专利名称：防止半导体芯片或晶片中的背面微裂纹的形成及向其正面扩展的方法、芯片或晶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及在加工硅(Si)半导体芯片或晶片期间防止在其背面形成裂紋的方法。此外，本发明还涉及在电子封装制造期间防止裂紋 扩展的方法，所述裂紋在加工硅芯片期间、在衬底与之接合之前已经 在硅芯片背面形成。另外，本发明还旨在提供包括衬底的电子封装， 尤其是例如以倒装芯片布置的电子封装，其中所述衬底要接合到硅半 导体芯片或晶片，所述半导体芯片或者晶片可能会形成擦伤和裂紋， 在这种电子封装中，釆取新的手段防止在所述芯片背面中擦伤和/或裂 紋的形成或扩展。
大体上，在制造或加工硅芯片或晶片期间，在其背面偶而会形成 擦伤。这些擦伤可能由对相应硅芯片或晶片背面进行的抛光、铣磨或研磨引起，例如由研磨处理引起，其中所述表面最后处理(finishing) 要么是由数控铣床来完成(之后可以应用人工抛光、各种化学和机械 抛光剂或抛光浆)，要么是由湿法蚀刻和用来去除机器铣削或制造痕 迹和擦伤的类似处理来完成。
此外，还有一种可能是在高温条件下将硅芯片或晶片接合到衬底 的处理期间，比如在再流焊(reflow)期间，在硅芯片或晶片背面可 能形成擦伤或裂紋，由此，在随后的接合冷却部件期间，硅芯片的收 缩量往往比衬底小，因为衬底热膨胀系数(CTE)比硅芯片高。在热 循环期间，这种收缩差别在硅芯片或晶片的背面产生了高的张应力， 倾向于导致在硅芯片中现有的微小擦伤处形成微裂紋。所以，采取步 骤防止裂紋从硅芯片或晶片背面擦伤向其正面扩散是很重要的，由此， 在封装制造或热循环期间，这样的擦伤可能是裂紋的发展核心 (nucleation)位置，并且如果扩展到硅芯片或晶片的正面(正面代表
着包括电触点和电路系统的电子封装的电子器件区，就可能由于潜在 的短路引起封装故障。
背景技术：
在现有技术中已知有各种方法和设备适合以各种方式来防止或限制在可以由硅(Si)材料构成的半导体芯片或晶片的表面尤其是背面中的擦伤的形成和微裂紋的扩展。Chang等人的美国专利No.6，887，793 B2中公开了一种在对晶片 进行背面研磨之后对晶片进行等离子体蚀刻的方法，其中所述蚀刻适 于去除所述晶片表面存在的光致抗蚀剂涂层。在此专利中公开的方法 和类似本发明的芯片或晶片背面处理在防止所述晶片或芯片的背面中 的擦伤的形成和裂紋的扩展方面没有什么共同之处。Peterson等人的美国专利No.6，844，623 Bl中公开了一种用于保 护微电子设备的临时涂层的应用，其中所述涂层被应用到晶片表面， 之后被去除。这和以类似于本发明的方式的用于保护半导体晶片或芯 片背面的处理方法没有关系。本发明适于防止硅晶片或芯片中的裂紋 或擦伤的形成或者防止裂紋的扩展。Hendrix等人的美国专利No.6,514，835 Bl中提供了一种由于晶 片衬底的机械变形导致的薄膜应力控制方法。同样，这也和防止硅半 导体芯片或晶片背面的擦伤和裂紋的形成或扩展的本发明方法完全不 同，所述擦伤和裂紋可能潜在地负面地影响使用所述晶片或芯片的电 子封装的完善性。Kane等人的美国专利No.6，790，125 B2中公开了 一种通过铣床来 对晶片或芯片的背面进行最后处理的方案，其中，随后使用抛光或湿 法蚀刻方法去除机械铣销痕迹和擦伤。上述方案也和防止硅晶片或芯 片背面的擦伤和裂紋的不利效应的本发明方法完全不同，所述擦伤和 裂紋可能存在于晶片或芯片中，或者具有在晶片或芯片内产生实质性 扩展的倾向。最后，Maurice等人的美国专利No.2004/0241461 Al中公开了一种在处理晶片期间通过在其上应用盖层来保护晶片的背面的方法。同 样，此类型的盖层应用和依照本发明的保护所述晶片或芯片背面的方 法不同，没有共同之处。因此，为了防止在制造晶片或芯片期间形成背面裂紋或已经形成 在背面上的裂紋的扩展，根据本发明，可以使用另一些方法，其具有 优于现有技术的重要优点。发明内容根据本发明的一个特定方面或实施方式，在硅晶片或芯片的背面 提供保护膜层，其由高硬度材料构成，所述保护膜层将防止芯片背面 中裂紋的形成及其在随后的晶片处理期间比如在高温循环条件下的扩 展，并保护位于所述芯片或晶片正面的所有电子元件和器件。