TWI511195B - 半導體晶片之精確破斷法與其破斷系統 - Google Patents

Description

半導體晶片之精確破斷法與其破斷系統

本揭露是有關於一種脆性物質破斷方法，且特別是有關於一種半導體晶片之精確破斷法。

在半導體製造過程中，為了分析了解物質表面/介面汙染或物理或電性接合不良之原因，必須對不良處作定點表面/介面之分析，而需要破斷晶圓或晶片而便於觀察其剖面。因此，破斷剖面製作廣泛用於許多半導體材料之微結構分析，然而，隨著半導體元件尺寸愈來愈小，對定點破斷剖面之精確度要求也愈來愈高方可精確破斷特定的元件結構。

目前已知之破斷方法之精確度僅能達到1μm，對於需要極小尺寸的半導體元件結構而言實屬不足。所以目前也迫切地需要發展出更精確之半導體晶片之破斷方法。

本揭露提出一種半導體晶片破斷方法，包括：利用聚焦離子束從該半導體晶片上表面切割出一梯度切槽，該梯度切槽至少包括第一切槽、第二切槽與第三切槽，該第一切槽、該第二切槽與該第三切槽均橫向向內延伸且朝向該半導體晶片的一待分析結構的位置，而該第三切槽的尖端最接近該待分析結構的該位置；以及透過折斷器下壓該半導體晶片，利用該梯度切槽導引劈裂方向而劈裂該半導體晶片而使該半導體晶片破斷且剖開該待分析結構。

本揭露提出一種半導體晶片破斷使用的梯度切槽，當破斷半導體晶片時預先形成於半導體晶片表面，其中該梯度切槽由第一切槽、第二切槽與第三切槽所構成，該第一切槽從該半導體晶片的邊緣朝向該半導體晶片的一待分析結構的位置向內延伸，該第二切槽連通於該第一切槽之一邊且朝向該待分析結構的位置向內延伸，該第三切槽連通於該第二切槽之一邊且朝向該待分析結構的位置向內延伸，其中該第一切槽：該第二切槽：該第三切槽的深度比約為25：5：1~5，而該第一切槽：該第二切槽：該第三切槽的寬度比約為50：10：0.1~2。

本揭露提出一種晶片破斷系統，包括一晶片載具、一鑽頭、一聚焦離子束源以及以及一劈裂裝置，其中該聚焦離子束源產生一聚焦離子束，該晶片載具有一多軸移動器，其中該多軸移動器移動一目標晶片接近該聚焦離子束而在該目標晶片上切割出 一梯度切槽而該梯度切槽的寬度範圍為微米至奈米，再由該多軸移動器移動至該劈裂裝置下壓該目標晶片來劈裂破斷該目標晶片。

本揭露之半導體晶片破斷方法使用聚焦離子束(FIB)來預先切割出劈裂破斷使用的切槽，該切槽為梯台式凹槽，預切槽尖端之寬度最小可小於100nm，而能有效導引劈裂方向瞄準目標點(定點)。使用本揭露的定點破斷方法定點破斷之精確度相當高，預估也可小於或等於10nm，其破斷時裂面走向相當穩定、垂直，製得的定點破斷剖面也很乾淨。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧晶片

