制造具有侧壁密封的半导体芯片的方法与流程

1.本公开涉及半导体芯片制造领域，并且尤其涉及半导体芯片的侧壁密封。


背景技术：

2.在将半导体芯片与半导体晶片分离期间和之后，半导体芯片的侧壁易于受到机械和化学损坏。特别是，在芯片分离之后(例如在封装期间)施加的金属镀覆和/或焊接工艺可能对芯片侧壁完整性产生负面影响，并且可能例如导致芯片断裂。


技术实现要素：

3.根据本公开的一方面，一种制造具有侧壁密封的半导体芯片的方法包括在半导体晶片中形成切割槽。对切割槽的侧壁进行阳极氧化，以在切割槽的侧壁处生成阳极氧化物层。将半导体芯片与半导体晶片分离。
4.根据本公开的一方面，半导体芯片包括在其侧壁处的阳极氧化物层。
附图说明
5.图1是示意性地示出制造具有阳极氧化物层作为侧壁密封的半导体芯片的示例性方法的流程图。
6.图2是对切割槽的侧壁进行阳极氧化以在侧壁处生成阳极氧化物层的过程的示意图。
7.图3是考虑到以下方面、针对n型半导体(左侧)和p型半导体(右侧)的在阳极氧化期间的金属氧化物半导体(mos)结构的示意图：(a)空间电荷区(scz)，(b)空间电荷密度ρ，(c)负和正电荷载流子的电荷载流子浓度n(即电子的nn和空穴的np)，以及(d)电场e。
8.图4是在阳极氧化之前将n型掺杂剂或p型掺杂剂注入到切割槽的侧壁中的过程的示意图。
9.图5是在阳极氧化期间照射切割槽的侧壁的过程的示意图。
10.图6是可以用于制造具有阳极氧化物层作为侧壁密封的半导体芯片的方法中的示例性过程的图示。
11.图7是图6中圈出的细节的放大图。
12.图8是在其侧壁处具有阳极氧化物层的示例性半导体芯片的截面图。
13.图9是示例性半导体芯片的截面图，该半导体芯片在其侧壁处具有阳极氧化物层并且在其(一个或多个)主表面上方具有(一个或多个)焊料沉积物。
具体实施方式
14.应当理解，除非另外特别指出，否则本文描述的各种示例性实施例和示例的特征可以彼此组合。
15.晶片切割是将半导体晶片分割成芯片的过程，芯片在本领域中也被称为管芯。已
经开发了用于晶片切割的各种技术。特别地，制造用于例如半导体晶片的功率应用的薄芯片是一项具有挑战性的任务。常规的切割方法通常会产生未受保护的芯片边缘，并可能进一步在分离的芯片的边缘(侧壁)处造成缺损。
16.参考图1，以示例的方式描述了制造具有侧壁密封的半导体芯片的方法。在s1，在半导体晶片中形成切割槽。例如，切割槽可以例如通过刀片切割以机械方式形成，例如通过蚀刻和/或通过激光束烧蚀以化学方式形成。
17.在s2，对切割槽的侧壁进行阳极氧化以在切割槽的侧壁处生成阳极氧化物层。对侧壁进行阳极氧化产生了侧壁密封。如下文将进一步描述的，通过这种电化学过程产生的侧壁密封在均匀性、一致性和密封能力方面具有高质量。
18.在s3，将半导体芯片与半导体晶片分离。将半导体芯片与半导体晶片分离可能涉及各种不同的技术，例如包括减薄、激光分离等。
19.参考图2，以示例的方式更详细地描述了在s2处对切割槽的侧壁进行阳极氧化的过程。在图2中，半导体晶片210(图2中仅示出了其一部分)浸入包含在电解池260中的电解质250中。电解池260进一步包含阴极262(负电极)和阳极264(正电极)，此处半导体晶片210充当阳极264。
20.如已经提到的，在执行阳极氧化过程之前，已经在半导体晶片210中形成了切割槽220。切割槽220可以具有等于或小于50μm、70μm、90μm、110μm、130μm或150μm的深度d(在半导体晶片210的上表面210a和切割槽220的底表面220a之间测量的)。特别地，d可以等于或大于要由半导体晶片210产生的半导体芯片的厚度。
21.半导体晶片210可以被前端处理，即集成电路(未示出)可以被单片集成在由切割槽220界定的每个半导体晶片区域中。集成电路(ic)可以代表功率ic。特别地，ic可以包括或代表功率晶体管、功率二极管等。
