晶圆切割方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆切割方法。


背景技术：

2.随着半导体技术进入后摩尔时代，为满足高集成度和高性能的需求，芯片结构向着三维方向发展。其中，通过键合技术实现“异质混合”是“超摩尔定律”的重要技术之一，键合工艺能够将不同工艺节点制程的芯片进行高密度的互连，实现更小尺寸、更高性能和更低功耗的系统级集成。现有的键合方式通常有晶圆与晶圆的键合(w2w)、芯片与芯片的键合(c2c)和芯片与晶圆的键合(c2w)。由于c2w可以剔除不良芯片且产率较高，因此受到全球半导体巨头的青睐。
3.c2w可以利用单纯的金属键合工艺或键合强度更高的混合键合工艺来实现，由于混合键合技术具有更高的i/o连接密度及更好的散热性能，从而得到了广泛的应用，混合键合技术对芯片表面的洁净度和平整度要求极高。
4.目前对晶圆切割方式主要包括：刀轮切割方式、激光切割方式和等离子切割方式等，然而刀轮切割方式破坏性大，容易导致晶圆中的介质层碎裂产生蹦口或分层，影响芯片性能，且刀轮形成的切割道的横向宽度较大，不利于芯片微缩，切割产生的颗粒物会影响芯片表面的洁净度和平整度；激光切割方式形成的切割道的横向宽度较小，但是会导致材料的热重熔现象，即使在晶圆的表面盖上保护胶，熔渣作为颗粒物也会堆积在槽口周围；等离子切割方式应用面较窄，刻蚀剂的选择难度较大，且刻蚀产生的副产物也会附着在芯片的表面。因此，目前的晶圆切割方式各有优劣，但均无法保证芯片表面的洁净度和平整度，进而导致混合键合效果不佳。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种晶圆切割方法，能够保证芯片表面的洁净度，提高键合键合效果。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种晶圆切割方法，包括：
7.提供用于进行混合键合的器件晶圆；
8.采用第一激光切割工艺沿所述器件晶圆的表面向下开槽，形成从所述器件晶圆的表面延伸至所述器件晶圆内的第一凹槽；
9.刻蚀以去除所述器件晶圆的表面上的颗粒物；
10.平坦化所述器件晶圆的表面；以及，
11.采用第二激光切割工艺沿所述第一凹槽的底面向下开槽，形成连通所述第一凹槽的第二凹槽，且所述第一凹槽的横向宽度大于所述第二凹槽的横向宽度。
12.可选的，所述第一激光切割工艺的激光的线宽大于所述第二激光切割工艺的激光的线宽，以使所述第一凹槽的横向宽度大于所述第二凹槽的横向宽度。
13.可选的，所述第一凹槽的横向宽度为10微米
‑
30微米；和/或，所述第二凹槽的宽度
为8微米
‑
20微米。
14.可选的，所述第一激光切割工艺的激光的能量小于所述第二激光切割工艺的激光的能量，以使所述第一凹槽的深度小于所述第二凹槽的深度。
15.可选的，采用湿法刻蚀工艺刻蚀以去除所述器件晶圆表面上的颗粒物，且所述湿法刻蚀工艺刻蚀所述颗粒物的速率大于刻蚀所述器件晶圆的表面的材料的速率。
16.可选的，所述器件晶圆包括衬底、互联结构层及混合键合层，所述互联结构层覆盖所述衬底的正面，所述混合键合层覆盖所述互联结构层，沿所述器件晶圆的表面向下开槽时，是沿所述混合键合层的表面向下开槽。
17.可选的，所述第一凹槽和所述第二凹槽至少共同贯穿所述混合键合层及所述互联结构层。
18.可选的，所述第一凹槽及所述第二凹槽共同贯穿所述器件晶圆并构成切割道。
19.可选的，所述第二凹槽从所述第一凹槽的底面并延伸至所述衬底内，形成所述第二凹槽之后，还包括：
20.沿所述第二凹槽的底面向下开槽，形成连通所述第二凹槽的第三凹槽，所述第一凹槽、所述第二凹槽及所述第三凹槽共同贯穿所述器件晶圆并构成切割道。
