专利名称：顺序冲切方法
技术领域：
本发明涉及制造多层半导体结构或衬底(也称为多层半导体晶片)的领域，该多 层半导体结构或衬底是通过将至少一层转移到支撑件上而产生。通过将第一晶片分子键 合在第二晶片或支撑件上来形成转移层，所述第一晶片通常在键合之后被减薄。所述第 一晶片也可包括全部或部分部件，或者多个微部件，当其与部件的三维(3D)集成一起出 现时，要求将一层或多层微部件转移到最后的支撑件上，并且其也与电路传送(例如在 制造后位成像设备时)一同出现。
背景技术：
用于形成转移层和支撑件的晶片的边缘通常具有削角(chamfer)或边缘倒圆，其 利于晶片的操作并且能够避免如果这些边缘突起而在边缘处出现的破损，这样的破损成 为污染晶片表面的微粒源。削角可以是圆形和/或圆锥形。但是，削角的存在会阻碍支撑件与晶片在其外围很好的接触。从而在转移层不 能键合或者不能适当地键合到支撑衬底的部分出现外围区域。由于转移层的外围区域容 易以非控制方式破损该结构并且由多余碎片或微粒污染该结构，因此必须去除转移层的 外围区域。因而，一旦晶片已经键合到支撑件并且在任何必要的减薄之后，转移层再被冲 切，以便移除其上延伸有削角的外围区域。冲切经常主要通过机械加工来完成，特别是 通过磨蚀或磨削转移层的暴露表面直至支撑件来完成。但是，这样冲切会引起以下问题，即在转移层和支撑件之间的键合界面处出现 剥落，以及在转移层本身中出现剥落。更准确的说，在键合界面，剥落问题相当于在邻 近转移层外围的某个区域上转移层的分层，这种分层可以被界定为宏剥落。由于削角的 存在，键合能量在转移层的外围附近较低。因此，在该区域的磨削将使得该转移层在其 与支撑衬底的键合界面处部分分离。当转移层包括多个部件时更容易出现上述分离。当 部件出现在转移层中，不会采用通常在键合之后被执行用于加强键合界面的高温退火， 因为这些部件不能承受这样的退火温度。此外，当转移层包括例如电路的部件、接触、以及特别由金属形成的区域时， 磨削可能导致在存在于转移层中的部件的图形处产生分层，这样的分层被界定为微剥落。冲切步骤中该结构中的加热和/或机械应力超过某一水平时出现宏剥落现象和 微剥落现象。在完整的转移层冲切过程中，经常到达这一水平。
发明内容
本发明的目的在于通过提供一种冲切包括键合到第二晶片的第一晶片的结构的 方法来克服上述缺点，所述第一晶片具有削边，所述方法包括·在第一深度执行第一冲切步骤，所述第一深度包含所述第一晶片的厚度，并且也在距离所述第一晶片的边缘的第一预定宽度上执行所述第一冲切步骤；以及·在第二深度上执行至少一个第二冲切步骤，所述第二深度至少包含所述第一 晶片的厚度，并且也在小于所述第一宽度的第二宽度上执行所述第二冲切步骤。因此，通过尽可能接近所述第一晶片的边缘以及在预定宽度上执行第一冲切步 骤，所述第一晶片被冲击同时与其部件保持相对较远的距离。这就限制了结构中的加热 和/或应力，甚至在冲切剧烈时，即明显穿透进入所述第二晶片时。此外，加热和/或应力也在所述第二冲切步骤中被限制，即使所述第二冲切步 骤在更加远离所述第一晶片的边缘的距离处(即，靠近部件)被执行。事实上，由于在 所述第一冲切步骤中已经移除了一部分，因此将在所述第二冲切步骤中被移除的材料减 少了。结果，本发明的方法的这两步冲切步骤意味着可以至少执行所述第一晶片的完 整冲切，而同时减少了时常在单步骤冲切过程中出现的宏剥落现象和微剥落现象。依据本发明的一个方面，在小于或等于所述第一深度的第二深度上执行所述第 二冲切步骤，所述第一冲切步骤是在所述第一深度上执行的。依据本发明的另一方面，在所述第一冲切步骤中移走的所述第二晶片的部分厚 度的范围是IOym(微米)至30μιη。