CN110634740A - 一种改进的半导体器件的背部开封方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的半导体器件的背部开封方法，包括以下步骤：激光开封步骤：使用激光对半导体器件背面进行处理以去除半导体器件背部的模封体，直至封装于半导体器件内部的框架裸露出来；酸反应步骤：采用浓度为第一预设数值的硝酸去除铜框架；第一研磨步骤：采用粒度号为第二预设数值的砂纸进行研磨以使得芯片中的硅衬底减薄至预设高度。本发明的改进的半导体器件的背部开封方法针对于半导体器件中不同材质的不同层依次采用激光、酸反应以及研磨的方法来进行分层处理，不仅提高整个半导体器件背部开封的处理速度；且增大了芯片与铜框架之间相距较近的半导体器件的背部观测范围，进一步提升了芯片的观测效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的失效分析技术领域，尤其涉及一种改进的半导体器件的背部开封方法。
背景技术
目前，芯片背部开封效果的好坏对芯片内集成电路的失效分析起着重要作用。现有的通过自动研磨法进行背部开封方法具体方式如下：
自动研磨法使用自动研磨机对半导体器件的局部进行开窗工作。通过自动研磨机，从半导体器件背面进行逐层研磨，在背面研磨过程中，依次通过研磨模封体、背部铜片、锡膏、硅基材等来进行开窗操作；由于在整个研磨过程中，研磨的对象以及研磨深度不同，故而其选用的刀头以及研磨液也并不相同；在整个研磨过程中需要不断的替换，在这整个过程中会产生两个方面的问题：第一、由于需要采用不同刀头和研磨液来进行研磨，更换刀头等需要时间，故而会使得整个研磨过程的时间增加；第二、由于在整个研磨过程中，不同研磨液之间化学组分的不同，不同研磨液之间有可能会存在反应，进而产生脏污并附着在开窗窗口的表面且不易清洗，最终影响观测效果。
除了上述原因外，采用自动研磨法还会产生一个问题是：会影响通过背部进行观测的范围。如图3所示，对于芯片5a与框架5b之间相距较远的半导体器件，由于芯片5a与与框架5b相距较远，因此，研磨针在进行研磨时可以扩大研磨范围而不会影响到框架5b，这样能够使得芯片的背部完整呈现；但是对于芯片5c与框架5d之间相距较近的半导体器件，如图2所示，这里的较近指的是芯片5c的边缘距离框架5d的距离小于1mm；这个距离可以是横向方向也即是X轴方向的距离，也可以指的是的纵向方向也即是Y轴方向的距离；因为当芯片5c与框架5d距离较近时，研磨针在研磨过程中会损伤框架5d，由于框架5d上的管脚与芯片5c之间有引线连接，如果框架5d被破坏后，引线也会受影响，从而影响检测结果，所以为了不影响检测结果，开窗口大小就会受限，导致芯片边缘无法显示。
同时，由于开窗口小，内部脏污很难清洗，且研磨过程使用的液体很多，容易造成颗粒聚集，造成芯片背部有小颗粒状孔洞，研磨针印迹比较明显，不利于后期进行深亚微米级别检查。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改进的半导体器件的背部开封方法，其能增大芯片与框架之间相距较近的半导体器件的背部观测范围。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种改进的半导体器件的背部开封方法，包括以下步骤：
激光开封步骤：使用激光对半导体器件背面进行处理以去除半导体器件背部的模封体，直至封装于半导体器件片内部的引线框架裸露出来；
酸反应步骤：采用浓度为第一预设数值的硝酸去除引线框架；
第一研磨步骤：采用粒度号为第二预设数值的砂纸对芯片进行研磨以使得芯片中的硅衬底减薄至预设高度。
进一步地，在第一研磨步骤之后还包括缺陷检测步骤：将经过打磨之后的芯片放置于红外显微镜的观测位，通过红外显微镜进行芯片的缺陷检测。