22.例如，诸如栅电极212和/或源电极214的电极可以布置在半导体晶片210的上表面210a处。注意，在图2中描绘的栅电极212和源电极214仅是示例，并且诸如逻辑或模拟ic的一个和/或多个漏电极的其他电极可以设置在半导体晶片210的上表面210a处。
23.在图2所示的示例中，(多个)电极(例如栅电极212和源电极214)被例如光刻胶的掩模材料218覆盖。
24.掩模材料218可以覆盖半导体晶片210的旨在不暴露于电化学阳极氧化过程的表面区域。在图2所示的示例中，掩模材料218在切割槽220的横向外侧完全覆盖半导体晶片210的上表面210a并且可以完全覆盖半导体晶片210的上表面210a处的(多个)电极(例如栅电极212和源电极214)。然而，如下面将更详细地描述的，掩模材料218层也可能在距切割槽220的边沿一定偏移处终止，以便在半导体晶片210的上表面210a处的与切割槽220的边沿相邻处提供框架形状的暴露区域。
25.除了在阳极氧化过程期间覆盖上表面210a和电极之外，掩模材料218可以具有一种或多种另外的功能。根据第一种可能性，在形成切割槽220之前，可以在半导体晶片210之上生成掩模材料218的掩模层。然后可以图案化掩模层以暴露半导体晶片210上的切割槽道。然后可以使用图案化的掩模层通过等离子体切割来形成切割槽220。在这种情况下，图案化的掩模层也可以充当切割掩模。
26.例如，可以通过深反应离子蚀刻(drie)执行等离子体切割。drie是一种干法等离
子体工艺，其可以将非常窄、深的垂直切割槽220蚀刻到半导体晶片210中。
27.根据第二种可能性，可以在形成切割槽220之后在半导体晶片210之上生成掩模材料218的掩模层。然后可以图案化掩模层以至少暴露切割槽220。如上所述，也可以图案化掩模层以额外暴露半导体晶片的上表面210a的与切割槽220相邻的框架形状的区域。然后使用图案化的掩模层对半导体晶片210的没有被图案化掩模层覆盖的所有暴露表面进行阳极氧化。也就是说，通过使用图案化掩模层对切割槽220的侧壁以及可选地对与切割槽220相邻的框架形状的区域进行阳极氧化。
28.返回到图2，然后对切割槽220(其例如可能已经通过半切刀片切割或等离子体切割产生)进行阳极氧化以生成阳极氧化物层222。阳极氧化物层222可以部分地或完全覆盖切割槽220的侧壁。
29.阳极氧化物层222通过晶片材料的阳极氧化而生成。晶片材料例如可以是硅(si)或诸如sige、sic等的其他材料。在下文中，不失一般性地且仅仅为了便于解释，使用si作为半导体晶片材料的示例。
30.在阳极氧化期间，si半导体晶片210的si-si键被破坏并被si-o键取代。以下化学方程式可以描述si的阳极氧化：
31.si 2h2o nh
→
sio2 4h

(4-n)e，
32.其中h表示空穴，e表示电子，并且n是整数。
33.即，施加在阴极262和阳极264之间的直流电流通过电解质250并且在阴极262处释放氢并且在半导体晶片210的暴露的上表面210a处(即在阳极264处)释放氧。氧建立了氧化硅(即阳极氧化物层222)的堆积。此外，从化学方程式看来，阳极氧化是空穴驱动的过程。
34.电解质250包含水，即是水溶液。在水溶液中，阳极氧化过程不太依赖于电解质250中溶解的盐。因此，可以使用多种不同的电解质250，特别是去离子水、hno3、h3po4、nh4oh等。
35.应注意，通过电化学阳极氧化生成的阳极氧化物层222在结构上不同于通过沉积工艺(例如通过硅烷裂解、teos(原硅酸四乙酯)沉积、或lto(低温氧化物)沉积)产生的半导体氧化物层。阳极氧化物具有的密度高于沉积氧化物。此外，生成过程是自调整且高度共形的。这保证了半导体晶片210的暴露表面(并且尤其是切割槽220的侧壁)被完全且气密地密封，在阳极氧化物层222中没有任何缺陷或薄弱点。简而言之，阳极氧化物层222与沉积氧化物层相比，结构不同且质量更好。
