專利名稱：防止半導(dǎo)體芯片或晶片中的背面微裂紋的形成及向其正面擴(kuò)展的方法、芯片或晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在加工硅(Si)半導(dǎo)體芯片或晶片期間防止在其背面形成裂紋的方法。此外，本發(fā)明還涉及在電子封裝制造期間防止裂紋 擴(kuò)展的方法，所述裂紋在加工硅芯片期間、在襯底與之接合之前已經(jīng) 在硅芯片背面形成。另外，本發(fā)明還旨在提供包括襯底的電子封裝， 尤其是例如以倒裝芯片布置的電子封裝，其中所述襯底要接合到硅半 導(dǎo)體芯片或晶片，所述半導(dǎo)體芯片或者晶片可能會(huì)形成擦傷和裂紋， 在這種電子封裝中，釆取新的手段防止在所述芯片背面中擦傷和/或裂 紋的形成或擴(kuò)展。
大體上，在制造或加工硅芯片或晶片期間，在其背面偶而會(huì)形成 擦傷。這些擦傷可能由對(duì)相應(yīng)硅芯片或晶片背面進(jìn)行的拋光、銑磨或研磨引起，例如由研磨處理引起，其中所述表面最后處理(finishing) 要么是由數(shù)控銑床來完成(之后可以應(yīng)用人工拋光、各種化學(xué)和機(jī)械 拋光劑或拋光漿)，要么是由濕法蝕刻和用來去除機(jī)器銑削或制造痕 跡和擦傷的類似處理來完成。
此外，還有一種可能是在高溫條件下將硅芯片或晶片接合到襯底 的處理期間，比如在再流焊(reflow)期間，在硅芯片或晶片背面可 能形成擦傷或裂紋，由此，在隨后的接合冷卻部件期間，硅芯片的收 縮量往往比襯底小，因?yàn)橐r底熱膨脹系數(shù)(CTE)比硅芯片高。在熱 循環(huán)期間，這種收縮差別在硅芯片或晶片的背面產(chǎn)生了高的張應(yīng)力， 傾向于導(dǎo)致在硅芯片中現(xiàn)有的微小擦傷處形成微裂紋。所以，采取步 驟防止裂紋從硅芯片或晶片背面擦傷向其正面擴(kuò)散是很重要的，由此， 在封裝制造或熱循環(huán)期間，這樣的擦傷可能是裂紋的發(fā)展核心 (nucleation)位置，并且如果擴(kuò)展到硅芯片或晶片的正面(正面代表
著包括電觸點(diǎn)和電路系統(tǒng)的電子封裝的電子器件區(qū)，就可能由于潛在 的短路引起封裝故障。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中已知有各種方法和設(shè)備適合以各種方式來防止或限制在可以由硅(Si)材料構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片或晶片的表面尤其是背面中的擦傷的形成和微裂紋的擴(kuò)展。Chang等人的美國專利No.6，887，793 B2中公開了一種在對(duì)晶片 進(jìn)行背面研磨之后對(duì)晶片進(jìn)行等離子體蝕刻的方法，其中所述蝕刻適 于去除所述晶片表面存在的光致抗蝕劑涂層。在此專利中公開的方法 和類似本發(fā)明的芯片或晶片背面處理在防止所述晶片或芯片的背面中 的擦傷的形成和裂紋的擴(kuò)展方面沒有什么共同之處。Peterson等人的美國專利No.6，844，623 Bl中公開了一種用于保 護(hù)微電子設(shè)備的臨時(shí)涂層的應(yīng)用，其中所述涂層被應(yīng)用到晶片表面， 之后被去除。這和以類似于本發(fā)明的方式的用于保護(hù)半導(dǎo)體晶片或芯 片背面的處理方法沒有關(guān)系。本發(fā)明適于防止硅晶片或芯片中的裂紋 或擦傷的形成或者防止裂紋的擴(kuò)展。Hendrix等人的美國專利No.6,514，835 Bl中提供了一種由于晶 片襯底的機(jī)械變形導(dǎo)致的薄膜應(yīng)力控制方法。同樣，這也和防止硅半 導(dǎo)體芯片或晶片背面的擦傷和裂紋的形成或擴(kuò)展的本發(fā)明方法完全不 同，所述擦傷和裂紋可能潛在地負(fù)面地影響使用所述晶片或芯片的電 子封裝的完善性。Kane等人的美國專利No.6，790，125 B2中公開了 一種通過銑床來 對(duì)晶片或芯片的背面進(jìn)行最后處理的方案，其中，隨后使用拋光或濕 法蝕刻方法去除機(jī)械銑銷痕跡和擦傷。上述方案也和防止硅晶片或芯 片背面的擦傷和裂紋的不利效應(yīng)的本發(fā)明方法完全不同，所述擦傷和 裂紋可能存在于晶片或芯片中，或者具有在晶片或芯片內(nèi)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性 擴(kuò)展的傾向。