用于通过浸渗加固结构的方法

专利名称：用于通过浸渗加固结构的方法
技术领域：
本发明通常涉及一种结构，尤其是涉及具有增强强度的半导体 结构及其制造方法。
背景技术：
在半导体芯片制造中，低介电常数材料可期望用于降低后端工
序(BEOL: back-end-of-line)以及封装互连中的信号传播延迟以及 串扰。介电常数的降低总是导致电介质抗断裂性的相应降低。对于 其中抗断裂性直接与键合密度和强度相关的易损的类似氧化物的电 介质，尤其是这样。特别地，在具有金属结构需要重新设计芯片的 切口区的芯片周围，会出现分层，这限制了可用于切口测试结构的 区域。
抗断裂性降低的一个结果是利用近来的电介质，BEOL结构的 抗断裂性已经变得低于其上制作有这些结构的硅衬底的抗断裂性。 因此，通过诸如芯片切割和导线键合的工艺引入到芯片结构中的缺 陷(imperfection)优先通过BEOL互连结构传播，引起芯片失效。
通常，将半导体芯片进一步通过诸如C4芯片贴装或导线键合的 不同工艺附着并连接到封装结构。由于在封装芯片中不同材料的热 循环期间的热膨胀属性不同，封装结构中材料的复杂布置将会在封 装工艺中和/或在使用条件下在芯片中产生显著的应力。这些力或者 应力通常是集中的，并且会导致现有结构缺陷变得不稳定和传播。
在这种封装中可以使用某种应力释放材料。然而，在大多数情 况下，选择材料以便最优化封装的其他功能，诸如电特性或者C4疲 劳寿命，因此不能单独设计材料来降低芯片中的应力。另外，通常 向封装芯片的边沿施加显著的剪应力或者拉应力。因此，需要提供
这样 一 种结构，该结构能够避免因预先存在的裂紋或者其他缺陷传 播到芯片的有源区域而引起的芯片封装交互作用(CPI)失效。
一种方式是增加电介质自身的固有韧性。如上所述，在不增加 有效介电常数的情况下，这无法在整个芯片中实现，因此折衷了电 特性。为了增加对于CPI裂紋传播的抵抗性而又不影响芯片的电特 性，必需在芯片的周边局部地实现对电介质的加固。这可以通过对 芯片的边沿应用分离的掩蔽和处理步骤来实现。然而，这种方式很 昂贵，因此并不是所期望的方法。
抑制结构缺陷传播的另 一 种方式是降低结构缺陷尖端处的应 力，使得不能达到临界断裂应力。这可以通过利用受限的选项对封 装进行特殊设计来实现。
鉴于上述情况，存在对于这样一种结构及其制造方法的需要， 该结构对于后端工序电介质材料中的裂紋传播具有增强的抵抗性。

发明内容
本发明涉及一种通过利用浸渗剂对结构进行浸渗来加固结构的 方法，从而利用该结构加固了互连电介质材料、弥补了该结构的缺 陷、加强了该结构并因此加固了该结构而并未折衷该结构的期望的 低介电常数。
本发明的实施方式其中之一提供了一种用于加固结构的方法，
该方法包括
提供其中定位有至少 一 个互连结构的结构；
对所述包括至少 一 个互连结构的结构进行切割；
将至少一种浸渗剂应用到至少一个互连结构的暴露边沿；以及
将所述浸渗剂浸渗到至少 一 个互连结构中。
本发明的另一实施方式提供了一种用于加固结构的方法，该方
法包括
提供具有至少一个互连结构的结构；
对所述包括至少 一 个互连结构的结构进行局部切割；
在板内形成多个芯片切割沟道；
将至少 一种浸渗剂应用到所述芯片切割沟道的至少 一个中； 将至少 一种浸渗剂浸渗到至少 一个互连结构中；以及 将至少一个互连结构切割成多个芯片。
根据本发明，该结构可以包括半导体衬底、芯片或者封装。 通常，在本发明中应用的浸渗剂具有从大约1000至30000克/
摩尔的低分子量，并且能够促进对存在于至少一个互连结构中的电
介质材料的微孔的渗透。
在本发明的一个方面中，浸渗剂包括交联基团和活性基团。
在本发明的另 一 方面中，所述浸渗剂可以是聚合物体系或者聚
合物前体。该聚合物体系例如是溶剂媒介聚合物体系或者是液态的。
