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晶圆减薄及背面金属蒸镀制程的研究

作　者: 刘东生
导　师: 李平; 邬瑞彬
学　校: 电子科技大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 功率器件背面研磨背面湿法蚀刻背面金属沉积缺陷
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

该课题的开设是基于德州仪器半导体制造（成都）公司着手建立的“晶圆背面制程”项目，内容是将正常厚度为725μm的晶圆从背面研磨至100μm，然后经由背面酸碱法蚀刻后，继续在背面蒸镀金属的制程过程。完成上述制程的芯片将在器件热阻的降低、工作散热和冷却、封装厚度减薄等各个方面实现很大的改善。在日常生活中，半导体技术的进步，很大一部分体现在特征尺寸的减少上，人们的视线常常关注在集成电路工艺从90nm到65nm的进步，甚至开始在45nm、22nm上有所突破，特征尺寸的缩小将半导体技术带入到纳米时代。随着特征尺寸的缩小，单位面积上晶体管电路的数量倍增，功能随之越显强大。然而在集成密度大幅提高的同时，热源开始在芯片上形成了集中的现象，如何降低器件热阻，做好器件的散热和冷却，成为了一个关键的问题。芯片超薄化成为一个重大的难题，继而逐步进入技术进步与攻关的课题当中。实际上，解决方法之一就是研磨减薄，晶圆上的器件以及连接电路的这一有效区域的厚度一般为5至10μm，为了保证其功能，都需要有一定的支撑厚度，这个支撑厚度有一个20至30μm的晶圆厚度极限。但这个厚度实际上只占用了整个晶圆厚度的一小部分，其余厚度的衬底只是为了保证硅片在制造、测试、封装和运送的过程中有足够的强度。在晶圆上的集成电路制作完成后，需要对硅片进行背面减薄（backside grinding or backside thinning），使其达到所需的厚度，一些特殊功能的芯片，比如功率器件，还要在背面减薄后，继续在背面蒸镀金属（backside metaldeposition），紧接着从背面引出电极，再对晶圆进行划片（die saw），形成一个个减薄的裸芯片，最后进行封装。在后续封装制程当中，还要承受热应力的影响，在该力的作用下，芯片还有破损的可能，所以需要在制程当中继续作相应的改进，一方面是设备的更新换代，而另一方面是在流程上实现前后段的整合。未来晶圆背面减薄将趋向越来越薄的极限厚度，而当芯片厚度小于50μm时，晶圆比一张纸还要薄，由于自身应力可以弯曲到一定程度而不断裂，特殊的超薄芯片甚至可以随意弯曲，可以用来做成闪存和电子标签等。在薄片破片的问题解决之后，背面金属的蒸镀也是一个挑战，需要解决三个主要问题，一是金属与晶圆背面黏附性的问题，使金属层不发生龟裂或剥落；二是背面金属蒸镀过程中，不能产生明显的外观缺陷；三是防止背面金属蒸镀制程造成电性或可靠性的问题。本文的工作是，通过背面制程的建立，以及大量工程实验的数据收集及结果分析，对制程缺陷的解决提供了有效的方案，为生产的顺利进行以及成本的控制创造了条件。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-19
  1.1 集成电路概述  11-12
  1.2 集成电路产业在中国的发展  12-13
  1.3 功率器件概述  13
  1.4 功率器件的工作原理  13-17
  1.5 背面工艺制程的需求  17-18
  1.6 论文总体结构和拟展开的工作  18-19
第二章晶圆背面研磨工艺的研究与实现  19-31
  2.1 化学机械平坦化工艺简介  19-21
  2.2 晶圆背面减薄工艺  21-24
    2.2.1 晶圆正面贴膜  22-23
    2.2.2 晶圆背面减薄  23-24
  2.3 实验条件的设计  24-29
    2.3.1 实验设备  24-25
    2.3.2 测试设备  25-26
    2.3.3 实验方法  26
    2.3.4 实验数据及结论  26-29
  2.4 本章小结  29-31
第三章晶圆背面蚀刻  31-38
  3.1 酸碱腐蚀法反应原理  31-33
    3.1.1 酸性液体对硅的腐蚀原理  32
    3.1.2 碱性液体对硅的腐蚀原理  32-33
  3.2 实验方法  33-35
  3.3 实验结果  35-36
  3.4 本章小结  36-38
第四章晶圆背面金属沉积  38-49
  4.1 背面金属沉积工艺简介  38-39
  4.2 单枪多坩埚电子书蒸发镀膜  39-40
  4.3 多靶型磁控溅射镀膜  40-41
  4.4 背面金属沉积类型的选择  41-43
  4.5 背面金属沉积条件的设计与实验  43-47
    4.5.1 金属预熔时间的设计与实验  45-46
    4.5.2 金属沉积厚度的设计与实验  46-47
  4.6 本章小结  47-49
第五章批量生产制程验证  49-69
  5.1 批量制程验证的必要性  49
  5.2 制程中遇到的缺陷问题  49-53
    5.2.1 晶圆正面进酸  49-50
    5.2.2 晶圆背面异常  50
    5.2.3 晶圆破片  50-51
    5.2.4 晶圆正面残留物  51-52
    5.2.5 晶圆翘曲严重  52
    5.2.6 背面金属剥落  52-53
    5.2.7 晶圆缺角  53
  5.3 制程中缺陷问题的解决  53-67
    5.3.1 晶圆正面进酸现象的分析及解决  53-57
    5.3.2 晶圆背面异常现象的分析及解决  57-62
    5.3.3 晶圆破片和翘曲现象的分析及解决  62-66
    5.3.4 晶圆正面残留现象的分析及解决  66
    5.3.5 背面金属剥落及缺角现象的分析和解决  66-67
  5.4 本章小结  67-69
第六章结论  69-72
致谢  72-73
参考文献  73-75

晶圆减薄及背面金属蒸镀制程的研究

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