最后，Maurice等人的美國專利No.2004/0241461 Al中公開了一種在處理晶片期間通過在其上應(yīng)用蓋層來保護(hù)晶片的背面的方法。同 樣，此類型的蓋層應(yīng)用和依照本發(fā)明的保護(hù)所述晶片或芯片背面的方 法不同，沒有共同之處。因此，為了防止在制造晶片或芯片期間形成背面裂紋或已經(jīng)形成 在背面上的裂紋的擴(kuò)展，根據(jù)本發(fā)明，可以使用另一些方法，其具有 優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的重要優(yōu)點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定方面或?qū)嵤┓绞?，在硅晶片或芯片的背?提供保護(hù)膜層，其由高硬度材料構(gòu)成，所述保護(hù)膜層將防止芯片背面 中裂紋的形成及其在隨后的晶片處理期間比如在高溫循環(huán)條件下的擴(kuò) 展，并保護(hù)位于所述芯片或晶片正面的所有電子元件和器件。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，硅晶片或芯片的背面可以提供具有抗 破裂效果的高斷裂韌度的保護(hù)膜層，其將防止在晶片或芯片的背面中 存在的任何擦傷的擴(kuò)展，并且，在使晶片或芯片和襯底結(jié)合時(shí)的高溫 處理和熱循環(huán)期間，由于和襯底的熱膨脹系數(shù)不同，所述保護(hù)膜層可 能引起芯片或晶片中遇到的高張應(yīng)力，使擦傷形成擴(kuò)展進(jìn)晶片或芯片 的裂紋，往往負(fù)面地影響包含硅芯片或晶片的電子封裝的完善性。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，不是如上所述在晶片或芯片的背面提 供膜層，而是可以對(duì)所述晶片或芯片的背面進(jìn)行濕法蝕刻以鈍化(blunt)可能已經(jīng)擴(kuò)展進(jìn)入硅晶片或芯片的任何微裂紋的內(nèi)部頂端或 銳利的起始點(diǎn)(leading point)或頂點(diǎn)。這將減少應(yīng)力集中，防止裂 紋進(jìn)一步向所述芯片或晶片的正面擴(kuò)展，所述裂紋在正面可能潛在地 負(fù)面地影響位于該表面上的電子觸點(diǎn)或器件的完善性和功能。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于防止半導(dǎo)體芯片或晶片 背面中的微裂紋的形成或擴(kuò)展的新方法。本發(fā)明的另 一個(gè)目的在于用于防止半導(dǎo)體芯片或晶片背面中的 微裂紋的形成或擴(kuò)展的布置。


因此，為了清晰地說明發(fā)明的各方面，現(xiàn)在可以結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)說明，附圖中圖1總體概略地圖示了包括硅半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)的電子封裝的一個(gè) 實(shí)施方式的側(cè)面剖視圖；圖2圖示了圖1的布置，顯示了在硅芯片背面中存在一個(gè)裂紋的 硅芯片；圖3圖示了硅芯片的局部被圏起的部分A的放大圖，顯示了在硅 芯片背面中形成的擦傷和微裂紋；圖4，類似于圖3，圖示了對(duì)硅芯片進(jìn)行濕法蝕刻處理以鈍化該 微裂紋，以降低所產(chǎn)生的應(yīng)力；圖5,類似于圖l的簡圖，圖示了在半導(dǎo)體芯片背面上的防裂防 止層的應(yīng)用；圖6為圖5中的芯片的片斷部分的放大圖，圖示了用于防止在硅 芯片中形成裂紋的膜層。
具體實(shí)施方式
詳細(xì)參見附圖，其中在各種實(shí)施方式中，相似的或相同的元件由 同一附圖標(biāo)記來表示。圖1總體概略地圖示了包括襯底層12的電子封 裝10，在襯底層12上布置有硅半導(dǎo)體芯片14 (或晶片)，其具有背 向襯底12的背面16和正面18，正面包括器件區(qū)20，實(shí)際上即電子電 路系統(tǒng)和連接(未圖示)，并且焊球22陣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接觸。所有的上 述元件可以以倒裝晶片技術(shù)來制造，這是本領(lǐng)域所公知的技術(shù)。這樣， 焊球22可以通過被廣泛使用的C-4 (可控塌陷芯片連接，controlled collapse chip connects)被連接到半導(dǎo)體芯片14。通過到另外的電氣 部件比如焊盤等的電連接和襯底的相對(duì)面26的通信是通過延伸通過 襯底12的合適的導(dǎo)電通孔28的焊球。硅芯片10可以包括面對(duì)襯底 12的區(qū)域中的底填料(underfill) 30，在焊球22周圍延伸。硅芯片