依据本发明的又一方面，在所述第二冲切步骤中移走的所述第二晶片的部分厚 度的范围是0 μ m至10 μ m。依据本发明的再一方面，在第一宽度上执行所述第一冲切步骤，该第一宽度的 范围在2mm(毫米)至10mm，优选范围为2mm至6mm，而在第二宽度上执行所述第二 冲切步骤，该第二宽度的范围在0.1mm至2mm。本发明也提供了制造三维复合结构的方法，该方法包括在第一晶片的一个面 上制造一层部件的至少一个步骤；将包含部件层的所述第一晶片的面键合到第二晶片上 的步骤；以及依据本发明的冲切方法执行的至少冲切所述第一晶片的步骤。采用本发明的冲切方法意味着可以通过堆叠两个或更多晶片、将在晶片间的键 合界面处以及在部件层处的分层风险降到最低来制造三维结构。部件层之一可以包括图 像传感器。
图1是将被冲切的结构的俯视图；图2A至2E是依据本发明的一个实施方式的冲切方法的示意图；图3是在如图2A至2E所示的方法中执行的步骤的流程图；图4A至4F是示出采用本发明的冲切方法制造三维结构的示意图；图5是在制造如图4A至4F所示的三维结构的过程中执行的步骤的流程图；以 及图6是示出在图4D和4E中使用的磨削装置的下表面的视图。
具体实施例方式本发明一般应用于冲切包含通过分子键合或任意其它类型的键合(例如，阳极键合、金属键合或粘结剂键合)组合在一起的至少两个晶片的结构，从而可以预先在第 一晶片中形成部件，该第一晶片之后将键合到构成支撑件的第二晶片上。晶片一般是可 以具有不同直径的圆形，具体而言，直径为IOOmm(毫米)、200mm或300mm。在此使 用的术语“部件”是指由与晶片材料不同且对通常用于加强键合界面的高温敏感的材料 所制造的任何类型的元件。这些部件特别对应于形成电子部件的全部或部分的元件或者 多个电子微部件，例如电路、接触或者有源层，这些部件如果暴露在高温下有可能被损 坏，甚至被销毁。部件也可以对应于元件、图形(motifs)或层，其由与晶片具有不同的 膨胀系数的材料制造，这些部件在高温下容易在晶片内产生不同的膨胀程度，从而使晶 片变形和/或损坏。换句话说，当第一晶片包括这样的部件，则不能在键合后经历高温退火。因 此，如上所述，限制了晶片之间的键合能量，使得合成结构在机械冲切过程中对宏剥落 现象更加敏感。此外，由于以上原因，冲切也会引起微剥落，其对应于在第一晶片的部 件处分层(在第一晶片的形成部件的一个或多个堆叠中分离)。一般而言，本发明特别应用于不能经受高温键合退火的组合结构，同样也适用 于由具有不同的膨胀系数的晶片的组合(例如，蓝宝石上硅、玻璃上硅等)形成的异质结 构。本发明也可以用于更标准的绝缘体上硅(SOI)型结构(即，SOI结构)，其中两个 晶片由硅组成。对于这类结构，本发明特别用于形成具有一层厚度大于IOym(微米)或 者具有不同性质的堆叠层的结构。事实上，已经发现，当采用已知现有技术执行冲切， 这些结构很容易在冲切步骤中损坏。为此，本发明提出了从第一晶片的边缘执行顺序冲切。准确地说，如以下详细 描述，本发明的冲切方法在至少两个步骤中执行，即尽可能接近晶片边缘执行第一冲切 步骤以及在与该第一晶片相距更远的距离处(也就是，在更接近晶片的部件的部分上)执 行第二冲切步骤。图1是示出了结构15的俯视图，其中结构15包括键合到下方支撑件(未示出) 的晶片10。晶片10包括在称为“有用区域”的区域14中形成的部件11，该区域14覆 盖了大部分晶片表面，而未覆盖宽度为I3的环形排除部分，该宽度I3等于晶片10的边缘 IOa与有用区域14的边界之间的距离。环形排除部分至少包括晶片的削角延伸覆盖的区 域。