根据本发明的另一个方面，硅晶片或芯片的背面可以提供具有抗 破裂效果的高断裂韧度的保护膜层，其将防止在晶片或芯片的背面中 存在的任何擦伤的扩展，并且，在使晶片或芯片和衬底结合时的高温 处理和热循环期间，由于和衬底的热膨胀系数不同，所述保护膜层可 能引起芯片或晶片中遇到的高张应力，使擦伤形成扩展进晶片或芯片 的裂紋，往往负面地影响包含硅芯片或晶片的电子封装的完善性。根据本发明的另一个方面，不是如上所述在晶片或芯片的背面提 供膜层，而是可以对所述晶片或芯片的背面进行湿法蚀刻以钝化(blunt)可能已经扩展进入硅晶片或芯片的任何微裂紋的内部顶端或 锐利的起始点(leading point)或顶点。这将减少应力集中，防止裂 紋进一步向所述芯片或晶片的正面扩展，所述裂紋在正面可能潜在地 负面地影响位于该表面上的电子触点或器件的完善性和功能。因此，本发明的一个目的是提供一种用于防止半导体芯片或晶片 背面中的微裂紋的形成或扩展的新方法。本发明的另 一个目的在于用于防止半导体芯片或晶片背面中的 微裂紋的形成或扩展的布置。
因此，为了清晰地说明发明的各方面，现在可以结合附图参考下面的详细说明，附图中图1总体概略地图示了包括硅半导体芯片结构的电子封装的一个 实施方式的侧面剖视图；图2图示了图1的布置，显示了在硅芯片背面中存在一个裂紋的 硅芯片；图3图示了硅芯片的局部被圏起的部分A的放大图，显示了在硅 芯片背面中形成的擦伤和微裂紋；图4，类似于图3，图示了对硅芯片进行湿法蚀刻处理以钝化该 微裂紋，以降低所产生的应力；图5,类似于图l的简图，图示了在半导体芯片背面上的防裂防 止层的应用；图6为图5中的芯片的片断部分的放大图，图示了用于防止在硅 芯片中形成裂紋的膜层。
具体实施方式
详细参见附图，其中在各种实施方式中，相似的或相同的元件由 同一附图标记来表示。图1总体概略地图示了包括衬底层12的电子封 装10，在衬底层12上布置有硅半导体芯片14 (或晶片)，其具有背 向衬底12的背面16和正面18，正面包括器件区20，实际上即电子电 路系统和连接(未图示)，并且焊球22阵列粘合固定或焊接到正面， 焊球和村底12的上表面(正面，facing surface) 24接触。所有的上 述元件可以以倒装晶片技术来制造，这是本领域所公知的技术。这样， 焊球22可以通过被广泛使用的C-4 (可控塌陷芯片连接，controlled collapse chip connects)被连接到半导体芯片14。通过到另外的电气 部件比如焊盘等的电连接和衬底的相对面26的通信是通过延伸通过 衬底12的合适的导电通孔28的焊球。硅芯片10可以包括面对衬底 12的区域中的底填料(underfill) 30，在焊球22周围延伸。硅芯片
10并被合适的电介质密封材料32包围以形成保护环境，并且所述硅 芯片还和在底填料30外围附近的衬底的上表面24接触。如图2所示，有时，硅芯片14 (或晶片)的背面16显示有擦伤 34，，如图3中的将图1的圏起部分A放大的图所示。该擦伤可能在 研磨或类似的表面最后处理期间已经先形成在硅芯片中。然后，在元 件封装以及暴露于再流焊和/或热循环期间，该擦伤可能成为尖端微裂 紋38的核心，原因是在该擦伤的尖底端或顶点36处的应力集中，微 裂紋38延伸进入芯片内部，终止于尖顶40处。如图2和图3所示，孩i裂紋38可以向下延伸，从而向芯片14的 正面18扩展，其面对有源器件和电子器件区。当扩展穿过硅芯片的整 个厚度时，微裂紋38就可能潜在地导致短路并在电子封装中产生功能 问题，并可能使电子封装出现故障。在此例中，在形成封装之前，在硅芯片14的背面16发现存在已 经扩展成为向芯片正面18部分穿过硅芯片厚度的尖锐端部微裂紋38 的擦伤34的情况下，对所述芯片进行湿法蚀刻处理以加宽和钝化微裂 紋38的尖顶40，如图4所示，从而消除易导致微裂紋38进一步扩展 穿过硅芯片14的厚度的任何应力集中因素。此湿法蚀刻可以由 HF/HN03溶液，或其它可以施加这样的钝化作用到微芯片结构上的溶 液构成。根据本发明的另一个方法，如图5和图6所示，其中各种结构元 件和图1中的元件相同或相似，阐明在硅晶片或芯片14的处理和接合 到衬底12之前，对其进行封装以形成电子封装50，在硅晶片或芯片 14的背面16提供由抗裂材料构成的保护膜层52，下面将描述。在一个例子中，此种膜材料52具有高断裂韧度性能，比如铝合 金。用来防止硅芯片或晶片14的擦伤的此种膜材料在被接触或者置于 硅芯片或晶片14之下后可能产生引起擦伤54，该擦伤54不透过所以 也就不穿透进入硅背面16，例如，保护了后者不形成微擦伤。具有高 断裂韧度以及适合用于应用到背面16的膜层的材料还可以是WSi2， 其具有大约5.6 MPa (兆帕)m1/2的断裂韧度；Si02，具有0.85到1.15