20‧‧‧鑽具

15‧‧‧欲分析結構

30‧‧‧彈性材料片

40‧‧‧聚焦離子束

700‧‧‧晶片破斷系統

710‧‧‧晶片載具

712‧‧‧多軸移動器

720‧‧‧鑽頭

42、730‧‧‧聚焦離子束源

740‧‧‧劈裂裝置

N0‧‧‧毫米槽

N1‧‧‧第一切槽

N2‧‧‧第二切槽

N3‧‧‧第三切槽

圖1是本揭露一實施例定點破斷方法的流程圖。

圖2是依照本揭露實施例的定點破斷方法以鑽具製作毫米槽的示意圖。

圖3A是依照本揭露實施例的定點破斷方法以聚焦離子束切割出梯度切槽的示意圖。

圖3B是採用聚焦離子束所製作的梯度切槽的電子顯微鏡照片。

圖3C是本揭露實施例梯度切槽立體結構的示意圖。

圖4A是本揭露實施例以折斷器破斷晶片的示意圖。

圖4B是本揭露實施例之晶片破斷後的目標點之電子顯微鏡照片。

圖5A為本揭露實施例中500奈米直徑直通矽晶穿孔結構經破斷後劈斷面之電子顯微鏡照片。

圖5B為圖5A之直通矽晶穿孔結構劈斷面波紋電子顯微鏡照片。

圖6A顯示直通矽晶穿孔結構劈斷面之各離子切槽的歐傑訊號強度能譜。

圖6B則為直通矽晶穿孔結構劈斷面之鎵元素之歐傑訊號顯像圖。

圖7顯示本揭露一實施例的一種晶片破斷系統示意圖。

半導體晶片之定點破斷主要是利用切割、雷射或蝕刻等方式在晶圓或晶片上的定點位置形成預切槽溝。半導體晶片之定點破斷剖面之精確度已知與預切槽尖端之寬度成正比。

本揭露使用聚焦離子束(FIB)來切割預切槽，預切槽尖端之寬度最小可小於100nm，而使用本揭露的定點破斷方法，製得的定點破斷剖面之精確度預估也可小於或等於10nm。其破斷時裂面走向相當穩定且相當垂直。

圖1是本揭露一實施例定點破斷方法的流程圖。如圖1 所示，本揭露的定點破斷方法共分為：晶片之切割與包覆(步驟S100)、毫米槽製作(步驟S102)、離子束切槽製作(步驟S104)與劈裂破斷(步驟S106)等步驟。在以下詳細介紹。

首先在步驟S100：晶片之切割與包覆步驟，晶片需切割至適當之大小及包覆。本研究所使用之晶片約4×4公分平方，其目標點排列於晶片周邊處，經切割至1×0.5公分平方大小，再以0.1至0.5公分厚度的彈性材料片兩片來包夾切割後的晶片(沿著晶片上下表面貼合或沿著晶片兩邊或四邊包覆)。彈性材料例如是高分子彈性材料，其可以是聚碳酸酯(PC)、聚胺酯(PU)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)或聚酯(Polyester)。彈性材料片包夾之作用為避免接下來之毫米切槽之破壞，此包夾片可大幅提升毫米槽切槽之品質與良率，也有利於離子束切槽之製作。

在步驟S102：毫米槽製作步驟中，使用鑽具橫向鑽出毫米槽。毫米槽之主要作用為使劈裂起始面接近欲分析結構定點位置。圖2是以鑽具製作毫米槽的示意圖，以特定鑽具20採單邊切槽在晶片10上橫向鑽磨移除部份晶片而形成毫米槽N0。該毫米槽例如是一內凹的弧形槽。該毫米槽N0的寬度≦5毫米。鑽具橫向穿過晶片上下表面10a/10b移除部份晶片10，而所謂橫向是指鑽具沿著Y方向(橫向乃垂直於晶片厚度方向，以虛線箭頭表橫向方向)逼近欲分析結構15鑽磨移除部份晶片。欲分析結構15例如是直通矽晶穿孔(TSV)結構。圖2中所示晶片10之左右兩邊均已經被彈性材料片30包覆保護。由於使用鑽石刀切割會造成 縱向破壞，使離子束切槽失去作用，故本揭露使用鑽具橫向鑽出毫米槽N0。本揭露採用特定鑽具可增加樣品切槽時之穩定度，改變樣品固定型式可增加樣品切槽時之精確度，增加鑽頭之清潔程序可減少樣品之破壞。透過毫米切槽製作條件之控制精進後，毫米切槽製作之樣品可改善劈裂精確度從約3μm到達0.5μm。

在步驟S104：離子束切槽製作步驟中採用聚焦離子束源42所發射之聚焦離子束40從晶片上表面10a來切割出梯度切槽。在毫米槽N0弧頂之晶片10表面上切割晶片而形成梯度切槽Nx，其至少包括第一切槽N1、第二切槽N2與第三切槽N3。梯度切槽Nx也可以是作是梯台式凹槽，其中第一切槽N1寬度深度最大、第二切槽N2寬度深度次之而第三切槽N3寬度深度最小。圖3A是以聚焦離子束切割出梯度切槽的示意圖。圖3B是採用聚焦離子束所製作的梯度切槽電子顯微鏡照片。圖3C是圖3A中局部放大梯度切槽的立體結構示意圖。