10并被合適的電介質(zhì)密封材料32包圍以形成保護(hù)環(huán)境，并且所述硅 芯片還和在底填料30外圍附近的襯底的上表面24接觸。如圖2所示，有時(shí)，硅芯片14 (或晶片)的背面16顯示有擦傷 34，，如圖3中的將圖1的圏起部分A放大的圖所示。該擦傷可能在 研磨或類似的表面最后處理期間已經(jīng)先形成在硅芯片中。然后，在元 件封裝以及暴露于再流焊和/或熱循環(huán)期間，該擦傷可能成為尖端微裂 紋38的核心，原因是在該擦傷的尖底端或頂點(diǎn)36處的應(yīng)力集中，微 裂紋38延伸進(jìn)入芯片內(nèi)部，終止于尖頂40處。如圖2和圖3所示，孩i裂紋38可以向下延伸，從而向芯片14的 正面18擴(kuò)展，其面對(duì)有源器件和電子器件區(qū)。當(dāng)擴(kuò)展穿過硅芯片的整 個(gè)厚度時(shí)，微裂紋38就可能潛在地導(dǎo)致短路并在電子封裝中產(chǎn)生功能 問題，并可能使電子封裝出現(xiàn)故障。在此例中，在形成封裝之前，在硅芯片14的背面16發(fā)現(xiàn)存在已 經(jīng)擴(kuò)展成為向芯片正面18部分穿過硅芯片厚度的尖銳端部微裂紋38 的擦傷34的情況下，對(duì)所述芯片進(jìn)行濕法蝕刻處理以加寬和鈍化微裂 紋38的尖頂40，如圖4所示，從而消除易導(dǎo)致微裂紋38進(jìn)一步擴(kuò)展 穿過硅芯片14的厚度的任何應(yīng)力集中因素。此濕法蝕刻可以由 HF/HN03溶液，或其它可以施加這樣的鈍化作用到微芯片結(jié)構(gòu)上的溶 液構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方法，如圖5和圖6所示，其中各種結(jié)構(gòu)元 件和圖1中的元件相同或相似，闡明在硅晶片或芯片14的處理和接合 到襯底12之前，對(duì)其進(jìn)行封裝以形成電子封裝50，在硅晶片或芯片 14的背面16提供由抗裂材料構(gòu)成的保護(hù)膜層52，下面將描述。在一個(gè)例子中，此種膜材料52具有高斷裂韌度性能，比如鋁合 金。用來防止硅芯片或晶片14的擦傷的此種膜材料在被接觸或者置于 硅芯片或晶片14之下后可能產(chǎn)生引起擦傷54，該擦傷54不透過所以 也就不穿透進(jìn)入硅背面16，例如，保護(hù)了后者不形成微擦傷。具有高 斷裂韌度以及適合用于應(yīng)用到背面16的膜層的材料還可以是WSi2， 其具有大約5.6 MPa (兆帕)m1/2的斷裂韌度；Si02，具有0.85到1.15
MPa m1/2的斷裂韌度；或者鋁合金，具有33到54 MPa m1/2的斷裂韌 度。還可以使用斷裂韌度為5.6到8.7 MPa加1/2的鴒(W)，其在硅 化處理之后應(yīng)用，或者使用斷裂韌度為3.1 MPam^的SiC;斷裂韌 度為8.3 MPa 1111/2的Si3N4，其中硅(Si)本身的斷裂韌度為0.79到 0.95MPam1/2。通常在接觸處理(contact process )之后應(yīng)用鋁，而在 完成硅化處理步驟之后應(yīng)用鴒。在硅晶片或芯片14的背面16具有高硬度的膜層52以防止芯片 背面16中擦傷的形成的情況下，同樣如圖6所示，優(yōu)選在封裝處理開 始時(shí)應(yīng)用由Si3N4、 SiC、 DLCorWSi2構(gòu)成的膜層，其中SisN4具有大 約14GPa的硬度；SiC具有大約15-30GPa的硬度；類金剛石碳 (diamond-like carbon)具有20GPa的硬度；珪(Si)具有大約12GPa 的硬度。在硅芯片或晶片和襯底14進(jìn)行熱接合處理并用封裝32將硅芯片 或晶片包圍之前，應(yīng)用防裂膜材料到硅芯片或晶片的背面的此處理將 防止在硅芯片或晶片中微裂紋的形成或擴(kuò)展。在一些情況下，對(duì)芯片或晶片的背面進(jìn)行濕法蝕刻處理，如上所 述，之后在上面應(yīng)用保護(hù)膜層52，也是有利的。