MPa m1/2的断裂韧度；或者铝合金，具有33到54 MPa m1/2的断裂韌 度。还可以使用断裂韧度为5.6到8.7 MPa加1/2的鴒(W)，其在硅 化处理之后应用，或者使用断裂韧度为3.1 MPam^的SiC;断裂韌 度为8.3 MPa 1111/2的Si3N4，其中硅(Si)本身的断裂韧度为0.79到 0.95MPam1/2。通常在接触处理(contact process )之后应用铝，而在 完成硅化处理步骤之后应用鴒。在硅晶片或芯片14的背面16具有高硬度的膜层52以防止芯片 背面16中擦伤的形成的情况下，同样如图6所示，优选在封装处理开 始时应用由Si3N4、 SiC、 DLCorWSi2构成的膜层，其中SisN4具有大 约14GPa的硬度；SiC具有大约15-30GPa的硬度；类金刚石碳 (diamond-like carbon)具有20GPa的硬度；珪(Si)具有大约12GPa 的硬度。在硅芯片或晶片和衬底14进行热接合处理并用封装32将硅芯片 或晶片包围之前，应用防裂膜材料到硅芯片或晶片的背面的此处理将 防止在硅芯片或晶片中微裂紋的形成或扩展。在一些情况下，对芯片或晶片的背面进行湿法蚀刻处理，如上所 述，之后在上面应用保护膜层52，也是有利的。从前面所描述的内容可以容易地理解利用上述的防止硅芯片或 晶片中倾向于向包括电子器件或连接的芯片的正面扩展的裂紋的形成 或扩展的方法，保证了在接合到衬底和用电介质粘合剂封装之后，电 子封装在操作期间确信没有潜在的故障。尽管已经具体地图示和结合优选的实施方式描述了本发明，本领 域普通技术人员会理解在不脱离本发明的精神实质和范围的前提下可 以作出形式和细节上的上述的和其它改变。因此，本发明并不受限于 上面描述和图示的精确的形式和细节，而是涵盖所有落入所附权利要 求书的精神实质和范围的内容。
权利要求
1.一种防止半导体芯片或晶片中的背面微裂纹的形成和向其正面扩展的方法，其中所述芯片或晶片适合与元件工作连接以形成电子封装装置，所述方法包括探明在所述芯片或晶片的背面中存在至少一个擦伤；确定微裂纹已经从所述至少一个擦伤朝所述半导体芯片或晶片的正面扩展进入所述半导体芯片或晶片；以及对所述背面和微裂纹进行湿法蚀刻以钝化所述微裂纹的起始端并防止其进一步向前扩展。
2. 如权利要求1所述的方法，其中在进行所述湿法蚀刻之前， 所述微裂紋的起始端具有尖顶点，响应于对芯片或晶片的所述背面应 用的所述湿法蚀刻步骤，所述尖顶点被加宽成为钝形形状。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述半导体芯片或晶片由硅 材料(Si)构成，且所述应用到背面的湿法蚀刻包括基本上由HF和 HN03组成的化学溶液。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述芯片或晶片背面的湿法 蚀刻是在所述芯片或晶片被接合到工作器件以及在形成所述电子封装 装置时衬底被接合到所述芯片或晶片上之前进行的。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，在所述芯片或晶片和所述 工作器件和衬底接合以及所形成的电子封装装置随后的工作期间所述 芯片或晶片受到高温和热循环时，所述微裂紋顶点的钝形形状防止所 述微裂紋进一步向前扩展通过所述芯片或晶片。
6. —种防止硅芯片或晶片中的背面微裂紋的形成和向其正面扩 展的方法，其中所述芯片或晶片适合与元件进行工作连接以形成电子封装装置，所述方法包括在形成所述电子封装装置期间在所述芯片或晶片的背面施加保 护性防裂材料，以防止所述芯片或晶片在受到所述形成工艺期间的高 温和电子封装装置工作期间遇到的热循环时在其中形成微裂紋。