进一步地，在第一研磨步骤之后还包括失效检测步骤，所述失效检测步骤具体包括如下步骤：
使用激光对半导体器件正面进行处理以去除半导体器件正面一定高度的环氧树脂，直至将封装于半导体器件内部的引线裸露出来；
将处理好的半导体器件放置于微光显微镜/光诱导电阻变化仪器后，使用探针放置在正面裸露出来的引线上；
上电以完成芯片的失效定位。
进一步地，在第一研磨步骤之后还包括第二研磨步骤：将经过砂纸研磨后的芯片放置于精密研磨机处，将二氧化硅悬浊液均匀滴在研磨绒布表面，控制精密研磨机工作以对芯片进行研磨处理。
进一步地，所述二氧化硅悬浊液中二氧化硅的直径为0.05um，在第二研磨步骤中，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～220r/min之间，设置精密研磨机的研磨头自转速度为10r/min，设置精密研磨机的研磨头水平转速为0.625cm/s。
进一步地，在第二研磨步骤之后还包括抛光步骤：采用抛光绒布对经过第二研磨之后的芯片进行抛光研磨，在抛光研磨的过程中，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～200r/min之间，设置抛光研磨时间为3～5分钟。
进一步地，在第一研磨步骤中，通过精密研磨机对芯片进行研磨以使得芯片中的硅衬底减薄至预设高度，设置精密研磨机的底盘转速在100～220r/min之间，设置精密研磨机的研磨头自转速度10r/min，设置精密研磨机的研磨头水平转速0.625cm/s，设置精密研磨机的研磨时间为3-5分钟之间任意一数值。
进一步地，所述预设高度为70～200um中任意一数值。
进一步地，在激光开封步骤之后还包括加热步骤：将经过激光处理后的半导体器件放置在加热台上加热至预设温度，所述预设温度为90～120℃；
在酸反应步骤之后还包括清洗步骤：使用丙酮对半导体器件背部进行清洗。
进一步地，所述激光开封步骤具体为：使用激光对半导体器件背面进行处理以去除半导体器件背部的模封体，直至封装于半导体器件内部的引线框架完全裸露出来；所述第一预设数值不超过70％，所述第二预设数值为1200。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的改进的半导体器件的背部开封方法针对于半导体器件中不同材质的不同层依次采用激光、酸反应以及研磨的方法来进行分层处理，不仅提高整个半导体器件背部开封的处理速度；且增大了芯片与铜框架之间相距较近的半导体器件的背部观测范围，进一步提升了芯片的观测效果。
附图说明
图1为本发明的改进的半导体器件的背部开封方法的流程图；
图2为芯片与框架之间相距较近的半导体器件的结构示意图；
图3芯片与框架之间相距较远的半导体器件的结构示意图；
图4为本实施例中的芯片的分层结构示意图；
图5为本实施例中半导体器件的初始截面图；
图6为本实施例中通过激光去除环氧树脂后的半导体器件截面图；
图7为本实施例中通过酸反应之后的半导体器件截面图；
图8为本实施例中减薄硅衬底后的半导体器件截面图；
图9为本实施例中去除正面环氧树脂后的半导体器件截面图；
图10为本实施例中进行失效分析时的半导体器件截面示意图；
图11为经过本实施例的方法处理得到的半导体器件背部开窗效果图；
图12为采用现有方法得到的芯片第一显示效果图；
图13为经过本实施例的方法处理得到的芯片电路层的成像效果图；
图14为采用现有方法得到的芯片第二显示效果图；
图15为经过本实施例的方法处理得到的芯片的红外显微图像；
图16为采用现有方法得到的芯片的红外显微图像；
图17为经过本实施例的方法处理得到的芯片的红外成像图像；
图18为采用现有方法得到的芯片红外成像图像。
附图标记：1、第一缺陷；2、第二缺陷；3、第三缺陷；4、模封体；5、芯片；6、引线框架；7、探针；5a、芯片；5b、框架；5c、芯片；5d、框架。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