所述聚合物前体可以进一步包括至少一种其他材料，诸如，UV引发 剂、热引发剂、交联剂和层间电介质(ILD)活性基团或者它们的任 意组合。
在本发明的又一 方面中，利用如键合剂或第二化合物的其他材 料将本发明的结构键合到封装。


图1A-图1D是(通过剖面图)示出了根据本发明的一个实施方 式对结构进行加固的方法的图形表示。
图2A是(通过剖面图)示出了根据本发明的一个实施方式的图 1C所示方法的应用的图形表示。
图2B是(通过剖面图)示出了根据本发明的另一实施方式的图 1C所示方法的替代应用的图形表示。
图2C是(通过剖面图)示出了根据本发明的又一实施方式的图 1C所示方法的替代应用的图形表示。
具体实施例方式
现在，将参考下面的论述以及本申请的附图对本发明进行更加
详细的描述，本发明提供了一种加固结构的方法，以便通过利用浸 渗剂对结构进行浸渗来弥补该结构中的缺陷、加强该结构、并因此 加固在结构内的互连电介质却并未折衷该结构的期望的低介电常 数。需要注意的是，本发明的附图是仅出于说明的目的而提供的， 因而附图并不是按照比例绘制的。
在下面的描述中，为了提供对于本发明的彻底理解，陈述了若 干具体细节，诸如特定结构、部件、材料、尺寸、处理步骤以及技 术。但是，本领域普通技术人员应当理解，本发明脱离这些具体细 节一样可以实现。在其它的情况中，为了避免混淆本发明，没有详 细地描述公知的结构或者处理步骤。
将要理解的是，当像是层、区域或者结构的元件被称作为"在 另一元件中，，或者"到另一元件中，，时，该元件可以直接位于该另 一元件上，或者还可以存在居间元件。
图1A-图1D是(通过剖面图)示出了加固半导体结构的方法的 顺序剖面图形表示。具体地，参考图1A,初始半导体结构l2包括 衬底层10、多个阻挡层20以及后端工序(BEOL)叠层55,该BEOL 叠层55包括互连电介质材料40、极后端工序(FBEOL: far-back-end-of-line)电介质层30和BEOL金属布线层56。在图1A 中示出了原始边沿51和54。
互连电介质材料40可以包括任何级间或者级内电介质，其包括 无机电介质或者有机电介质。互连电介质材料40可以是多孔的或者 非多孔的。可以用作电介质材料40的适合电介质的 一些实例包括但 并不仅限于Si02,倍半硅氧烷，包括Si、 C、 O和H的C掺杂氧 化物(即，有机硅酸盐)，热固性聚亚芳基醚，或者它们的多层。 在该申请中，使用"聚亚芳基"来指示通过键、稠环或者诸如像氧、 硫、砜、亚砜、羰基等的惰性联接基团而联接的芳基部分或惰性取 代芳基部分。
该互连电介质材料40典型地具有大约4.0或更小的介电常数， 更加典型的是具有约2.8或者更小的介电常数。除非另外说明，否则 此处提到的所有介电常数都是相对于真空而言。这些电介质材料与
具有的介电常数大于4.0的电介质材料相比通常具有更低的寄生串 扰。互连电介质材料40的厚度可以根据所使用的电介质材料以及互 连电介质材料40内电介质层的确切数目而改变。通常，对于普通的 互连结构，互连电介质材料40具有大约50至1000nm的厚度。
参考图1B，未完全切割的半导体结构13包括两个原始边沿51 和54、两个新近未完全切割的边沿52和53、以及在边沿52和53 之间的一反内切割沟道50。
可替代地，参考图1B和图1D, —种未完全切割的半导体结构， 其中切割沟道50进一步被完全切割，形成两个分离的切割芯片71 和72,其中芯片71包括原始边沿51和新切割的边沿52，芯片72 包括原始边沿54和新切割的边沿53。该切割可以通过本领域技术人 员公知的不同方法来执行。通常，该切割使用诸如金刚石锯切或者 激光切割的标准切割工艺来执行。
参考图1B,边沿51、 52、 53、 54可以包括至少一个结构缺陷。 该结构缺陷可能是由各种原因所导致的，诸如在半导体结构的切割 边沿处出现的尖裂紋或者界面分层。该结构缺陷还可能是因导线键 合工艺而导致的。