36.此外，注意，高温氧化物生成过程不能用于密封切割槽220的侧壁，因为半导体晶片210在晶片处理的后期阶段(即晶片金属化后)不能再被加热到高温。
37.阳极氧化物相对于沉积氧化物的另一个优点是阳极氧化物被选择性地生成，而沉积氧化物完全涂覆半导体晶片210。
38.图3示意性地示出了电解池260中阳极氧化物层222的生成的特性。图3中的左侧图涉及n型半导体晶片210，而右侧图涉及p型半导体晶片210。参考n型半导体晶片210，假设半导体晶片210不具有例如等于或小于约10
18
cm-3
或10
19
cm-3
的非常高的掺杂剂浓度，阳极氧化物层222在阳极氧化期间限定金属-氧化物-半导体(mos)结构，其中电解质代表金属。在阳极氧化物层222生成几纳米的初始层厚度之后，在n型半导体晶片210中生成空间电荷区(scz)(见图3的左侧部分的(a)和(b))，即使电压增加，该空间电荷区(scz)也能抑制进一步氧化。然而，只有在达到击穿电压时，才会通过不受控制的过程生成更多的阳极氧化物。因
此，与在初始阳极氧化物层生成时几乎没有形成scz的p型半导体晶片210的情况(见图3的右侧部分的(a)和(b))不同，很难通过阳极氧化在具有例如等于或小于约10
18
cm-3
或10
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的掺杂剂浓度的n型半导体晶片210中产生更大厚度的阳极氧化物层222。
39.电化学生成的阳极氧化物充当施加电压之间的绝缘体。在阳极氧化过程期间，特定位置处的阳极氧化物层222越薄，该位置处的电场e越高。结果，阳极氧化物层222的较薄区域被更强烈地阳极氧化，因为该过程由电场驱动的离子运动控制。阳极氧化过程的这种自调整提供了生成的阳极氧化物层222的高度一致性(例如在厚度和/或结构方面)，其甚至比由扩散控制反应生成的热氧化物的一致性更好。
40.下面描述在不具有非常高的掺杂剂浓度的n型半导体晶片210中产生较厚的阳极氧化物层222的方法。
41.根据第一种方法，可以通过在阳极氧化之前将n型掺杂剂或p型掺杂剂注入到切割槽220的侧壁中来提升阳极氧化物层形成过程。该方法在图4中示出。箭头指示在切割槽220的侧壁中浅注入施主(例如磷、砷、锑等)。掺杂剂抑制scz的形成，从而允许进一步的阳极氧化物生长。诸如硼的受主也可以用作p型掺杂剂。
42.由于不再可能在高温下激活掺杂剂，因此掺杂剂的浓度(即注入剂量)应该相对较高。
43.替代地或另外地，可以通过氢注入来诱导热施主。热施主的优点是仅约400℃的温度就足以进行激活。这样的温度与在晶片制造阶段的晶片处理相适应，特别是与可能已经施加于半导体晶片210的正面金属化(电极212、214)相适应。因此，氢注入(也可以由图4的箭头指示)之后可以在例如约400℃的适当的温度下进行退火工艺。
44.如图4所示，掩模材料218(其先前可能或可能未用于槽切割)可以用作上述注入工艺中的一种或多种注入工艺的注入掩模。掩模材料218的掩模层的厚度可以等于或大于几十μm。这样的掩模层厚度足以用于等离子体切割并且也足以在注入工艺期间充当注入掩模层。
45.将n型掺杂剂或p型掺杂剂或氢注入切割槽220的侧壁中不仅可以允许进一步的阳极氧化物层生成，而且还可以另外用作半导体芯片边缘的场停止区域。如本领域中已知的，半导体芯片并且特别是功率半导体芯片配备有场停止区域以防止在芯片边缘处生成电场。因此，掩模材料218的掩模层也可以用作用于生成横向场停止区域的注入掩模，从而避免了施加单独的掩模和进一步的光刻来生成场停止区域。
