制作半导体器件的方法与流程

本发明整体涉及半导体器件以及制作半导体器件的方法，并且更具体地讲，涉及半导体晶片和使用研磨阶段和分离阶段以减少表面损坏的晶片薄化方法。

背景技术：

半导体器件在现代电子产品中很常见。电子部件中半导体器件的数量和密度各不相同。半导体器件执行多种多样的功能，诸如模数信号处理、传感器、电磁信号的发送和接收、电子器件控制、功率管理以及音频/视频信号处理。分立的半导体器件通常包含一种类型的电子部件，例如，发光二极管(led)、小信号晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管、整流器、晶闸管以及功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。集成半导体器件通常包括数百至数百万的电子部件。集成半导体器件的示例包括微控制器、专用集成电路(asic)、电源转换器件、标准逻辑器件、放大器、时钟管理器件、存储器、接口电路以及其它信号处理电路。

半导体晶片包括基础衬底材料和多个半导体管芯，所述多个半导体管芯形成在晶片的有源表面上，通过锯道分开。图1a示出了具有基础衬底材料12、有源表面14和背表面16的常规半导体晶片10。导电通孔18穿过半导体晶片10而形成以用于电互连。导电通孔18是在晶片薄化之前产生的并且可由钨或其它硬质金属制成，有时在导电通孔和基础衬底材料12之间设有氧化物材料用于隔离。

许多应用需要降低半导体管芯的高度或厚度，以使半导体封装件的尺寸最小化。图1b示出了研磨操作，其中砂轮20将基础衬底材料12的一部分从半导体晶片10的背表面16移除并且减小半导体晶片的厚度。砂轮20以该砂轮的恒定进给速率操作而进入研磨表面中。砂轮20通常在到达导电通孔18之前穿过基础衬底材料12的某个部分。研磨操作在研磨表面上留下来自基础衬底材料12、导电通孔18和砂轮20的颗粒22以及其它污染物。颗粒和污染物22卡在砂轮齿部21之间以及砂轮20和基础衬底材料12之间。砂轮连同各种颗粒和污染物22的旋转在最终研磨后表面26中形成表面裂缝、凿孔和其它损坏24，如图1c所示。特别地，钨制导电通孔18是脆性的并且易裂开并卡在砂轮和研磨表面之间，从而在最终研磨后表面26中留下裂缝、凿孔、划痕和其它损坏24。对最终表面26的损坏可能导致半导体晶片10无法通过检查。另外，最终研磨后表面26中的裂缝、凿孔和其它损坏24可能产生应力集中点，这可能导致晶片和管芯的断裂并且降低产量。

附图说明

图1a-图1c示出了在最终研磨后表面中留下裂缝、凿孔和其它损坏的常规半导体晶片研磨过程；

图2a-图2c示出了具有由锯道分开的多个半导体管芯的半导体晶片；并且

图3a-图3n示出了使用研磨阶段和分离阶段以减少表面损坏的晶片薄化过程。

具体实施方式

下文参照附图描述了一个或多个实施方案，其中类似的数字表示相同或相似的元件。虽然按照实现某些目标的最佳模式描述了附图，但描述旨在涵盖可包括在本公开的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。如本文使用的术语“半导体管芯”兼指该词语的单数形式和复数形式，并且相应地，可同时涉及单个半导体器件和多个半导体器件。

半导体器件一般采用两种复杂的制造工艺制造：前端制造和后端制造。前端制造涉及在半导体晶片的表面上形成多个管芯。晶片上的每个管芯可包含有源电子部件、无源电子部件以及光学器件，它们被电连接以形成功能电路。有源电子部件诸如晶体管和二极管具有控制电流流动的能力。无源电子部件诸如电容器、电感器和电阻器形成执行电路功能所必需的电压电流关系。光学器件通过将光波或电磁辐射的可变衰减转换成电信号来检测和记录图像。

后端制造是指将成品晶片切割或切割成单独的半导体管芯，并封装半导体管芯以实现结构支撑、电互连和环境隔离。使用等离子蚀刻、激光切割工具或锯片沿晶片的非功能区(称为锯道或划线)对晶片进行切割。在切割后，单独半导体管芯被安装至封装衬底，该封装衬底包括用于与其它系统部件互连的引脚或互连焊盘。在半导体管芯上方形成的互连焊盘随后连接到封装件内的互连焊盘。电连接可通过导电层、凸块、螺柱凸块、导电胶或焊丝而形成。密封剂或其它模制材料沉积在封装件上方，以提供物理支撑和电绝缘隔离。然后，将成品封装件插入到电系统中，并且半导体器件的功能便可提供给其它系统部件使用。