7. 如权利要求6所述的方法，其中所述防裂材料包括具有高断 裂韧度的膜层，其粘附到所述芯片或晶片的背面上。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述膜层从包括WSi2、 Si02、 铝合金、钨、SiC、 Si3N4、 Si及其合成物的材料组中选择。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述包含铝合金的膜层在接 触所述元件之后施加，所述包含鴒的膜层在硅化处理之后施加。
10. 如权利要求7所述的方法，其中所述防裂材料包括具有高硬 度的膜层，其在封装形成工艺开始时和所述芯片或晶片的背面粘合。
11. 如权利要求10所述的方法，其中所述膜层从包括Si3N4、SiC、 类金刚石碳和Si的材料组中选择。
12. 在硅半导体芯片或晶片中，提供用于防止半导体芯片或晶片 中的背面微裂紋的形成和向其正面扩展的手段，其中所述芯片和晶片 适合与元件进行工作连接以形成电子封装装置，所述手段包括用于探明在所述芯片或晶片的背面中存在至少一个擦伤的手段； 确定微裂紋已经从所述至少 一个擦伤朝所述半导体芯片或晶片的正面扩展进入所述半导体芯片或晶片；以及对所述背面和微裂紋进行湿法蚀刻以钝化所述微裂紋的起始端并防止其进一步向前扩展。
13. 如权利要求12所述的芯片或晶片，其中所述微裂紋的起始 端在进行所述湿法蚀刻之前具有尖顶点，响应于对芯片或晶片的所述 背面应用所述湿法蚀刻步骤，所述尖顶点被加宽成为钝形形状。
14. 如权利要求12所述的芯片或晶片，其中所述应用到背面的 湿法蚀刻包括基本上由HF和HN03构成的化学溶液。
15. 如权利要求12所述的芯片或晶片，其中所述芯片或晶片背 面的湿法蚀刻是在所述芯片或晶片被接合到工作器件，以及形成所述 电子封装装置时衬底被接合到所述芯片或晶片上之前进行的。
16. 如权利要求15所述的芯片或晶片，其中，在所述芯片或晶 片和所述工作器件和衬底接合以及所形成的电子封装装置随后的操作 期间所述芯片或晶片受到高温和热循环时，所述微裂紋顶点的钝形形 状防止所述微裂紋进一步向前扩展通过所述芯片或晶片。
17. 在硅半导体芯片或晶片中，提供一种防止硅芯片或晶片中背 面微裂紋的形成和向其正面扩展的结构，其中所述芯片或晶片适合与 元件进行工作连接以形成电子封装装置，一种保护性防裂材料，其在形成所述电子封装装置的工艺期间被 施加到所述芯片和晶片的背面，以防止所述芯片或晶片在受到所述形 成工艺期间的高温和在所述电子封装装置的工作中遇到的热循环时在 所述芯片或晶片中形成微裂紋。
18. 如权利要求17所述的芯片或晶片，其中所述防裂材料包括 具有高断裂韧度的膜层，其和所述芯片或晶片的背面粘合。
19. 如权利要求18所述的芯片或晶片，其中所述膜层从包括WSi2、 Si02、铝合金、钨、SiC、 Si3N4、 Si及其合成物的材料组中选 择。
20. 如权利要求19所述的芯片或晶片，其中所述包含铝合金的 膜层在接触所述元件之后施加，所述包含鴒的膜层在硅化处理之后施 加。
21. 如权利要求18所述的芯片或晶片，其中所述防裂材料包括 具有高硬度的膜层，其在封装形成处理开始时和所述芯片或晶片的背 面粘合。
22. 如权利要求21所述的芯片或晶片，其中所述膜层从包括 Si3N4、 SiC、类金刚石碳和Si的材料组中选择。
全文摘要
本申请涉及防止半导体芯片或晶片中的背面微裂纹的形成及向其正面扩展的方法、芯片或晶片。具体地，提供了一种防止在处理硅(Si)半导体芯片或晶片时在其背面上形成裂纹的方法。还提供了用于防止在制造电子封装期间在处理硅芯片期间、在使其和衬底接合之前其背面上已经形成的裂纹扩展的方法。此方法要求或者用湿法蚀刻处理背面，或者在形成包括芯片或晶片的电子封装之前在芯片或晶片上施加保护膜层。
文档编号H01L21/66GK101118838SQ200710112279
公开日2008年2月6日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年8月3日
发明者克里斯多夫·戴维·穆西, 杰弗里·P.·冈比诺, 杰罗姆·B.·拉斯克, 沃尔夫冈·索特, 蒂莫西·哈里森·道本斯佩克 申请人:国际商业机器公司