该环形排除部分被分为第一环形区域12和第二环形部分13。第一环形区域12的宽 度为I1,并且距离晶片边缘IOa最近。就是在该第一区域12上执行本发明的方法的第一 冲切步骤。该第一区域距离包括部件11的有用区域14稍远一些，因此在该结构中执行 冲切不会产生宏剥落或微剥落的风险。第二环形区域13的宽度为I2 (小于宽度I1),该第 二环形区域13距离晶片的边缘IOa更远一些，即更接近有用区域14。但是，由于大量材 料在第一冲切步骤中已经被移走，在第二环形区域13的第二冲切步骤中限制了加热和应 力。因此，限制了在冲切过程中可能出现的任何宏剥落现象和/或微剥落现象。在第二冲切步骤中，通过在小于执行第一冲切步骤的深度的深度上执行冲切， 可以进一步减小加热和应力。为了进一步限制冲切过程中的加热和应力，也可以多于两个的步骤来执行本发 明的方法，例如三个或四个冲切步骤。在这种情况下，连续的冲切步骤中的每一步都在 小于或等于前一冲切步骤的宽度的宽度上实施。每一步的冲切深度优选地但不排他地小CN 于前一冲切步骤的冲切深度。以下参照图2A至2E和图3来描述冲切方法的一个实施方式。如图2A所示，将被冲切的结构100通过将与图1中的晶片同类型的第一晶片101 组合到例如由硅制得的第二晶片102而形成。第一晶片101和第二晶片102在此具有相 同的直径。然而，它们也可以具有不同的直径。在此描述的示例中，采用所属领域技术 人员熟知的分子键合技术来执行组合。应当想到，分子键合的原理是基于将两个表面直 接接触，即不使用任何特定键合材料(粘结剂、蜡、焊料等)。这样的操作要求将被键合 的表面足够平滑、不含微粒或污染物，从而使得键合的表面充分靠近而允许开始接触， 通常来说，其间隔距离小于几个纳米。在这种情况下，两个表面直接的吸引力要高到足 以引起分子键合(由于将键合在一起的两个表面的原子或分子直接的电子相互作用，通 过一组吸引力(范德华力)而引发键合)。在低温下执行两个晶片之间的粘结，以便不损坏部件和/或第一晶片。更确切 的说，晶片在室温下相互接触之后，可以在低于450°C的温度下执行键合加强退火，超过 该温度则如铝或铜等某些金属开始蠕变。在第一晶片101与第二晶片102接触之前，在第一晶片101和/或第二晶片的键 合面上形成氧化物层类型的键合层107。第一晶片101包括一层部件103并具有削边， 即，该削边是包括上削角104和下削角105的边缘。在图2A中，晶片具有圆形的削角。 当然，晶片也可以具有由不同形状，例如圆锥形倒圆的削角或边缘。一般而言，术语
“削边”是指在其上斜切阱脊而使得两个晶片的靠近其外围之间的接触较差的任意晶片 边缘。通过分子键合将晶片101和102相互抵靠而组合在一起来形成结构100(步骤 Si，图2B)。根据第一晶片101的初始厚度，为了形成具有预定厚度^的转移层106可 以减薄第一晶片(步骤S2，图3C)，例如大约ΙΟμιη。层或晶片的远离削边的上面和下 面之间测量厚度ei。在冲切操作之前优选执行减薄步骤。但是，将第一晶片减薄的步骤 仍然是可选的，并且在未执行之前的减薄步骤也可以执行冲切第一晶片的步骤。接下来，对结构100进行冲切，主要包括除去包括削角105的层106的环形部 分，削角104在减薄第一晶片101的过程中已经被除去。根据本发明，从第一冲切步骤 开始冲切，在距离相当于第一晶片101边缘的第一层106的边缘宽度为Id1处执行第一冲 切步骤(步骤S3，图2D)。对于其直径为100mm、200mm和300mm的晶片而言，冲切 宽度Id1通常范围为2mm至10mm，优选范围为2mm至6mm。通过对层106的上面的 操作或机械加工(边缘磨削)来执行冲切。