参考图1C,可以将浸渗剂60应用到未完全切割的半导体结构 13的边沿51、 52、 53以及54。接着参考图1D，将半导体结构l3 进一步切割成两个分离的芯片71和72。
根据本发明的另一实施方式，参考图1A和图1D,将所提供的 半导体结构12完全切割，形成两个分离的芯片71和72，而没有图 1C所示的步骤，并且进一步将浸渗剂60应用到边沿51、 52、 53和 54。
参考图1C和图1D,通过多个阻挡层20防止浸渗剂60移动到 BEOL结构55的电有源区域65中。每个阻挡层20是用于防止浸渗 剂60渗透到电有源区域65中的阻挡材料。例如，每个阻挡层20是 金属裂紋阻止层或者潮湿氧化阻挡层。裂紋阻止层可以包括利用电
路互连元件(例如衬底中的水平互连元件)构造的结构，以阻止衬 底内的裂紋。潮湿氧化阻挡层可以包括构造用于防止潮湿/氧化污染
物到达有源电路区域65的结构。
优选地，本发明的方法可以弥补有缺陷的结构并加强半导体结 构的边沿，而不会在BEOL结构中生成任何新的结构缺陷。
的若干实例。参考图2A,在本发明的一个实施方式中，将浸渗剂60 应用到所提供的半导体结构的边沿51直到阻挡层20,该阻挡层20 阻止了浸渗剂60渗透到有源电路所在的芯片中心。
参考图2B，根据本发明的另一实施方式，浸渗剂60仅仅渗透到 芯片的边沿58处的结构缺陷中，其中该芯片使用与渗透剂60不同 的键合剂键合到封装14。在这种情况下，浸渗剂可以渗透该电介质 材料，或者可以不渗透该电介质材料。
参考图2C，在本发明的另一实施方式中，提供了键合到封装l5 的芯片86。在芯片86的BEOL结构82中切割出沟槽80。将浸渗剂 60应用到切割边沿59,以防止裂紋88传播进入到如图2C所示的芯 片的中心84。在这种情况下，浸渗剂可以渗透该电介质材料，或者 可以不渗透该电介质材料。
该半导体封装14或15经由键合工艺形成，其中利用至少第二 材料键合半导体芯片。第二材料例如可以包括键合剂或者第二化合 物。优选地，第二材料不是与浸渗剂相同的材料。键合剂例如可以 是粘合剂，诸如环氧树脂或者特定类型的冶金。
浸渗剂60典型地具有从大约IOOO至30000克/摩尔的低分子量， 并且能够促进对存在于至少一个互连结构中的电介质材料的微孔的 渗透。
浸渗剂60可以包括交联基团，其中浸渗剂增强了电介质材料40 的分子属性，该交联基团可以通过热退火方法或者UV辐射方法来 引入。
热退火工艺是在半导体器件制造中使用的工艺，其包括一次对 单个晶片进行加热以便影响其电特性。可以利用恒温下的连续加热 或者各种温度跳变下的连续加热。对于不同的效果设计唯 一 的热处 理。可以对晶片进行加热以便激活掺杂剂、改变膜至膜或膜至晶片 衬底界面、使沉积的膜致密化、改变生长膜的状态、修复离子注入 的损坏、将掺杂剂从 一 个膜移动或者驱动到另 一 膜中或者将掺杂剂 从一个膜移动或者驱动到晶片衬底中。
浸渗剂60可以包括活性基团，其中活性基团可以提供共价键以 增强附着力。例如，能够与硅烷醇反应的活性基团是羟基、羧基或
硅烷醇等。
浸渗剂60可以包括聚合物体系。例如，该聚合物体系是溶剂媒 介聚合物体系。该溶剂例如是丙二醇曱醚乙酸酯(PGMEA)、丙二 醇曱醚(PGME)、曱苯、二曱苯、苯曱醚、1,3,5-三曱基苯、丁内 酯、环己酮、己酮、乳酸乙酯、庚酮、醇、环醚、环酮等。该溶剂 可以促进聚合物体系的微孔和裂紋渗透，并进一步通过利用加热或 者不用加热进行蒸发来移除。
根据本发明的另 一 实施方式，该聚合物体系在玻璃转化温度 (Tg)以下是液态，不需要任何溶剂，该聚合物体系的实例是聚硅 氧烷、聚硅氮烷、聚醚、聚氨酯和聚酯。
浸渗剂60可以包括聚合物前体。例如，该聚合物前体是单体。 另外，该聚合物前体可以通过自由基链聚合作用而聚合，诸如苯乙 烯塑料(styrenics)、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯和乙烯基单体。