21.可选的，所述器件晶圆包括衬底、互联结构层及混合键合层，所述互联结构层覆盖所述衬底的正面，所述混合键合层覆盖所述衬底的背面，所述互联结构层中具有贯穿的第四凹槽，沿所述器件晶圆的表面向下开槽时，是沿所述混合键合层的表面向下开槽。
22.可选的，所述第一凹槽和所述第二凹槽至少共同贯穿所述混合键合层。
23.可选的，所述第一凹槽及所述第二凹槽共同贯穿所述混合键合层及所述衬底后与所述第四凹槽连通，第一凹槽、所述第二凹槽及所述第四凹槽共同贯穿所述器件晶圆并构成切割道。
24.可选的，所述第二凹槽从所述第一凹槽的底面并延伸至所述衬底内，形成所述第二凹槽之后，还包括：
25.沿所述第二凹槽的底面向下开槽，形成连通所述第二凹槽和所述第四凹槽的第三凹槽，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽及所述第四凹槽共同贯穿所述器件晶圆并构成切割道。
26.可选的，采用等离子体刻蚀工艺或刀轮切割工艺形成所述第三凹槽。
27.在本发明提供的晶圆切割方法中，首先从采用第一激光切割工艺沿器件晶圆的表面向下开槽，形成横向宽度较大的第一凹槽，然后刻蚀所述器件晶圆的表面，去除形成所述第一凹槽时产生并附着在所述器件晶圆的表面的颗粒物，然后平坦化所述器件晶圆的表面，保证所述器件晶圆的表面的洁净度和平整度，之后采用第二激光切割工艺沿所述第一凹槽的底面向下开槽，形成连通所述第一凹槽的且横向宽度较小的第二凹槽，此时，所述第二激光切割工艺产生的颗粒物仅会堆积在所述第一凹槽和所述第二凹槽内，不会影响所述器件晶圆的表面的洁净度和平整度，保证切割后产生的单个芯片的表面的洁净度和平整度，可提高混合键合工艺的键合效果。
附图说明
28.图1为本发明实施例一提供的晶圆切割方法的流程图；
29.图2a～图2f为本发明实施例一提供的晶圆切割方法的相应步骤对应的结构示意图；
30.图3为本发明实施例二提供的切割道的示意图；
31.图4a为本发明实施例三提供的器件晶圆的示意图；
32.图4b为本发明实施例三提供的切割道的示意图；
33.图5为本发明实施例四提供的切割道的示意图；
34.其中，附图标记为：
35.100
‑
衬底；100a
‑
衬底的正面；100b
‑
衬底的背面；110
‑
互联结构层；111
‑
介质层；112
‑
互联结构；120
‑
混合键合层；121
‑
绝缘键合层；122
‑
导电键合垫；200
‑
切割道；200
‑
切割道；201
‑
第一凹槽；202
‑
第二凹槽；203
‑
第三凹槽；204
‑
第四凹槽；
36.h1
‑
第一凹槽的横向宽度；h2
‑
第二凹槽的横向宽度。
具体实施方式
37.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
38.实施例一
39.图1为本实施例提供的晶圆切割方法的流程图。如图1所示，所述晶圆切割方法包括：
40.步骤s100：提供用于进行混合键合的器件晶圆；
41.步骤s200：采用第一激光切割工艺沿所述器件晶圆的表面向下开槽，形成从所述器件晶圆的表面延伸至所述器件晶圆内的第一凹槽；
42.步骤s300：刻蚀以去除所述器件晶圆的表面上的颗粒物；
43.步骤s400：平坦化所述器件晶圆的表面；以及，
44.步骤s500：采用第二激光切割工艺沿所述第一凹槽的底面向下开槽，形成连通所述第一凹槽的第二凹槽，且所述第一凹槽的横向宽度大于所述第二凹槽的横向宽度。
45.图2a～图2f为本实施例提供的晶圆切割方法的相应步骤对应的结构示意图。接下来，将结合图2a～图2f对本实施例提供的晶圆切割方法进行详细说明。