從前面所描述的內(nèi)容可以容易地理解利用上述的防止硅芯片或 晶片中傾向于向包括電子器件或連接的芯片的正面擴(kuò)展的裂紋的形成 或擴(kuò)展的方法，保證了在接合到襯底和用電介質(zhì)粘合劑封裝之后，電 子封裝在操作期間確信沒有潛在的故障。盡管已經(jīng)具體地圖示和結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式描述了本發(fā)明，本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員會(huì)理解在不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下可 以作出形式和細(xì)節(jié)上的上述的和其它改變。因此，本發(fā)明并不受限于 上面描述和圖示的精確的形式和細(xì)節(jié)，而是涵蓋所有落入所附權(quán)利要 求書的精神實(shí)質(zhì)和范圍的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種防止半導(dǎo)體芯片或晶片中的背面微裂紋的形成和向其正面擴(kuò)展的方法，其中所述芯片或晶片適合與元件工作連接以形成電子封裝裝置，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個(gè)擦傷；確定微裂紋已經(jīng)從所述至少一個(gè)擦傷朝所述半導(dǎo)體芯片或晶片的正面擴(kuò)展進(jìn)入所述半導(dǎo)體芯片或晶片；以及對(duì)所述背面和微裂紋進(jìn)行濕法蝕刻以鈍化所述微裂紋的起始端并防止其進(jìn)一步向前擴(kuò)展。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在進(jìn)行所述濕法蝕刻之前， 所述微裂紋的起始端具有尖頂點(diǎn)，響應(yīng)于對(duì)芯片或晶片的所述背面應(yīng) 用的所述濕法蝕刻步驟，所述尖頂點(diǎn)被加寬成為鈍形形狀。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體芯片或晶片由硅 材料(Si)構(gòu)成，且所述應(yīng)用到背面的濕法蝕刻包括基本上由HF和 HN03組成的化學(xué)溶液。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述芯片或晶片背面的濕法 蝕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電子封裝 裝置時(shí)襯底被接合到所述芯片或晶片上之前進(jìn)行的。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，在所述芯片或晶片和所述 工作器件和襯底接合以及所形成的電子封裝裝置隨后的工作期間所述 芯片或晶片受到高溫和熱循環(huán)時(shí)，所述微裂紋頂點(diǎn)的鈍形形狀防止所 述微裂紋進(jìn)一步向前擴(kuò)展通過所述芯片或晶片。
6. —種防止硅芯片或晶片中的背面微裂紋的形成和向其正面擴(kuò) 展的方法，其中所述芯片或晶片適合與元件進(jìn)行工作連接以形成電子封裝裝置，所述方法包括在形成所述電子封裝裝置期間在所述芯片或晶片的背面施加保 護(hù)性防裂材料，以防止所述芯片或晶片在受到所述形成工藝期間的高 溫和電子封裝裝置工作期間遇到的熱循環(huán)時(shí)在其中形成微裂紋。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述防裂材料包括具有高斷 裂韌度的膜層，其粘附到所述芯片或晶片的背面上。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述膜層從包括WSi2、 Si02、 鋁合金、鎢、SiC、 Si3N4、 Si及其合成物的材料組中選擇。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述包含鋁合金的膜層在接 觸所述元件之后施加，所述包含鴒的膜層在硅化處理之后施加。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述防裂材料包括具有高硬 度的膜層，其在封裝形成工藝開始時(shí)和所述芯片或晶片的背面粘合。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述膜層從包括Si3N4、SiC、 類金剛石碳和Si的材料組中選擇。