46.根据第二种方法，可以通过在阳极氧化期间照射切割槽220的侧壁来抑制n型半导体晶片210中的scz的生成。在n型半导体晶片210中，因为空穴是少数载流子，所以氧化速率将对照射敏感。当使用p型半导体晶片210时，照射不影响氧化速率。
47.参考图5，一个或多个光源510可以容纳在电解池260中。(多个)光源被配置为完全照射切割槽220的侧壁，从而在半导体晶片210中与侧壁相邻的区域中生成电子-空穴对。电子-空穴对由(多个)光源发射的光子生成，并且具有使电场e不会被scz耗尽的效果(与图3的左侧图(d)相比，其中在没有照射的情况下电场e被scz耗尽)。这允许在具有与p型半导体材料或非常高掺杂剂浓度的n型半导体材料相似的厚度的具有有限掺杂剂浓度的n型掺杂半导体材料中生成阳极氧化物层222。
48.(多个)光源510可以布置在半导体晶片210的上表面210a上方短距离之下。(多个)
光源510可以例如通过二极管阵列或任何其他发光器件(例如通过发光箔或通过发光器件阵列)来实现。
49.在图5中，(多个)光源510位于阴极262和半导体晶片210之间。然而，(多个)光源510也可能布置在阴极262上方，阴极262则可以是透明的(例如可以由透明导电箔或由导电网形成)。
50.尽管针对不具有很高掺杂剂浓度的n型半导体晶片210的示例进行了描述，但是第一种方法和第二种方法可以例如一般地应用于所有半导体晶片。
51.此外，已经发现足够厚度的阳极氧化物层222可以形成在半导体晶片210的损坏表面上，例如在通过例如用于产生切割槽220的刀片切割而进行的晶片切割过程期间被损坏的硅表面上。在这种情况下，不需要注入和/或照射过程来生成足够厚度的阳极氧化物层222。即使对于未掺杂的(即本征的)半导体晶片210，在损坏的表面上生成足够厚度的阳极氧化物层222也是可能的。在所有情况下，可以结合刀片切割(产生损坏的槽侧壁)和上述注入和/或照射过程。
52.此外，已经发现，对于本文所述的所有阳极氧化过程，阳极氧化处理期间的温度对所生成的阳极氧化物层222的结构质量起着重要作用。在电解质250的等于或高于70℃或80℃或90℃的温度下，阳极氧化过程提供了完全封闭且密封的阳极氧化物层222，其允许高质量的侧壁密封，而阳极氧化物层222在低于70℃的电解质温度下可能变得越来越多孔。
53.贯穿本说明书，阳极氧化物层222可以具有等于或大于5nm、10nm、20nm、50nm、100nm、0.5μm、1.0μm或2.0μm的厚度。阳极氧化物层222可以包括或具有sio2或通过在切割槽220的侧壁处对半导体晶片210的半导体体块材料进行阳极氧化而生成的另一种氧化物成分。
54.图6示出了可以用于制造具有阳极氧化物层222作为侧壁密封的半导体芯片的方法中的示例性工艺。在610处，执行所谓的半切切割(例如刀片切割或等离子体切割)。在图6中描绘了切割槽220和可选的(多个)电极212、214。
55.随后，在620处，对切割槽220的侧壁进行阳极氧化。为了构建阳极氧化物层222，可以使用任何上述工艺。简而言之，在620_1处示出了半切切割的半导体晶片210(如已经在610处示出的)。在620_2处，在半导体晶片210之上生成掩模材料218的掩模层，然后对该掩模层进行图案化以暴露切割槽220。在图6所示的示例中，不仅切割槽220被暴露，而且半导体晶片210的与切割槽220相邻的某个框架状表面区域也被暴露。图案化的掩模层可以完全覆盖半导体晶片210上的(多个)电极212、214(或者，一般而言，金属化)。在620_2处示出的工艺也可以被称为“切口上光刻”。如上所述，掩模材料218的图案化的掩模层可以进一步用作注入掩模。
56.在620_3处，对切割槽220的侧壁进行阳极氧化，并在切割槽220的侧壁处形成阳极氧化物层222。可以使用上文具体说明的方法中的任一种。进一步进行到620_3，然后可以去除掩模材料218。