46.请参阅图2a，执行步骤s100，提供所述器件晶圆，本实施例中，所述器件晶圆是用于进行面对面混合键合的器件晶圆。所述器件晶圆包括衬底100、互联结构层110及混合键合层120，所述衬底100具有正面100a和背面100b，所述互联结构层110覆盖所述衬底100的正面100a，所述混合键合层120覆盖所述互联结构层110，由此，所述衬底100、所述互联结构层110及所述混合键合层120由下至上依次堆叠。
47.所述衬底100中形成有器件结构，所述器件结构可以为mos器件、传感器件、存储器件和/或其他无源器件。
48.所述互联结构层110包括介质层111及形成于所述介质层111中的互联结构112，所述互联结构112与所述器件结构互连；所述介质层111可以为单层或多层结构，所述互联结构112可以为一层或多层金属层(图2a中示意性的用一层来替代)，不同金属层之间可以通过接触插塞、连线层和/或过孔等电连接件实现互连。
49.所述混合键合层120包括绝缘键合层121以及导电键合垫122，所述导电键合垫122位于所述绝缘键合层121中且与所述互连结构互连。通常地，所述导电键合垫122形成于所述互连结构上，并分别与所述互连结构的顶层金属层互连，以实现互连结构的电引出。
50.可选的，所述介质层111和所述绝缘键合层121的材料可以为介质材料或低k介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、ndc(nitrogen doped silicon carbide，掺氮碳化硅)或其组合，所述互联结构112的材料可以为金属材料，例如钨、铝、铜或其组合，所述导电键合垫122的材料可以为键合金属材料，例如铜、金或其组合。
51.请参阅图2b，执行步骤s200，采用第一激光切割工艺沿所述器件晶圆的表面向下开槽，形成从所述器件晶圆的表面延伸至所述器件晶圆内的第一凹槽201。本实施例中，所述第一凹槽201位于所述混合键合层120内，也即是说，所述第一凹槽201的深度小于所述混合键合层120的厚度，使得所述第一凹槽201并未贯穿所述混合键合层120。
52.可选的，所述第一凹槽201的横向宽度h1为10微米
‑
30微米。
53.进一步地，所述第一凹槽201也不限于位于所述混合键合层120内，所述第一凹槽201也可以贯穿所述混合键合层120并延伸至所述互联结构层110内，所述第一凹槽201甚至可以贯穿所述混合键合层120和所述互联结构层110并延伸至所述衬底100内，本发明不作限制。
54.应理解，采用所述第一激光切割工艺形成所述第一凹槽201时，所述第一激光切割工艺容易导致材料的热重熔现象，使得所述第一凹槽201的内壁上以及所述混合键合层120的表面上堆积由熔渣构成的颗粒物，影响所述混合键合层120的表面的洁净度和平整度，并且，这些颗粒物通常粘度较大，难以去除。
55.请参阅图2c，执行步骤s300，刻蚀以去除所述器件晶圆的表面上的颗粒物。具体而言，采用湿法刻蚀工艺刻蚀所述混合键合层120的表面，从而去除所述颗粒物。
56.本实施例中，所述湿法刻蚀工艺刻蚀所述颗粒物的速率大于刻蚀所述器件晶圆的表面的材料(所述绝缘键合层121和所述导电键合垫122)的速率，优选的，可以选用对所述器件晶圆的表面的材料具有较大刻蚀选择比的刻蚀剂刻蚀所述颗粒物，从而防止刻蚀所述颗粒物时对所述器件晶圆的表面的材料造成损伤。
57.应理解，所述湿法刻蚀工艺在去除所述颗粒物的同时，也会刻蚀所述混合键合层120的表面，导致所述混合键合层120的表面的平整度降低。
58.请参阅图2d，执行步骤s400，平坦化所述器件晶圆的表面。具体而言，采用诸如化学机械研磨工艺对所述混合键合层120的表面进行平坦化，从而提高所述混合键合层120的表面的平整度。
59.当然，对所述混合键合层120的表面进行平坦化时，所述混合键合层120的厚度也会被减薄，但这并不会影响本发明的实施。
