关键词：
应力
翘曲度
减薄
酸洗
应力碎片
摘要：
功率半导体器件是电子电力设备以及新能源汽车中电能转换与电路控制的核心,在传统行业中主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换(变频、变压、变流和功率管理)等,而且随着新能源汽车越来越普及,功率半导体器件的市场需求正迎来一波春天。功率器件的种类较多,但是目前市场主要为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、SJ(Super Junction)、SBD(Schottky Barrier Diode)、FRD(Fast Recovery diode)、LVMOS等器件。覆盖应用电压从5伏到5000伏不等、覆盖领域从低端消费领域到高端可靠性车业领域。功率半导体器件结构相对逻辑芯片简单,但是生产工艺难度较高,对单步工艺提出很高的要求,通常需要做到设备及工艺的极限能力,并且出芯良率也要求较高,要求达到99.5%以上。本文主要针对半导体功率器件制造过程中的区别于IC器件制造的特色背面工艺,从减薄厚度、芯片应力、翘曲度、应力释放等方面入手,探讨功率器件制造中相关技术问题。
国内外针对背面工艺开展了大量的工作,大部分集中在工程试验的研究,尚未形成成熟理论体系,对于成熟生产线制造过程中面临的问题还没有全面深入地探讨。对于背面工序过程中产生的应力现象,以及制造工艺如何解决应力问题,较少有深入研究的报道。基于此,本文开展主要工作如下:
1.展示功率芯片制造过程因内应力造成晶圆不平整问题,分析功率半导体器件从晶圆衬底制作到芯片封装的整个过程中应力产生的原因,例如功率芯片沟槽设计差异带来的应力影响,薄膜膜层厚度及类型的选择,背面减薄衬底造成晶圆翘曲。并结合实际晶圆从前道工序流片到后道工序,晶圆的内应力大小的变化,说明了研究应力问题在半导体制造过程中具有特殊意义。
2.分析应力效应成因,结合实际生产数据,给出生长膜层、温度变化、蚀刻、背面减薄损伤层、封装等均会导致晶圆应力变化的依据,然后选用合作单位的实际产品,突出研究了背面工序段制造工艺对晶圆内应力的影响,细化了从贴膜到背面金属每一个细分工序对应力的具体影响,为背面工序工艺能力提升提供了数据支撑。
3.晶圆背面流片过程中,应力造成主要问题是晶圆翘曲、晶圆应力碎片、晶圆封装过程芯片碎裂等问题。通过前述对应力的分析,判定主要改善工序是减薄工序和酸洗工序,减薄工序设计了减少损伤层分组验证,从减薄砂轮型号、精磨阶段研磨量、减薄主轴转速、研磨时晶圆转速4个方面,得出了砂轮型号和精磨研磨量是主要影响因素;酸洗工序也设计了酸洗损伤层试验,发现研磨损伤层应力可以通过与之对应的酸洗量来消除。在此基础之上,提出了减薄砂轮使用#2000,搭配酸洗5μm的改善方案,最终改善薄片晶圆翘曲度19%、改善晶圆应力碎片25%、改善芯片碎裂100%。
4.展望背面工序段未来可发展方向,例如新发展的Taiko减薄、临时键合工艺、SiC减薄,结合现有设备和产品,列举了目前新工艺遇到的部分问题,例如通过优化粗磨磨轮变更解决Taiko减薄ring环碎裂问题,通过增加临时键合真空值解决晶圆正面残胶问题,为后续继续减薄工艺至30μm做出了铺垫。