图2a示出了具有基础衬底材料102诸如硅、锗、磷化铝、砷化铝、砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅或其它基体半导体材料的半导体晶片100。多个半导体管芯104形成在晶片100上，通过无源锯道106分开，如上所述。锯道106提供切割区域以将半导体晶片100分离成单独半导体管芯104。在一个实施方案中，半导体晶片100的宽度或直径为100毫米-450毫米(mm)，并且厚度为675微米-775微米(μm)。在另一个实施方案中，半导体晶片100的宽度或直径为150mm-300mm。

图2b示出半导体晶片100的一部分的剖面图。每个半导体管芯104具有背表面108以及有源表面或区域110，该有源表面或区域包含模拟或数字电路，该模拟或数字电路实现为形成在管芯内并根据管芯的电学设计和功能而电互连的有源器件、无源器件、导电层和介电层。例如，电路可包括一个或多个晶体管、二极管以及其它电路元件，这些元件形成在有源表面或区域110内以实现模拟电路或数字电路，诸如数字信号处理器(dsp)、微控制器、asic、电源转换器件、标准逻辑器件、放大器、时钟管理器件、存储器、接口电路、以及其它信号处理电路。半导体管芯104还可包含用于射频信号处理的集成无源器件(ipd)，诸如电感器、电容器和电阻器。有源表面110可包含图像传感器区域，该图像传感器区域被实现为互补金属氧化物半导体(cmos)或n型金属氧化物半导体(nmos)技术中的半导体电荷耦合器件(ccd)和有效像素传感器。另选地，半导体管芯104可为光学透镜、检测器、垂直腔面发射激光器(vcsel)、波导、堆叠管芯、电磁(em)滤波器或多芯片模块。

使用pvd、cvd、电解电镀、无电镀工艺、蒸镀或其它合适金属沉积工艺在有源表面110上方形成导电层112。导电层112包括铝(al)、铜(cu)、锡(sn)、镍(ni)、金(au)、银(ag)、钨(w)、钛(ti)、钛钨(tiw)或其它合适导电材料的一个或多个层。导电层112用作电连接至有源表面110上的电路的互连焊盘。

使用机械钻孔、激光钻孔或深度反应离子蚀刻(drie)穿过半导体晶片100形成多个通孔。使用电解电镀、无电镀工艺或其它合适金属沉积工艺向通孔填充al、cu、sn、ni、au、ag、w、ti、tiw、多晶硅或其它合适导电材料，以便形成嵌入半导体管芯104内的z方向导电穿硅通孔(tsv)114。

作为质量控制流程的一部分，半导体晶片100经过电测试和检查。使用人工目视检查和自动光学系统对半导体晶片100进行检查。可使用软件对半导体晶片100进行自动光学分析。目视检查方法可采用诸如扫描电子显微镜、高强度光或紫外线、金相显微镜或光学显微镜等设备。检查半导体晶片100的结构特性，包括翘曲、厚度变化、表面颗粒、不规则性、开裂、分层、污染和变色。

半导体管芯104内的有源部件和无源部件经受晶片级的电性能和电路功能测试。使用包括多个探针或测试引线118的测试探头116或者其它测试设备来测试每个半导体管芯104的功能和电参数，如图2c所示。探针118用于与每个半导体管芯104上的节点或导电层112形成电接触，并且向互连焊盘112提供电刺激。半导体管芯104响应电刺激，该响应由计算机测试系统120测量并与预期响应进行比较，以测试半导体管芯的功能。电测试内容可包括电路功能、引线完整性、电阻率、连续性、可靠性、结深、esd、射频性能、驱动电流、阈值电流、泄漏电流以及特定于部件类型的工作参数。对半导体晶片100的检查和电测试使检测合格的半导体管芯104能够被指定为用于半导体封装件的已知合格管芯。

图3a-图3n示出了使用研磨阶段和分离阶段以减少表面损坏的晶片薄化过程。图3a示出了具有背表面108、有源表面110和导电tsv114的半导体晶片100的整个区域。半导体管芯104存在于有源表面110中，参见图2a-图2c，但是出于本发明解释的目的未作标记。半导体晶片100的研磨前厚度t1为675μm-775μm。