60.请参阅图2e，执行步骤s500，采用第二激光切割工艺沿所述第一凹槽201的底面向下开槽，形成连通所述第一凹槽201的第二凹槽202。本实施例中，所述第二凹槽202从所述第一凹槽201的底部延伸至所述衬底100内，但并未贯穿所述衬底100。
61.结合图2d及图2e所示，所述第一激光切割工艺的激光的线宽大于所述第二激光切割工艺的激光的线宽，使得所述第一凹槽201的横向宽度h1大于所述第二凹槽202的横向宽度h2。可选的，所述第二凹槽202的横向宽度h2可以为8微米
‑
20微米。
62.应理解，采用所述第二激光切割工艺形成所述第二凹槽202时，类似的，所述第二激光切割工艺也容易导致材料的热重熔现象，从而产生颗粒物，但是由于所述第二凹槽202的横向宽度小于所述第一凹槽201的横向宽度，所述第二激光切割工艺产生的颗粒物仅会堆积在所述第一凹槽201和所述第二凹槽202内，不会影响所述混合键合层120的表面的洁净度和平整度。
63.进一步地，所述第一激光切割工艺的激光的能量小于所述第二激光切割工艺的激光的能量，使得所述第一凹槽201的深度小于所述第二凹槽202的深度，从而减少所述第一激光切割工艺形成的颗粒物，降低所述湿法刻蚀工艺的难度，但不应以此为限。作为可选实施例，所述第一激光切割工艺的激光的能量也可以大于或等于所述第二激光切割工艺的激光的能量，使得所述第一凹槽201的深度大于或等于所述第二凹槽202的深度。
64.可选的，所述第二凹槽202不限于从所述第一凹槽201的底部延伸至所述衬底100内，还可以刚好露出所述衬底100的表面，也即是说，所述第一凹槽201和所述第二凹槽202可以恰好共同贯穿所述混合键合层120和所述互联结构层110。
65.请参阅图2f，沿所述第二凹槽202的底面向下开槽，形成连通所述第二凹槽202的第三凹槽203，所述第一凹槽201、所述第二凹槽202及所述第三凹槽203共同贯穿所述器件晶圆并构成切割道200。所述切割道200在所述器件晶圆上横纵分布，从而将所述器件晶圆分隔为一个个单独的芯片，然后可以将这些芯片采用混合键合工艺键合至一目标晶圆上。由于所述第一激光切割工艺产生的颗粒物已经被去除，而所述第二激光切割工艺产生的颗粒物仅堆积在所述第一凹槽201和所述第二凹槽202内，单个芯片的表面的洁净度和平整度较高，可提高所述混合键合工艺的键合效果。
66.进一步地，由于所述第二凹槽202已经延伸至了所述衬底100内，沿所述第二凹槽202的底面向下开槽形成所述第三凹槽203时，只需要去除所述第二凹槽202底部的衬底100即可，本实施例中，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第二凹槽202底部的衬底100直至将所述衬底100刻穿，从而形成所述第三凹槽203。
67.可以理解的是，由于所述等离子体刻蚀工艺难以刻蚀金属材料和介质材料，采用所述等离子体刻蚀工艺形成所述第三凹槽203时，所述第一凹槽201和所述第二凹槽202至少需要共同贯穿所述混合键合层120和所述互联结构层110。
68.作为可选实施例，也可以采用诸如刀轮切割工艺形成所述第三凹槽203，此时，所述第一凹槽201和所述第二凹槽202则无需共同贯穿所述混合键合层120和所述互联结构层110，就位于所述第一凹槽201和所述第二凹槽202内即可，本实施例不作限制。
69.实施例二
70.图3为本实施例提供的切割道200的示意图。如图3所示，与实施例一的区别在于，本实施例中，在形成所述第二凹槽202时，所述第二凹槽202沿所述第一凹槽201的底部向下贯穿所述混合键合层120、所述互联结构层110以及所述衬底100。如此一来，所述第一凹槽201及所述第二凹槽202共同贯穿所述器件晶圆并构成所述切割道200，可以省略形成所述第三凹槽203的步骤，简化了工艺流程。