可以采用磨削装置或任何其它能够机械磨除 该层材料的工具进行机械操作。在第一冲切步骤中，结构100在从对应于键合界面的参照平面限定的深度Pd1被 冲击(在本例中为键合层107和第二晶片102的键合面之间的接触平面)。深度Pd1包含 层106的厚度ei、键合层107的厚度e2，以及对应于第二晶片102的部分厚度的厚度e3。 厚度&的范围为ΙΟμιη至30μιη。在图2D中，以如垂直于衬底平面的示意方式显示了 被冲切的层106的侧面。但是，依据所使用的磨削装置的类型，冲切侧面可以具有不同 形状的轮廓，即不是完全的直线形，例如略微向内弯曲的形状。具体而言，当磨削装置 或冲切轮在至少一个面上具有凹槽时，就能获得这样向内弯曲的侧面。很显然，由于存在这些凹槽，有利于将在冲切操作中分布在轮上和靠近轮的被排除的材料排出，以及有 利于液体(通常为水)循环。这进一步限制了晶片边缘处的加热/应力，并且能够进一 步改善冲切质量。在层或晶片的冲切侧面不具有近似直线轮廓的情况下，冲切步骤的宽 度(例如宽度Id1和Id2)至少等于晶片或层被冲击的宽度(冲切宽度可以在冲切过程中被 略微减小)。然后，通过也由机械操作或加工执行的第二冲切步骤来完成冲切(步骤S4，图 2E)。在距离对应于第一步骤的冲切宽度Id1的层106的边缘的预定距离处执行第二冲切步 骤。对于直径为100mm、200mm和300mm的晶片而言，冲切宽度Id2—般范围为0.1mm 至 0.2mm。在第二冲切步骤中，结构100在至少包括层106的厚度ei的深度Pd2上被冲击。 深度Pd2也可以包括对应于第二晶片102的部分厚度的厚度e4。在此描述的一个示例中， 厚度64小于厚度e3。厚度范围为Oym至ΙΟμιη，例如5ym。如上所述，厚度e4 也可以大于或等于厚度e3。本发明的冲切方法的特别但非排他的领域是制造三维结构的领域。以下参照图4A至4G和图5来描述依据本发明的一个实施方式的，通过将在初 始衬底上形成的一层微部件转移到支撑件上来制造三维结构的方法。制造三维结构始于以下步骤在第一晶片200的表面上形成第一系列微部件 204，该第一晶片200的边缘具有上削角206和下削角205 (图4A，步骤Si)。在此描述 的示例中，第一晶片200是多层SOI型结构，即其包括置于衬底(也是硅材料)203上的 硅层201，存在于层201和衬底203之间的掩埋氧化物层202 (例如，SiO2层)。晶片200 的厚度范围大约为600μιη至900μιη。对于直径为200mm(8英寸)的晶片而言，标准 厚度为725 μ m。使用能够限定用于形成对应于将被制造的微部件的图形的区域的掩模，通过光 刻形成微部件204。为了通过分子键合进行键合，将第一晶片200的包括微部件204的面与第二晶片 300的面紧密接触(步骤S2，图4B)。晶片300的厚度为大约725 μ m。按照与第一晶片 200相同的方式，第二晶片300的边缘具有上削角301和下削角302。氧化物层207，例 如由SiO2形成，也形成在第一晶片200的包括微部件204的面上。在此所述的示例中， 第一晶片200和第二晶片300的直径为200mm。在键合之后，并且如图4C所示，减薄第一晶片200来移除出现在该层微部件 204上的一部分(步骤S3)，即衬底203。在该方法的这一阶段，掩埋层202被优选保 留，以便保护部件不被可能的污染物、微粒等损坏。第一晶片200可以被减薄，特别是 通过磨削或化学_机械抛光(CMP)衬底203 (距离键合界面50 μ m停止)的步骤，之后 的化学冲击到掩埋氧化物层202的步骤(例如通过由四甲基铵氢氧化物TMAH蚀刻)来 实现。也可以通过沿之前由原子注入在晶片200中形成的弱化平面分裂或破裂来进行减 薄。有利地，掩埋绝缘层202用于限定保留的晶片200的厚度。在减薄步骤之后，晶片 200的厚度e为大约10 μ m。在其它情况下，晶片200的厚度e可为1 μ m至15 μ m。因此获得复合结构500，其由第二晶片300以及对应于第一晶片200的保留部分 的层201形成。