57.注意，620处所示的示例性工艺620_1、620_2、620_3可以由前述工艺中的任一种及其变型替代或补充，以实现具有切割槽220的半导体晶片210，该切割槽220具有由低温阳极氧化物层222涂覆的侧壁。
58.在630处，切割槽220(可选地)填充有有机树脂632。有机树脂632可以形成覆盖半
导体晶片210的上表面210a的连续层。如果需要，用有机树脂632填充切割槽220之后可以在有机树脂632层上进行光刻工艺。
59.在640处，半导体晶片210可以附接到临时载体642。临时载体642可以例如包括保持器或支撑构件642_1(例如玻璃板)和粘合膜642_2。
60.然后可以将具有附接的半导体晶片210的临时载体642上下翻转。在650处，可以在与切割槽220相对的半导体晶片表面210b处减薄半导体晶片210，即可以从半导体晶片210的背面进行减薄。减薄可以包括研磨和/或蚀刻。减薄过程由650处的箭头示出。作为减薄过程的结果，生成嵌入有机树脂基质中的芯片。即，减薄过程可以将半导体晶片210完全分离成单个半导体芯片，然而，这些半导体芯片仍然通过有机树脂基质彼此连接。
61.从610到650的过程可以被称为研磨前切割(dbg)过程。
62.在660处，电极金属材料662可以沉积在半导体晶片210(然而，现在也可以称为人工晶片，因为它可以包括嵌入在有机树脂基质中的分离的半导体芯片)的背面上(例如，下表面210b上)。电极金属材料662的沉积可以通过无电镀或电流镀覆进行。举例来说，ti/cu种子层661可以施加到(人工)半导体晶片210的表面并且铜或任何其他电极金属可以沉积在种子层661上以提供电极金属材料662层。
63.在670处，可以结构化电极金属材料662层。结构化可以通过任何可用的过程完成，例如通过蚀刻完成。
64.注意，在660和670处所示的示例性步骤可以由其他方法步骤代替或补充，所述方法步骤例如是在(人工)半导体晶片210之上沉积焊料材料。在这种情况下，焊料材料可以直接沉积(例如印刷)在(人工)半导体晶片210的背面上以形成图案化的电极金属材料层，如670所示。例如，可以使用被配置用于扩散焊接的焊料材料，例如，ausn或其他焊料材料。
65.在660、670处的施加电极金属材料662和/或焊料材料期间，切割槽220的侧壁不仅受到(可选的)有机树脂632的保护，而且还受到阳极氧化物层222的保护。虽然有机树脂632通常不提供对切割槽220的侧壁的可靠保护，但通过阳极氧化物层222获得了有效的侧壁密封。因此，大大减少或完全排除了在芯片制造过程期间或之后通过金属(例如焊料)污染半导体芯片的侧壁的风险。
66.然后可以从(人工)半导体晶片210去除临时载体642。可以将(人工)半导体晶片210上下翻转并放置在支撑构件684上。激光束682可以用于通过有机树脂激光分离将(人工)半导体晶片210分离成个体的半导体芯片。在680处，有机树脂632的左侧填充物被显示为被激光束682分离，而有机树脂632的右侧填充物仍然完好无损。
67.图7是图6中在680处圈出的细节的放大图。从图7中可以明显看出，半导体晶片210现在被分离成单个半导体芯片，该半导体芯片包括阳极氧化物层222侧壁保护和(可选的)有机树脂632侧壁保护。
68.参考图8，示例性半导体芯片800在其侧壁处包括阳极氧化物层222。半导体芯片800可以设有由电极金属材料662形成的背面电极和/或设有正面电极(例如，栅电极212和/或源电极214)。阳极氧化物层222的厚度t可以等于或大于5nm、10nm、20nm、50nm、100nm、0.5μm、1.0μm或2.0μm。半导体芯片800的厚度d可以等于或小于150μm、130μm、110μm、90μm、70μm或50μm。半导体芯片800可以是功率半导体芯片，例如功率晶体管或功率二极管。