71.实施例三
72.图4a为本实施例提供的器件晶圆的示意图。如图4a所示，与实施例一的区别在于，本实施例中，所述器件晶圆是用于进行背对面混合键合的器件晶圆，所述互联结构层110覆
盖所述衬底100的正面100a，所述混合键合层120覆盖所述衬底100的背面100b，并且，所述互联结构层110中具有第四凹槽204。
73.可选的，所述第四凹槽204可以是在所述器件晶圆的混合键合层120形成之前制备的，由此，所述第四凹槽204的制备不会对所述混合键合层120的清洁度和平整度造成不良影响。
74.具体而言，图4b为本实施例提供的切割道200的示意图。如图4b所示，所述第一凹槽201位于所述混合键合层120内，所述第二凹槽202从所述第一凹槽201的底部延伸至所述衬底100内，第三凹槽203连通所述第二凹槽202和所述第四凹槽204。所述第一凹槽201、所述第二凹槽202、所述第三凹槽203及所述第四凹槽204共同贯穿所述器件晶圆并构成所述切割道200。
75.进一步地，由于所述第二凹槽202已经延伸至了所述衬底100内，沿所述第二凹槽202的底面向下开槽形成所述第三凹槽203时，只需要去除所述第二凹槽202底部的衬底100即可，本实施例中，采用等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第二凹槽202底部的衬底100直至将所述衬底100刻穿，从而形成所述第三凹槽203。
76.可以理解的是，由于所述等离子体刻蚀工艺难以刻蚀金属材料和介质材料，采用所述等离子体刻蚀工艺形成所述第三凹槽203时，所述第一凹槽201和所述第二凹槽202至少需要共同贯穿所述混合键合层120。
77.实施例四
78.图5为本实施例提供的切割道200的示意图。如图5所示，与实施例三的区别在于，本实施例中，在形成所述第二凹槽202时，所述第二凹槽202沿所述第一凹槽201的底部向下贯穿所述混合键合层120、互联结构层110以及所述衬底100。如此一来，所述第一凹槽201、所述第二凹槽202及所述第四凹槽204共同贯穿所述器件晶圆并构成所述切割道200，可以省略形成所述第三凹槽203的步骤，简化了工艺流程。
79.综上，在本发明实施例提供的晶圆切割方法中，首先从采用第一激光切割工艺沿器件晶圆的表面向下开槽，形成横向宽度较大的第一凹槽，然后刻蚀所述器件晶圆的表面，去除形成所述第一凹槽时产生并附着在所述器件晶圆的表面的颗粒物，然后平坦化所述器件晶圆的表面，保证所述器件晶圆的表面的洁净度和平整度，之后采用第二激光切割工艺沿所述第一凹槽的底面向下开槽，形成连通所述第一凹槽的且横向宽度较小的第二凹槽，此时，所述第二激光切割工艺产生的颗粒物仅会堆积在所述第一凹槽和所述第二凹槽内，不会影响所述器件晶圆的表面的洁净度和平整度，保证切割后产生的单个芯片的表面的洁净度和平整度，可提高混合键合工艺的键合效果。
80.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
81.还需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实
质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
82.还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
83.此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。
84.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。