依据本发明，对结构500执行机械冲切的第一步骤，包括去除晶片200的环形部 分(步骤S4，图4D)。使用磨削装置400来执行第一冲切步骤，结构500支撑在旋转平 面(未示出)。如图6所示，磨削装置400的下面被构造为具有凹槽410。如上所述， 已经发现，具有这种结构面的磨削装置可以限制加热和应力。很显然，也可以采用不具 有这种结构面的磨削装置来执行冲切。在第一冲切步骤中，结构500在范围为2mm至IOmm的宽度Id1以及包括第一晶 片200的保留部分的厚度ei、氧化物层207的厚度e2以及对应于第二晶片300的部分厚度 的厚度e3的深度Pd1上被冲击，该厚度e3的范围为10 μ m至30 μ m。然后由第二冲切步骤完成冲切，从距离晶片200边缘的等于第一步骤的冲切宽 度Id1的预定距离且在范围为0.1mm至2mm的宽度Id2处执行第二冲切步骤(步骤S5，图 4E)。在该第二冲切步骤中，结构500在包括第一晶片200的保留部分的厚度ei、氧化物 层207的厚度e2以及对应于第二晶片300的部分厚度的厚度e4的深度Pd2上被冲击，该 厚度e4的范围为0 μ m至10 μ m，例如5 μ m。一旦结构500的冲切结束，在已经移走层202之后，在层201的暴露表面上形成 第二层微部件214(图4F，步骤S6)。在上述的示例中，形成微部件214使其与掩埋的微 部件204对准。为此采用光刻掩模；其类似于形成微部件204所使用的光刻掩模。在一个变形中，通过层的堆叠，即通过将一层或多层其它层转移到层201上来 形成三维结构，其中每个其它层与直接邻接的层或多层对准。采用本发明的冲切方法顺 序冲切每个其它层。此外，在每一次转移其它层之前，可以将在暴露的层上沉积一层氧 化物层，例如一层正硅酸乙酯(TEOS)氧化物层，以便促进组合并防止冲切区域(对于该 区域，下方晶片的材料暴露)随后被化学冲击。可选地，在已经转移一组层之后，可以 执行单次的冲切操作。在本发明的冲切步骤中移除的材料的厚度ei和e2相当于在堆叠的 上层的上表面与支撑晶片处或之中的冲切步骤停止界面之间包含的厚度。依据特定实施方式，多层微部件中的其中一层特别地可以包括图像传感器。依据另一实施方式，在将第二支撑晶片与构成转移层的第一晶片组合起来之前 已经在第二支撑晶片中形成部件。依据又一实施方式，冲切步骤可以包括以下步骤第一粗糙移除步骤，例如采 用如图4D所示的磨削装置；之后的精细移除步骤，例如采用晶片边缘抛光工具。这就 是说，在冲切之后，可以制造具有减小的粗糙程度的晶片边缘，其不易被残留的微粒影 响。
权利要求
1.一种冲切结构(100)的冲切方法，该结构(100)包括键合到第二晶片(102)的第一 晶片(101)，该第一晶片(101)具有削边(104、105)；其特征在于该方法包括第一冲 切步骤，其在包含该第一晶片(101)的厚度(ei)的第一深度(Pd1)上执行，所述第一冲切 步骤也在距离该第一晶片(101)的边缘的第一预定宽度(Id1)处执行；以及至少一个第二冲切步骤，其在至少包含该第一晶片(101)的厚度(ei)的第二深度 (Pd2)上执行，所述第二冲切步骤也在小于该第一宽度(Id1)的第二宽度(Id2)上执行。