69.如图8所示，阳极氧化物层222可以完全覆盖半导体芯片800的侧壁的整个表面。
70.参考图9，半导体芯片900可以被设计为与半导体芯片800相同，除了半导体芯片900设有与半导体芯片900的侧壁相邻的区域910，这些区域910是n掺杂的或p掺杂的。如前所述，在n型半导体晶片(其不具有非常高的掺杂剂浓度)的情况下，在半导体芯片900的侧壁处的n型掺杂剂注入和/或p型掺杂剂注入可以提供阳极氧化物层222的足够厚度t，并且可以可选地进一步用作器件制造的场停止部。区域910也可以是本征的并且被刀片切削损坏。
71.此外，图9示出了在半导体芯片900的背面和/或正面之上沉积焊料材料920。在该过程或诸如焊料回流的后续过程期间，半导体芯片920的侧壁被有效地密封以防止焊料材料污染。
72.以下示例涉及本公开的进一步方面：
73.示例1是一种制造具有侧壁密封的半导体芯片的方法，该方法包括：在半导体晶片中形成切割槽；对切割槽的侧壁进行阳极氧化，以在切割槽的侧壁处生成阳极氧化物层；以及将半导体芯片与半导体晶片分离。
74.在示例2中，示例1的主题可以可选地包括在阳极氧化之前将n型掺杂剂或p型掺杂剂注入到切割槽的侧壁中。
75.在示例3中，示例1或2的主题可以可选地包括在阳极氧化之前将氢注入到切割槽的侧壁中。
76.在示例4中，前述示例中任一个的主题可以可选地包括在阳极氧化期间照射切割槽的侧壁。
77.在示例5中，前述示例中任一个的主题可以可选地包括：其中在阳极氧化期间电解质的温度等于或高于70℃或80℃或90℃。
78.在示例6中，前述示例中任一个的主题可以可选地包括：其中分离包括在与切割槽相对的半导体晶片表面处进行阳极氧化之后将半导体晶片减薄。
79.在示例7中，前述示例中任一个的主题可以可选地进一步包括在阳极氧化之后用有机树脂填充切割槽。
80.在示例8中，前述示例中任一个的主题可以可选地进一步包括：其中分离包括通过激光切割穿过有机树脂来单个化半导体芯片。
81.在示例9中，前述示例中任一个的主题可以可选地包括在阳极氧化之后在半导体晶片之上沉积电极金属材料或焊料材料。
82.在示例10中，前述示例中任一个的主题可以可选地包括：其中形成切割槽包括刀片切割或等离子体切割。
83.在示例11中，前述示例中任一个的主题可以可选地包括在形成切割槽之后在半导体晶片之上生成掩模层；图案化掩模层以暴露切割槽；以及利用图案化掩模层对切割槽的侧壁进行阳极氧化。
84.在示例12中，示例1至9中任一个的主题可以可选地包括在形成切割槽之前在半导体晶片之上生成掩模层；图案化掩模层以暴露半导体晶片的切割槽道；利用图案化掩模层通过等离子体切割形成切割槽；以及利用图案化掩模层对切割槽的侧壁进行阳极氧化。
85.示例13是一种半导体芯片，该半导体芯片在其侧壁处包括阳极氧化物层。
86.在示例14中，示例13的主题可以可选地包括：其中阳极氧化物层完全覆盖半导体
芯片的侧壁的整个表面。
87.在示例15中，示例13或14的主题可以可选地包括：其中阳极氧化物层的厚度等于或大于5nm、10nm、20nm、50nm、100nm、0.5μm、1.0μm或2.0μm。
88.在示例16中，示例13至15中任一个的主题可以可选地包括：其中半导体芯片的与侧壁相邻的区域是n掺杂或p掺杂或者是本征的，并且被刀片切削损坏。
89.虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在被解释为限制性的。在参考说明书时，本领域技术人员将清楚本发明的示例性实施例以及其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。