定點破斷剖面之精確度與切槽尖端之寬度及尖端到定點之距離成正比。為提高三維尺度定點破斷剖面之精確度，本揭露設計以聚焦離子束切割梯度切槽，從圖3B-3C可見，梯度切槽由第一切槽N1、第二切槽N2與第三切槽N3所構成，第一切槽N1可視為微米切槽，其切槽之寬度範圍為1~10μm之間。第二切槽N2與第三切槽N3可視為次微米及奈米切槽，其寬度範圍分別為5μm以下以及500nm以下。梯度切槽之尺寸比例範圍設計例如：第一切槽N1：第二切槽N2：第三切槽N3的深度比約為25：5： 1~5(亦即深度比25：5：1~深度比25：5：5)，而第一切槽N1：第二切槽N2：第三切槽N3的寬度比約為50：10：0.1~2(亦即寬度比50：10：0.1~寬度比50：10：2)。舉例而言，第一切槽N1為寬5μm×長5μm；第二切槽N2為寬1μm×長5μm；而第三切槽N3可為寬10nm至200nm，其長度則不作限制，以N3之間端接近待測結構約7nm至500nm之距離為N3長度調整的原則。

第一切槽N1從弧形的毫米槽N0之頂端向內延伸且朝向待分析結構15的位置。而第二切槽N2為一狹長型切槽連通於第一切槽N1之一邊朝向待分析結構15的位置向內延伸，第二切槽N2較佳是位於第一切槽N1一邊的中間位置。第三切槽N3也是一狹長型切槽連通於第二切槽N2之一邊朝向待分析結構15的位置向內延伸，第三切槽N3較佳是位於第二切槽N2一邊的中間位置。第三切槽N3的尖端t最接近目標點(欲分析結構15的位置)。本揭露實施例先形成毫米槽再形成梯度切槽，但倘因應製程設計需要，或待分析目標很靠近晶片邊緣時，可省略毫米槽之形成，則此時該第一切槽N1直接從該半導體晶片的邊緣朝向該半導體晶片內的待分析結構的位置向內延伸。

較大之第一切槽N1其作用為導引毫米槽N0之應力，第二切槽N2其作用為集中第一切槽N1之應力而導引至第三切槽N3槽內，第三切槽N3之作用則為主導裂面方向與位置。預估第三切槽尖端t之寬度最小可小至10nm，第三切槽尖端t到定點(欲分析結構15的位置)之距離最小可近至7nm。

在步驟S106：劈裂破斷步驟中，透過折斷器下壓晶片利用梯度切槽來劈裂晶片而使晶片破斷剖開待分析結構，即破斷面橫截過待分析結構，而使從待分析結構的剖面(目標點)露出來而利於後續結構分析。

本實施例之劈裂步驟參考美國標準測試材料ASTM規格E-399之3點彎曲試驗，製作三點破斷夾具與折斷器，中間單點施力破斷可以控制施力位置及承受施力重量10公斤。完成之破斷載台與其破斷示意圖如圖4A所示。將破斷試片放在破斷載台上進行破斷，切槽面朝下方，上方支柱對準切槽垂直方向後，依照1~900g/分鐘之施重速率下壓進行破斷，觀察並量測破斷斷面垂直走向角度，分析破斷斷面走向之影響因素。為增加三點折斷時之精確度，在三點折斷機台外加設Y軸光學顯微鏡，此Y軸之光學顯微鏡可放大至220倍，調整樣品之Y軸位置，以控制Y軸之精度與條件，經光學顯微鏡放大觀察後，Y軸之精度與條件已有大幅之改善，提高裂面之精準度與成功機率。圖4B為目標點經破斷後之電子顯微鏡照片。