在图3b中，半导体晶片100倒置并安装有面向背磨胶带130的有源表面110。在图3c中，整个背表面108经受第一研磨操作，其中研磨机或砂轮132旋转，并且半导体晶片100旋转以将基础衬底材料102的一部分移除。更具体地讲，砂轮132在时间t1处被施加到基础衬底材料102，并且以循环、自旋图案移动。每次通过即可移除该研磨表面的一小部分。研磨阶段在研磨表面上留下来自基础衬底材料102、导电tsv114和砂轮132的颗粒135以及其它污染物。颗粒和污染物135卡在砂轮齿部133之间以及砂轮132和研磨表面之间。为了尤其是从砂轮132下方移除颗粒和污染物135，砂轮在z方向上移动以将砂轮与基础衬底材料102物理分离。该砂轮的向下移动可暂停而不是反转，以便允许用水冲洗而将颗粒清除。

图3d示出了在抬离或分离阶段期间在时间t2处将砂轮132从基础衬底材料102抬离。

在图3e中，在另一研磨阶段期间，在时间t3处砂轮132再次被施加到基础衬底材料102。通常存在有许多研磨阶段和分离阶段的循环，其中每次通过即可移除该研磨表面的一小部分。

在研磨阶段周期t1-t2和分离阶段周期t2-t3期间，冲洗溶液源136将冲洗溶液或水138连续地分配到研磨表面以洗去颗粒和污染物135。在分离阶段周期t2-t3期间，当将砂轮132从研磨表面抬离时，冲洗溶液138从砂轮132下方和砂轮齿部133之间清除大部分的如果不是基本上全部的颗粒和污染物135。半导体晶片100的旋转和冲洗溶液138的体积将颗粒和污染物135从砂轮132下方、磨齿133之间和研磨表面分散。

砂轮132可以在时间t2处抬离表面134，停止旋转，并且在时间t2和时间t3之间反转旋转方向。砂轮132可在分离阶段期间暂停竖直移动，或者在研磨阶段和/或分离阶段期间暂停旋转移动。研磨阶段周期t1-t2和分离阶段周期t2-t3在第一背面研磨操作期间重复，直到实现半导体晶片100的期望厚度。研磨阶段周期t1-t2的持续时间为5秒-30秒，并且分离阶段周期t2-t3的持续时间为3秒-10秒。在一个实施方案中，砂轮132在远离基础衬底材料102的z方向上抬离或移动3μm-10μm，或抬离或移动足够的高度以从砂轮齿部133清除大部分的如果不是基本上全部的颗粒和污染物135。冲洗溶液138在分离阶段周期t2-t3期间以及在研磨阶段周期t1-t2期间洗去颗粒和污染物135。另选地，冲洗溶液138被以脉冲方式施加以洗去颗粒和污染物135。冲洗溶液源136可在研磨表面上方以某个图案回旋、旋转或周向移动，以便均匀而彻底地分布冲洗溶液138。

通过将砂轮132从研磨表面抬离并且冲掉源自该研磨操作的颗粒和污染物135，在旋转或暂停时，最终表面134相对没有裂缝、凿孔和其它损坏，如背景技术中指出。可以在整个研磨操作期间，当研磨导电tsv114时，或者在最终研磨阶段期间，实践重复的研磨阶段周期t1-t2和分离阶段周期t2-t3。砂轮132可设计有较慢轮磨损率。半导体晶片100具有介于有源表面110和最终研磨后表面134之间的约355μm的研磨后厚度t2。

在另一个实施方案中，砂轮132可以在时间t2处的研磨阶段之后停止旋转、减慢旋转或以慢于正常速率的速率自旋，同时砂轮保持在表面134上。冲洗溶液源136将冲洗溶液或水138连续地分配到研磨表面以洗去颗粒和污染物135。在时间t3处，砂轮132重新开始在先前方向上旋转，或者反转旋转方向。在第一背面研磨操作期间重复研磨阶段和停止阶段，直到实现半导体晶片100的期望厚度。