2.如权利要求1所述的冲切方法，其特征在于，所述第二深度(Pd2)小于所述第一深 度(Pd1)。
3.如权利要求1或2所述的冲切方法，其特征在于，在所述第一冲切步骤中被去除的 该第二晶片(102)的部分的厚度范围为ΙΟμιη至30μιη。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的冲切方法，其特征在于，在所述第二冲切步骤 中被去除的该第二晶片(102)的部分的厚度范围为Ομιη至ΙΟμιη。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的冲切方法，其特征在于，在第一宽度(Id1)上 执行所述第一冲切步骤，其中该第一宽度(Id1)范围为2mm至10mm，优选范围为2_ 至 6mm。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的冲切方法，其特征在于，在第二宽度(Id2)上 执行所述第二冲切步骤，其中该第二宽度(Id2)范围为0.1mm至2mm。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的冲切方法，其特征在于，该第一晶片(101)包 括部件(103)。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的冲切方法，其特征在于，采用磨削装置执行至 少一个冲切步骤，其中该磨削装置的下表面上包含凹槽。
9.一种制造三维复合结构(500)的方法，包括在第一晶片(200)的一个面上制造一层 部件(204)的至少一个步骤，将该第一晶片(200)的包括一层部件(204)的面键合到第二 晶片(300)上的步骤，以及依据如权利要求1至8中任意一项所述的冲切方法执行的至少 冲切该第一晶片(200)的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法包括在所述键合步骤之后的将该 第一晶片(200)减薄的步骤。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，该方法还包括在该第一晶片的与包 含第一层部件(204)的面相反的面上制造第二层微部件(214)的步骤。
12.如权利要求9至11中任意一项所述的方法，其特征在于，该方法包括在所述键合 步骤之前的在该第一晶片(200)的包含第一层部件(204)的面上形成氧化物层(207)的步 马聚ο
13.如权利要求9至12中任意一项所述的方法，其特征在于，该第一晶片(200)是SOI型结构。
14.如权利要求9至13中任意一项所述的方法，其特征在于，第一层部件(204)至少 包括图像传感器。
全文摘要
本发明提供了冲切结构(500)的方法，该结构(500)包括键合到第二晶片(300)的第一晶片(200)，该第一晶片(200)具有削边。该方法包括在包含该第一晶片(101)的厚度(e1)的第一深度(Pd1)以及距离该第一晶片(101)的边缘的第一宽度(ld1)上执行的第一冲切步骤(S4)。也在至少包含该第一晶片(101)的厚度(e1)的第二深度(Pd2)以及小于第一宽度(ld1)的第二宽度(ld2)上执行第二冲切步骤(S5)。
文档编号H01L21/304GK102017092SQ200980115233
公开日2011年4月13日 申请日期2009年7月31日 优先权日2008年9月2日
发明者E·内雷, M·布鲁卡特, M·米热特, S·莫利纳里 申请人:S.O.I.Tec绝缘体上硅技术公司