破斷結果與結構表面分析

實施例中以直通矽晶穿孔(TSV)結構作為欲分析結構之例。以電子顯微鏡觀察500奈米直徑直通矽晶穿孔結構(目標點)，圖5A為500奈米直徑直通矽晶穿孔結構經破斷後劈斷面之電子顯微鏡照片。根據實驗觀察，破斷劈斷面穿過此500奈米直徑TSV目標點之機率為100%，顯示本實驗中裂面之精準度可小於0.5 μm。圖5B為圖5A之直通矽晶穿孔結構斷面波紋電子顯微鏡照片，可觀察得知其各切槽所造成之應力傳播情況由圖5B之斷面波紋觀察比較可看出其各切槽所造成之應力傳播情況，第三切槽N3(寬0.2μm×長5μm)所主導之斷面深度可達30μm，第二切槽N2所主導之斷面深度可達60μm，因此確認500奈米直徑TSV目標點劈斷面由最尖端之切槽(第三切槽N3)所主導。

利用場效式歐傑電子能譜(FE-AES)分析此500奈米直徑TSV目標點破斷斷面，以分析其鎵元素分佈。圖6A顯示直通矽晶穿孔結構劈斷面之各離子切槽的歐傑訊號強度能譜。由圖6A可看出鎵元素在各離子切槽含量大小依序為第一切槽N1>第二切槽N2>第三切槽N3，而表1顯示鎵元素在各離子切槽之含量(半定量之結果)。

圖6B則為直通矽晶穿孔結構劈斷面之鎵元素之歐傑訊號顯像圖。本研究比較後發現鎵元素在第三切槽N3之歐傑訊號顯像與電子顯微鏡照片結果一致，若此歐傑訊號顯像之解析度估計為50nm來看，估計在距第三切槽N3之50nm外之劈裂面，沒有鎵元素之汙染。本揭露之晶片破斷方法有效提升破斷剖面之精確度，由實驗中確實可精準地穿過直徑500奈米之目標點中心處看 來，預估本揭露之晶片破斷方法能使精確度達到100奈米以下。

圖7顯示本揭露一實施例的一種晶片破斷系統示意圖。該晶片破斷系統700至少包括其係包括一晶片載具(鑽床)710、一鑽頭720、一聚焦離子束源730以及一劈裂裝置740(折斷器)。該晶片載具710例如為一鑽床或一多軸移動器712，其中該多軸移動器712移動一目標晶片10先經鑽頭720鑽出毫米槽後，再移動晶片10接近該聚焦離子束40進行切割，經過該聚焦離子束40切割後出梯度切槽後的該目標晶片10，再由該多軸移動器712移動至該劈裂裝置740進行劈裂。該聚焦離子束源730乃設置於一真空腔體中。其中該聚焦離子束40切割的梯度切槽的寬度範圍為微米至奈米。其中該晶片破斷系統700更包括至少一監視器系統(未圖示)。其中該聚焦離子束使用離子源材為鎵(Ga)、氙(Xe)、氬(Ar)、金(Au)、鉍(Bi)、碳六十(C60)、氧(O₂ )、銫(Cs)、氦(He)或至少其中兩種之混合。該聚焦離子束的直徑可為500nm或以下。

綜上所述，本揭露實施例中的晶片破斷方法可採三點受力破斷，能夠讓施力點落在切槽上，故其破斷時裂面走向較穩定且垂直，而能得到乾淨的剖斷面，以利後續結構分析。使用本揭露實施例中的半導體晶片定點破斷方法可以提供半導體晶片精確破斷的剖面。由於本揭露之劈裂方法使用FIB切割出預切槽，故在相同條件下，破斷剖面之精確度預估也可比其他目前技術精確數十倍。根據實施例，利用本揭露之梯度切槽搭配現有折斷方法，所得到的裂面可精準地穿過直徑500奈米之目標點中心處。從歐 傑電子能譜可看出本揭露之劈裂方法所製作的劈裂面無鎵元素之汙染發現。本揭露之劈裂方法之精準度已達次微米等級，甚至可能達奈米等級。不僅可供半導體晶片潔淨剖面之分析之用途，未來也可應用在多種用途上，如晶圓切割(Dicing)與半導體製造中之應用。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