在图3f中，第二研磨操作被施加到表面134，其中研磨机或砂轮140旋转，并且半导体晶片100旋转以将基础衬底材料102的一部分移除。砂轮140以循环、自旋图案跨半导体晶片100的内部区域或者晶片研磨区域142移动。每次通过即可移除该研磨表面的一小部分。砂轮140受到控制以在半导体晶片100的周边周围留下基础衬底材料102的边缘支撑环146以实现结构支撑。

更具体地讲，研磨机或砂轮140在时间t1处被施加到基础衬底材料102，如图3f所示。研磨阶段在研磨表面上留下来自基础衬底材料102、导电tsv114和砂轮140的颗粒145以及其它污染物。颗粒和污染物145卡在砂轮齿部141之间以及砂轮140和研磨表面之间。为了尤其是从砂轮140下方移除颗粒和污染物145，砂轮在z方向上移动以将砂轮与基础衬底材料102物理分离。图3g示出了在抬离或分离阶段期间在时间t2处将砂轮140从基础衬底材料102抬离。

在图3h中，在另一研磨阶段期间，在时间t3处砂轮140再次被施加到基础衬底材料102。通常存在有许多研磨阶段和分离阶段的循环，其中每次通过即可移除该研磨表面的一小部分。

在研磨阶段周期t1-t2和分离阶段周期t2-t3期间，冲洗溶液源147将冲洗溶液或水148连续地分配到研磨表面以洗去颗粒和污染物145。在分离阶段t2-t3期间，当将砂轮140从研磨表面抬离时，冲洗溶液148从砂轮140下方和砂轮齿部141之间清除大部分的如果不是基本上全部的颗粒和污染物145。半导体晶片100的旋转和冲洗溶液148的体积将颗粒和污染物145从砂轮140下方、磨齿141之间和研磨表面分散。

砂轮140可以在时间t2处抬离表面144，停止旋转，并且在时间t2和时间t3之间反转旋转方向。砂轮140可在分离阶段期间暂停竖直移动，或者在研磨阶段和/或分离阶段期间暂停旋转移动。在第二背面研磨操作期间重复研磨阶段周期t1-t2和分离阶段周期t2-t3，直到实现半导体晶片100的期望厚度。研磨阶段周期t1-t2的持续时间为5秒-30秒，并且分离阶段周期t2-t3的持续时间为3秒-10秒。在一个实施方案中，砂轮140在远离基础衬底材料102的z方向上抬离或移动3μm-10μm，或抬离或移动足够的高度以从砂轮齿部141清除大部分的，即使不是基本上全部的颗粒和污染物145。冲洗溶液148在分离阶段周期t2-t3期间以及在研磨阶段周期t1-t2期间洗去颗粒和污染物145。另选地，冲洗溶液148被以脉冲方式施加以洗去颗粒和污染物145。冲洗溶液源147可在研磨表面上方以某个图案回旋、旋转或周向移动，以便均匀而彻底地分布冲洗溶液158。

通过将砂轮140从研磨表面抬离并且冲掉源自该研磨操作的颗粒和污染物145，在旋转或暂停时，最终表面144相对没有裂缝、凿孔和其它损坏，如背景技术中指出。可以在整个研磨操作期间当研磨导电tsv114时、或者在最终研磨阶段期间实践重复的研磨阶段周期t1-t2和分离阶段周期t2-t3。砂轮140可设计有较慢轮磨损率。在一个实施方案中，半导体晶片100的研磨后厚度t3为75μm或更小。在另一个实施方案中，半导体晶片100的研磨后厚度t3为10μm-50μm。

在另一个实施方案中，砂轮140可以在时间t2处的研磨阶段之后停止旋转，同时砂轮保持在表面134上。冲洗溶液源147将冲洗溶液或水148连续地分配到研磨表面以洗去颗粒和污染物145。在时间t3处，砂轮140重新开始在先前方向上旋转，或者反转旋转方向。在第一背面研磨操作期间重复研磨阶段和停止阶段，直到实现半导体晶片100的期望厚度。

图3i示出了砂轮140的顶视图，所述砂轮移除半导体晶片100的表面134的一部分以在研磨区域142中减小半导体晶片和对应的半导体管芯104的厚度，同时在半导体晶片的周边周围留下基础衬底材料102的边缘支撑环146。边缘支撑环146具有从半导体晶片100的内壁154到外边缘156的宽度w146，该宽度为3.0mm±0.3mm。边缘支撑环146的高度是第一研磨后厚度t2，其大于半导体晶片100的第二研磨后厚度t3，以保持较薄的半导体晶片的结构完整性。

