單一晶圓表面調整
改善背面金屬黏著性
Scott Drews, SEZ America, Inc.
過去幾年以來，對於超薄層、離散式與高功率半導體元件在背面金屬黏著與銲錫接點的需求有明顯的增加，對特定的矽晶圓種類、電阻率、摻雜等級與被沈積的金屬或金屬疊層而言，為了提供矽晶圓表面一個優良的背面金屬黏著接點，潔淨的矽晶圓背部表面是必要的。這表面是非常關鍵的，其使背面金屬層不會因封裝的內部應力和熱而龜裂或剝離，導致良率或性能降低。
在消費性產品中需要更薄的基板，其半導體矽晶圓需要薄化到150微米以下，晶圓薄化最常見的方法是機械式背面研磨(backgrinding)製程。雖然背面研磨有著相對較低的成本(cost-of-ownership)，但是卻會在矽晶之間留下包含微裂痕(micro-crack)和晶體差排(crystal dislocation)等不平整表面，在背面金屬化處理時產生了應力點和黏著性不牢固的點。儘管與最後所使用的研磨輪有關，對於某些背面金屬黏著製程以及晶片的封裝厚度要求而言，此製程能生產出可接受的底部矽晶圓表面。因為背面研磨使得矽晶圓非常堅硬，不容許晶圓有可撓性，導致矽晶圓和背面金屬層就可能因此而龜裂。例如2000-grit修整輪盤，像這樣細緻的研磨輪盤經常被使用來減少從粗糙的背面研磨製程中所產生的細微裂痕到最低程度，然而，因為紋路和粗糙程度緣故，處理後之表面對大部份的金屬黏著製程而言並非理想。再者，研磨輪盤隨著使用而劣化，而且劣化程度絕對不是固定的。因此，再現性是另外一項重要的問題。
最常用來減少細微裂痕和晶體差排的方法是單一晶圓濕式化學蝕刻，這是使用無機化學藥品的組合來選擇性蝕刻在矽晶圓基板上所衍生出來的損傷。濕式化學蝕刻可以提供介於0.44至1.77微米間的均勻與特定底部晶圓表面粗糙度。這些表面可以經由使用不同的化學蝕刻劑和溫度來達成，進而提供最佳化的背面金屬黏著性。因為表面經過了化學處理，所以背面研磨所衍生的損傷可藉由化學反應來移除，而得到最佳的背面金屬粗糙度表面。另外經由改變化學和製程的參數也可能形成相當平整的矽晶圓表面。
實驗與結果
在這個實驗裡，所有的試驗都是以機械級(mechanical-grade)的矽晶圓基板來進行，其規格為P100、0-50歐姆-釐米、硼摻雜、300毫米。初始的背面研磨是以一台進料研磨機和2000-grit的砂輪盤來達到200微米。接著矽晶圓在旋轉處理器(spin processor)上來進行化學蝕刻，並利用具有0.1微米針尖的輪廓儀(profilometer)測量底部表面粗糙度。在所有的掃描圖中掃描長度為0.05 毫米，每一量測點皆在針尖施加10毫克的向下力量。並利用聚焦型離子束掃描式電子顯微鏡(focused ion beam scanning electron microscope，FIB-SEM)拍攝產生出來的詳細粗糙表面。*
圖一顯示出一清晰的「風車(pinwheel)」型式圖案遍及整個矽晶圓底部表面，從中心到晶圓邊緣由狹長型的研磨線條所構成。這是研磨砂輪盤橫過矽晶圓表面動作的徵狀，而導致在晶圓上產生內應力(inherent stress)。表面粗糙度是以總指標差偏(total indicator run-out，TIR)來描繪，TIR則經由在線條掃描的長度之間最大的尖峰高度數值減掉最小的尖峰數值所推估出來。粗糙度平均值(Ra)也會被計算出來，這個數值代表在線條掃描的長度之間粗糙度的平均值。在表面局部均勻度上可以明顯的看出相當大的差異。表面粗糙度能提供額外的接觸面積，因此對於提升金屬黏著性而言表面粗糙是需要的。然而，矽微粒、細微裂痕、以及留下的表面不平整導致了不牢固的黏著點。剖面描繪資料所量測的高度距離是從矽晶圓損傷的尖峰值到微裂痕所導致的矽晶圓表面較低點。曲線圖的x軸代表掃描長度，而y軸則代表在埃或微米的表面粗糙等級。晶圓的表面粗糙度從中心到邊緣大幅地變動，量測晶圓正中心的粗糙度為4501.9埃TIR及762.8埃Ra。在測量晶圓中心到邊緣的中間區域時，計算出的數值是5001.7埃TIR及782.5埃Ra。另外當從晶圓的邊緣測量20毫米時，TIR的數值達到9930.6埃；而Ra的數值則是2074.8埃。這證實了樣本晶圓的表面區域有著超過兩倍的TIR數值，而從中心到邊緣Ra的數值則幾乎是三倍，像這樣的表面不平整會導致金屬黏著性和金屬層均勻度的問題，且證實了背面研磨方法的不一致性。