聚合物前体可以进 一 步进行附加的缩合或者聚合工艺，例如，
利用环氧树脂，典型的聚氨酯。
聚合物前体还可以进一步包括引发剂，诸如UV引发剂或者热引 发剂。引发剂是指用于开始链反应的化学化合物。化学化合物引发 剂，通常形成自由基——具有至少一个不成对电子的原子或分子或 者在反应中用作单个实体的带电或不带电的原子基团。UV或者热引 发剂的实例是偶氮异丁腈和过氧化苯甲酰，但不限于此。
该聚合前体可以进一步包括至少一个交联剂。交联剂是一种促
进或者调节聚合物链之间的分子间共价键的物质，将它们联接到一 起，以生成更加刚性的结构。交联剂例如是二乙烯基苯、三官能基 团和四官能基团等中之一。
聚合物前体还可以进一步包括至少一种层间电介质(ILD)活性
基团。ILD是每个金属层之间或者第 一金属层和硅之间的绝缘材料， 并且与级间电介质是相同的。该层间电介质材料可以包括氧化物、 低k的CVD电介质材料和/或旋布(spin-on)的低k电介质材料。 该氧化物可以是无掺杂硅玻璃(USG)、硼硅玻璃(BSG)、磷硅 玻璃(PSG)、氟硅玻璃(FSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)或者它们 的组合。各种低k的CVD电介质材料和旋布的低k电介质材料在本 领域也是已知的。
聚合物前体可以包括至少一个UV或者热引发剂、交联剂和ILD 活性基团的组合。
存在各种方式来将浸渗剂60应用到半导体衬底的边沿。本发明 的实施方式其中之一是通过器具以液体形式，诸如聚合物溶液、液 体聚合物材料或者单体前体，将浸渗剂60直接应用到半导体衬底中。 该器具例如是注射器、刷子、气溶胶或者气相工艺。该气相工艺是 如图1C所示的化学气相沉积工艺。
根据本发明的另一实施方式，浸渗剂60的应用可以进一步包括 固化工艺，其中将浸渗剂60转化成具有优选属性(诸如，优选的机 械属性)的固体材料。因此，以均匀的涂敷将浸渗剂60应用到半导 体结构，其后是局部固化。例如，该浸渗剂通过旋涂来应用，并进 一步通过激光退火或者UV辐射在所选区域中交联。最后，移除未 固化的材料。然而，并不排除其他沉积工艺，诸如像化学气相沉积 和等离子体增强化学气相沉积。
本发明用于将浸渗剂60应用到半导体结构的又一 实施方式是在 充足的局部压力下经由气相而引入浸渗剂，例如单体前体。该方法 易于引起单体前体在可进入的微孔(例如在预切区域中暴露的多孔 ILD)中的毛细缩合。在填充了微孔之后，通过在热退火时进行UV
暴露使单体前体聚合或者交联。
本领域技术人员将会认识到，也可利用其他种类的半导体结构。 另外，在存在结构缺陷或者不存在结构缺陷的情况下都可以将该浸 渗剂60应用到半导体结构，以加固半导体结构的边沿。此外，根据
对于半导体结构的不同需要，可以将不同种类的浸渗剂60应用到同 一半导体结构的不同边沿。在此处，这样的应用是可以明确地预期的。
尽管已参照其优选实施方式具体示出和描述了本发明，但是本 领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 可以在形式和细节上做出前述及其他各种改变。因此，本发明并不 限于已描述和示出的确切形式和细节，而是落入所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种加固结构的方法，所述方法包括提供其中定位有至少一个互连结构的结构；对所述包括所述至少一个互连结构的结构进行切割；将至少一种渗透剂应用到所述至少一个互连结构的暴露边沿；以及将所述浸渗剂浸渗到所述至少一个互连结构中。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述切割提供多个半导体芯片o
3. 根据权利要求1所述的方法，其中将所述结构局部切割，在 板内形成多个芯片切割沟道，并将所述结构分离成多个芯片。
4. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括位于所述互连结构 中的至少一个阻挡层，所述至少一个阻挡层是金属裂紋阻止层或者 潮湿氧化阻挡层。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述结构包括半导体衬底、 芯片或者封装。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述浸渗剂渗透到位于该 结构的至少一个边沿中的结构缺陷中。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述浸渗剂具有从约1000 至30000克/摩尔的低分子量，并且能够促进对存在于所述至少一个 互连结构中的电介质材料的微孔的渗透。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述浸渗剂包括交联基团， 其中所述浸渗剂增强存在于所述至少 一个互连结构中的至少 一种电 介质材料的分子属性。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述交联基团通过热退火 方法或者UV辐射方法来引入。
10. 根据权利要求9所述的方法，进一步包括将活性基团并入到 所述浸渗剂。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述浸渗剂是聚合物体系。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述聚合物体系是溶剂 媒介的聚合物体系。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述聚合物体系是液态的。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述浸渗剂是聚合物前体。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述聚合物前体的聚合 进行自由基链聚合或者缩合聚合。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述聚合物前体进一步 包括UV引发剂或者热引发剂。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中所述聚合物前体进一步 包括至少一种交联剂。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中所述聚合物前体进一步 包括至少一种ILD活性基团。
19. 根据权利要求1所述的方法，其中，使用至少一种第二材料 将所述至少一个互连结构键合到封装。
20. —种加固结构的方法，所述方法包4舌 提供其中定位有至少一个互连结构的结构；对所述包括至少 一 个互连结构的结构进行完全切割；形成多个芯片；将至少一种浸渗剂应用到所述芯片的至少一个暴露边沿；以及 将所述浸渗剂浸渗到所述芯片中。
全文摘要
本发明提供了一种加固结构的方法，以便弥补结构中的缺陷、加强该结构并因此加固电介质而并不折衷该结构的期望的低介电常数。本发明的方法包括步骤提供具有至少一个互连结构的半导体结构；切割该互连结构；将至少一种浸渗剂应用到该互连结构；以及使该浸渗剂浸渗以浸渗到该互连结构中。
文档编号H01L21/82GK101359621SQ20081014513
公开日2009年2月4日 申请日期2008年7月31日 优先权日2007年8月1日
发明者D·L·奎斯塔德, E·G·利尼格, M·莱恩, T·M·肖, W·F·兰德斯, 刘小虎, 黄遏明 申请人:国际商业机器公司