12. 在硅半導(dǎo)體芯片或晶片中，提供用于防止半導(dǎo)體芯片或晶片 中的背面微裂紋的形成和向其正面擴(kuò)展的手段，其中所述芯片和晶片 適合與元件進(jìn)行工作連接以形成電子封裝裝置，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個(gè)擦傷的手段； 確定微裂紋已經(jīng)從所述至少 一個(gè)擦傷朝所述半導(dǎo)體芯片或晶片的正面擴(kuò)展進(jìn)入所述半導(dǎo)體芯片或晶片；以及對(duì)所述背面和微裂紋進(jìn)行濕法蝕刻以鈍化所述微裂紋的起始端并防止其進(jìn)一步向前擴(kuò)展。
13. 如權(quán)利要求12所述的芯片或晶片，其中所述微裂紋的起始 端在進(jìn)行所述濕法蝕刻之前具有尖頂點(diǎn)，響應(yīng)于對(duì)芯片或晶片的所述 背面應(yīng)用所述濕法蝕刻步驟，所述尖頂點(diǎn)被加寬成為鈍形形狀。
14. 如權(quán)利要求12所述的芯片或晶片，其中所述應(yīng)用到背面的 濕法蝕刻包括基本上由HF和HN03構(gòu)成的化學(xué)溶液。
15. 如權(quán)利要求12所述的芯片或晶片，其中所述芯片或晶片背 面的濕法蝕刻是在所述芯片或晶片被接合到工作器件，以及形成所述 電子封裝裝置時(shí)襯底被接合到所述芯片或晶片上之前進(jìn)行的。
16. 如權(quán)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襯底接合以及所形成的電子封裝裝置隨后的操作 期間所述芯片或晶片受到高溫和熱循環(huán)時(shí)，所述微裂紋頂點(diǎn)的鈍形形 狀防止所述微裂紋進(jìn)一步向前擴(kuò)展通過所述芯片或晶片。
17. 在硅半導(dǎo)體芯片或晶片中，提供一種防止硅芯片或晶片中背 面微裂紋的形成和向其正面擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，其中所述芯片或晶片適合與 元件進(jìn)行工作連接以形成電子封裝裝置，一種保護(hù)性防裂材料，其在形成所述電子封裝裝置的工藝期間被 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 成工藝期間的高溫和在所述電子封裝裝置的工作中遇到的熱循環(huán)時(shí)在 所述芯片或晶片中形成微裂紋。
18. 如權(quán)利要求17所述的芯片或晶片，其中所述防裂材料包括 具有高斷裂韌度的膜層，其和所述芯片或晶片的背面粘合。
19. 如權(quán)利要求18所述的芯片或晶片，其中所述膜層從包括WSi2、 Si02、鋁合金、鎢、SiC、 Si3N4、 Si及其合成物的材料組中選 擇。
20. 如權(quán)利要求19所述的芯片或晶片，其中所述包含鋁合金的 膜層在接觸所述元件之后施加，所述包含鴒的膜層在硅化處理之后施 加。
21. 如權(quán)利要求18所述的芯片或晶片，其中所述防裂材料包括 具有高硬度的膜層，其在封裝形成處理開始時(shí)和所述芯片或晶片的背 面粘合。
22. 如權(quán)利要求21所述的芯片或晶片，其中所述膜層從包括 Si3N4、 SiC、類金剛石碳和Si的材料組中選擇。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及防止半導(dǎo)體芯片或晶片中的背面微裂紋的形成及向其正面擴(kuò)展的方法、芯片或晶片。具體地，提供了一種防止在處理硅(Si)半導(dǎo)體芯片或晶片時(shí)在其背面上形成裂紋的方法。還提供了用于防止在制造電子封裝期間在處理硅芯片期間、在使其和襯底接合之前其背面上已經(jīng)形成的裂紋擴(kuò)展的方法。此方法要求或者用濕法蝕刻處理背面，或者在形成包括芯片或晶片的電子封裝之前在芯片或晶片上施加保護(hù)膜層。
文檔編號(hào)H01L21/66GK101118838SQ200710112279
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者克里斯多夫·戴維·穆西, 杰弗里·P.·岡比諾, 杰羅姆·B.·拉斯克, 沃爾夫?qū)に魈? 蒂莫西·哈里森·道本斯佩克 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司