７に示すようにエッチングすることによって、基板１０上のダイ位置が薄化され、図８に見られるように、ダイのサイドウォールはその全体が露出されるまで、トレンチの内部で露出される。
最終のダイ厚さ２１４を、トレンチ領域４３（図６）の開始時の深さに基づく所定量に正確に制御可能であることは認識されるであろう。図６には、トレンチ領域４３の形成中のエッチング消費または剥離によって、マスク層１６が完全に消費される時点のワークピースを示す。図６によって表される時間の後の続くエッチングによって、エッチングが正面を貫通するときの検出が可能となる。例えば、終了点検出によって貫通時にエッチングを終結させることが可能である。終了点検出では、ウエハの正面のスクライブ領域で見出されることが分かっている化学元素、即ち、終了点材料が、プラズマエッチングのプラズマ内に検出される。例えば、終了点層は正面スクライブ領域の上に形成されて、背面エッチング中、光分光学によって検出可能な材料をプラズマに提供することが可能である。そのような「標識」元素の検出は、前面に達したことまたはやがて達することを示し、エッチングは停止される。これに代えて、標識元素または条件の検出に続き、短時間のエッチングを行うことによって、確実に個片化することが可能である。これらの手法によって、ウエハを完全に貫通しないためダイを個片化しない不完全エッチングと、材料を除去し過ぎてダイを薄化し過ぎるオーバーエッチングとの両方が防止され得る。
図９にはワークピース３８を示す。ワークピース３８では、ダイの背面の上方に背面金属層１１が形成され、ダイ４７が形成される。背面金属層１１によって、後に個々のダイ４７をパッケージング基板へ取付けることが容易となる。
図１０には、ワークピース３８の背面に付着されたピックアップテープ５３を示す。これによってワークピース３９が形成される。図１１では、接着剤層５が溶解その他の手段によって除去されて、取り扱い基板５２を分離してワークピース４０を形成することが可能となる。
個片化に続いて、従来のまたは専用のパッケージング手法およびパッケージング材料を用いて、ダイ４７をパッケージ化することが可能である。例えば、フリップチップ手法、ワイヤボンド手法またはそれらの組み合わせを用いて、ダイをパッケージ化することが可能である。パッケージは、セラミックおよびプラスチックパッケージや、ボールグリッドパッケージ、ワイヤリードパッケージまたは他の種類のパッケージも含め、任意の種類の材料であり得る。
Claims (1)
- 半導体基板の処理方法において、
半導体基板の背面の上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、
半導体基板からダイが形成される場所を規定するトレンチ領域をマスク層に形成するトレンチ領域形成工程と、
トレンチ領域形成工程に続いて、半導体基板の正面の上に取り扱い基板を付着させて第１のワークピースを形成する第１ワークピース形成工程と、
第１ワークピース形成工程に続いて、マスク層および半導体基板を同時にエッチングし、マスク層を除去すると同時に半導体基板にトレンチ領域を形成する第１エッチング工程であって、半導体基板に形成されるトレンチ領域は、半導体基板の厚さ未満の第１の厚さを有する工程と、
第１エッチング工程に続いて、半導体基板の背面からエッチングし、半導体基板を薄化すると同時に第１のワークピース上で半導体基板を複数のダイへ個片化する第２エッチング工程と、を備え、
前記第２エッチング工程は、半導体基板の正面の上に形成されて第２エッチング工程の終了点となる層を検出する工程を含む方法。
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