利用化學蝕刻試驗來比較只用輪磨的效應與用輪磨加上濕式蝕刻的不同，在輪磨到200微米之後，就使用一種專門的化學混合蝕刻劑(TE1)。*這項化學製程是在55℃下作用了60秒，並且在一種已建立的最佳化方法(best known method，BKM)為基礎下，提供背面金屬黏著性最佳的去光澤(matte)及粗糙化表面。在進行化學蝕刻反應時，在矽晶圓被蝕刻的同時會產生氧化和逸氣(out-gassing)現象，因而造成矽晶圓表面產生高低起伏的粗糙形態(圖二)。接下來測量矽晶圓的表面粗糙度，得到的數值為9547.5埃TIR與1574.5埃Ra，且從中心到邊緣具有小於10%不平整的表面粗糙度。如果只用背面研磨於矽晶圓上，其在表面不平整度、粗糙度及黏著能力上會有相當大的差異。
第二組試驗矽晶圓在和TE1試劑類似的混合物中，但其化學成份有被調整過。第二組化學試劑TE2具有和TE1相似的成份，比起TE1來具有較高的化學氧化物濃度。在這些實驗裡，矽晶圓在第二組混合物中在25°C下作用達15秒，選擇較低的溫度的目的是為了來減少逸氣現象，因此可幫助降低表面的粗糙度。這些試驗的目的是要在薄化矽晶圓上製造出與傳統的單面拋光(single-sided polish，SSP)晶圓背面有相似的表面粗糙度。測量一片200毫米未經處理矽晶圓底部剖面(圖三)為例子，結果計算出TIR數值為5878.5埃而Ra數值為1506.8埃。以TE2製作的首批矽晶圓證實了和傳統SSP矽晶圓底部表面參考值比起來其晶圓表面處理有相當大的不同，且和TE1所見到的化學反應結果不同。此結果是因為改變氧化劑濃度和製程溫度，進而減少了矽晶圓表面化學反應速率，儘管在機械式背面研磨後仍舊提供了一個有紋路、粗糙、無損傷的表面，但TE2化學試劑還是提供了一個可以用來做為背面金屬化的表面。從粗糙度量測計算出來的結果TIR數值是4639.6埃以及649.9埃Ra，經由增加製程時間到20秒，則可達到和具有6132.9埃TIR和1089埃Ra (圖四)SSP的參考晶圓相近的表面粗糙度數值。
再進一步的測試是使用TE2將操作時間增加到60秒，這會產生與第二組試驗相似的褪色表面結果，但是在矽晶圓表面的粗糙度卻有意想不到的增加。比較20秒的製程，表面粗糙度增加了將近3倍多。由圖五中的SEM與表面輪廓圖可計算出其1.77微米TIR以及2806.8埃Ra的數值。
結論
矽晶圓底部表面可以使用單一晶圓濕式蝕刻法來控制特定的粗糙度，對不同的背面金屬化製程而言，此法可使得表面得以被最佳化。主因是稍微調整化學蝕刻混合物中的氧化劑量及調變製程參數，就可控制表面的性質(表一) 。此外，濕式化學蝕刻也移除由機械式背面研磨製程所引起的底部矽晶圓損傷，因此增加了晶圓與晶片的強度，而提供了整體晶圓更均勻的表面粗糙度。
*使用到的工具和化學作用包括一台SEZ300毫米旋轉處理器、一台KLA-Tencor P2長型掃描剖面輪廓儀、一台FEI Expedia 1265雙束掃描式電子顯微鏡、以及Honeywell的Texture Etch。
參考資料
參考資料的完整清單請接洽作者。
作者
Scott Drews，研發計畫主持人，可以聯繫SEZ America公司，地址：4829 S. 38th St., Phoenix, AZ 85040；電話：602/437-5050；電子郵件信箱：s.drews@us.sez.com。
圖一：以進料背面研磨製作出來的矽晶圓背面SEM和粗糙度資料影像。
圖二：在55℃下以TE1處理60秒後背面矽晶圓的SEM和粗糙度資料影像。