在图3j中，使用研磨后应力消除蚀刻来移除或减少研磨工艺所造成的基础衬底材料102的表面144中的损坏。用冲洗溶液清洗半导体晶片100的表面144。使用pvd、cvd、电解电镀、无电镀工艺、蒸镀或其它合适金属沉积工艺在表面144上方形成导电层166。导电层166包括al、cu、sn、ni、au、ag、ti、tiw或其它合适导电材料的一个或多个层。导电层166为半导体管芯104提供背侧电互连。根据半导体管芯104的功能，导电层166图案化为电公共部分或电绝缘部分。通过使胶带暴露于紫外(uv)线并剥离，从而移除背磨胶带130。

在图3k中，半导体晶片100安装有有源表面110，该有源表面面向薄膜框架172的胶带部分170。在图3l中，移除边缘支撑环146，以与导电层172成平面或在表面144正上方(10μm-13μm)。在图3m中，半导体晶片100从薄膜框架172移除、倒置，并且在面向薄膜框架182的胶带部分180的表面144上安装有导电层166。在图3n中，使用锯片或激光切割工具186或等离子体蚀刻沿锯道106将半导体晶片100单切成单独半导体管芯104。

虽然已详细示出并描述了一个或多个实施方案，但技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可对这些实施方案作出修改和变更。

在第一实施方案中，一种制作半导体器件的方法包括：提供半导体晶片，该半导体晶片包括基础材料；在研磨阶段期间，使用研磨机研磨半导体晶片的表面以将基础材料的一部分移除；在分离阶段期间，将研磨机从半导体晶片的表面抬离；以及在分离阶段期间，冲洗半导体晶片的表面和研磨机的下方以将颗粒移除。

在第二实施方案中，第一实施方案的方法还包括：重复研磨阶段和分离阶段。

在第三实施方案中，第一实施方案的方法还包括：在研磨阶段和分离阶段期间，冲洗半导体晶片的表面以将颗粒移除。

在第四实施方案中，第一实施方案的方法还包括：将研磨机从半导体晶片的表面抬离3微米-10微米。

在第五实施方案中，第一实施方案的方法还包括：在分离阶段期间，暂停研磨机在向下方向上的移动。

在第六实施方案中，根据第一实施方案所述的方法，其中半导体晶片包括边缘支撑环。

在第七实施方案中，一种制作半导体器件的方法包括：使用研磨机对半导体晶片的表面执行研磨阶段；在分离阶段期间，将研磨机与半导体晶片的表面分离；以及冲洗半导体晶片的表面和研磨机的下方。

在第八实施方案中，第七实施方案的方法还包括：重复研磨阶段和分离阶段。

在第九实施方案中，第七实施方案的方法还包括：在研磨阶段和分离阶段期间，冲洗半导体晶片的表面。

在第十实施方案中，第七实施方案的方法还包括：将研磨机与半导体晶片的表面分离3微米-10微米。

在第十一实施方案中，第七实施方案的方法还包括：在分离阶段期间，暂停研磨机的竖直移动。

在第十二实施方案中，第七实施方案的方法还包括：在分离阶段期间，暂停研磨机的旋转移动。

在第十三实施方案中，根据第七实施方案所述的方法，其中半导体晶片包括边缘支撑环。

在第十四实施方案中，一种半导体晶片处理设备包括：用于使用研磨机对半导体晶片的表面执行研磨阶段的装置；用于在分离阶段期间将研磨机与半导体晶片的表面分离的装置；以及用于冲洗半导体晶片的表面和研磨机的下方的装置。

在第十五实施方案中，根据第十四实施方案所述的方法，其中重复研磨阶段和分离阶段。

在第十六实施方案中，根据第十四实施方案所述的方法，其中在研磨阶段和分离阶段期间，冲洗半导体晶片的表面。

在第十七实施方案中，根据第十四实施方案所述的方法，其中将研磨机与半导体晶片的表面分离3微米-10微米。

在第十八实施方案中，第十四实施方案的方法还包括用于在分离阶段期间暂停研磨机的竖直移动的装置。

在第十九实施方案中，第十四实施方案的方法还包括用于在分离阶段期间暂停研磨机的旋转移动的装置。

在第二十实施方案中，根据第十四实施方案所述的方法，其中半导体晶片包括边缘支撑环。