15‧‧‧欲分析結構

N0‧‧‧毫米槽

N1‧‧‧第一切槽

N2‧‧‧第二切槽

N3‧‧‧第三切槽

Claims (17)

1. 一種半導體晶片破斷方法，包括：利用聚焦離子束從該半導體晶片上表面切割出一梯度切槽，該梯度切槽至少包括第一切槽、第二切槽與第三切槽，該第一切槽、該第二切槽與該第三切槽均橫向向內延伸且朝向該半導體晶片的一待分析結構的位置，而該第三切槽的尖端最接近該待分析結構的該位置；透過折斷器下壓該半導體晶片，利用該梯度切槽導引劈裂方向而劈裂該半導體晶片而使該半導體晶片破斷且剖開該待分析結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶片破斷方法，更包括在利用聚焦離子束從該半導體晶片上表面切割出一梯度切槽之前，利用鑽頭與鑽床將該半導體晶片橫向切出產生一毫米槽，其中該毫米槽為弧形凹槽且向內延伸。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體晶片破斷方法，其中將該半導體晶片橫向切出產生一毫米槽包括利用一鑽具橫向鑽切出該毫米槽。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體晶片破斷方法，其中該毫米槽之寬度≦5毫米。
5. 如申請專利範圍第2項所述之半導體晶片破斷方法，更包括在利用聚焦離子束從該半導體晶片上表面切割出一梯度切槽之前，以一彈性材料片包覆該半導體晶片，其中該彈性材料片之材 料為高分子彈性體(elastomer)。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體晶片破斷方法，其中該高分子彈性體是聚碳酸酯、聚胺酯、聚二甲基矽氧烷、聚苯乙烯或聚酯。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶片破斷方法，其中該待分析結構是直通矽晶穿孔(TSV)結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶片破斷方法，其中該第一切槽之寬度介於1~10μm之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體晶片破斷方法，其中該第二切槽的寬度≦5μm而該第三梯度的寬度≦500nm。
10. 一種半導體晶片破斷使用的梯度切槽，當破斷半導體晶片時預先形成於半導體晶片表面，其中該梯度切槽由第一切槽、第二切槽與第三切槽所構成，該第一切槽從該半導體晶片的邊緣朝向該半導體晶片的一待分析結構的位置向內延伸，該第二切槽連通於該第一切槽之一邊且朝向該待分析結構的位置向內延伸，該第三切槽連通於該第二切槽之一邊且朝向該待分析結構的位置向內延伸，其中該第一切槽：該第二切槽：該第三切槽的深度比約為25：5：1~5，而該第一切槽：該第二切槽：該第三切槽的寬度比約為50：10：0.1~2。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體晶片破斷使用的梯度切槽，其中該第一切槽的寬度介於1~10μm之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體晶片破斷使用的梯 度切槽，其中該第二切槽的寬度≦5μm而該第三切槽的寬度≦500nm。
13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體晶片破斷使用的梯度切槽，其中該第二切槽位於該第一切一邊的中間位置，而該第三切槽是位於該第二切槽一邊的中間位置。
14. 一種晶片破斷系統，包括一晶片載具、一鑽頭、一聚焦離子束源以及以及一劈裂裝置，其中該聚焦離子束源產生一聚焦離子束，該晶片載具有一多軸移動器，其中該多軸移動器移動一目標晶片接近該聚焦離子束而在該目標晶片上切割出一梯度切槽而該梯度切槽的寬度範圍為微米至奈米，再由該多軸移動器移動至該劈裂裝置下壓該目標晶片來劈裂破斷該目標晶片。
15. 如申請專利範圍第14項所述之晶片破斷系統，其中該多軸移動器可移動該目標晶片至該鑽頭，以該鑽頭鑽出一毫米槽，該毫米槽的寬度≦5毫米。
16. 如申請專利範圍第14項所述之晶片破斷系統，其中該聚焦離子束使用離子源材為鎵(Ga)、氙(Xe)、氬(Ar)、金(Au)、鉍(Bi)、碳六十(C60)、氧(O₂ )、銫(Cs)、氦(He)或至少其中兩種之混合。
17. 如申請專利範圍第14項所述之晶片破斷系統，其中該聚焦離子束的直徑≦500nm。