对芯片的缺陷观察主要如下三种形式的缺陷：如图4所示，第一缺陷1可能是污染物残留，钝化层异常造成的缺陷，第二缺陷2是弹坑，其主要是焊点下有异物，或机械应力引起的弹坑缺陷；第三缺陷3可能是暗裂、离子残留、击穿、灼烧等造成的缺陷。目前观察弹坑缺陷主要是通过将焊点去除来进行观察，但是在本实施例中通过背面开封的方式可以观测到这三种形式的缺陷。
故而针对于芯片与引线框架距离小于1mm的小尺寸封装大芯片类型，本实施例提供了一种改进的半导体器件的背部开封方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S1：使用激光对半导体器件背面进行处理以去除半导体器件背部的模封体，所述模封体的材料为环氧树脂，直至封装于半导体器件内部的引线框架裸露出来；如图5和图6所示，在本步骤中，主要是通过激光来去除半导体器件背部的模封体4，模封体4的材料也即是环氧树脂，采用激光的方式可以加快处理环氧树脂的速度，并且激光的可调性也更好，相对于研磨的方式更为的快速和高效。并且通过激光进行环氧树脂的去除，可以增加表面的平整度，不引入新的杂质。
S11：将经过激光处理后的半导体器件放置在加热台上加热至预设温度，所述预设温度为90-120℃；通过加热提高后期酸反应的速率。
S2：采用浓度为第一预设数值的硝酸去除引线框架6，所述硝酸用于与引线框架6反应；所述第一预设数值不超过70％，更为优选地，其为68％，也即是在本实施例中优选的，采用了稀硝酸与铜进行反应来去除铜框架，如图7所示，即是在本步骤反应完全之后的半导体器件截面示意图。
S21：使用丙酮对半导体器件进行清洗。对酸反应之后的半导体器件进行清洗，减少半导体器件表面附着的杂质。
S3：采用粒度号为第二预设数值的砂纸对芯片进行研磨以使得芯片中的硅衬底减薄至预设高度。所述第二预设数值为1200，所述预设高度为70～200um中任意一数值。如图8所示，其为减薄后的芯片截面示意图；在本步骤中主要是对芯片进行减薄，如果硅衬底太厚，则不利于后续进行观察，因此在本步骤中采用精密研磨机来对芯片进行减薄处理。具体的，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～220r/min之间，设置研磨头自转速度10r/min，设置研磨头水平转速0.625cm/s，设置研磨时间为3-5分钟之间任意一数值。
本实施例中的精密研磨机研磨头自转速度分为六个档位：分别是speed1、speed2、speed3、speed4、speed5和speed6，不同的档位代表着不同的转速，其中speed3＝10r/min，研磨头水平转速也分为六个档位：分别是speed1、speed2、speed3、speed4、speed5和speed6，其中speed3＝0.625cm/s。也即是在本实施例中设置精密研磨机的研磨头自转速度为10r/min，设置精密研磨机的研磨头水平转速为0.625cm/s。通过不断的对芯片背部的硅衬底进行研磨来实现减薄的目的。当本步骤处理完成之后，即可得到可供进行缺陷观察的芯片样本。为了得到更为清楚的芯片样本，可以使用清水，在抛光绒布上对样品背面进行清洗，该步骤可以人手直接完成，也可以采用机器进行清理；将样片背面清洗达到光学观察的光洁度要求，并吹干芯片背部的水分。
但是由于上述处理不够精细，故而更为优选的，还包括如下步骤：
S31：将经过砂纸研磨后的芯片放置于精密研磨机处，将二氧化硅悬浊液均匀滴在研磨绒布表面，控制精密研磨机工作以对芯片进行研磨处理。所述二氧化硅悬浊液中二氧化硅的直径为0.05um，在第二研磨步骤中，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～220r/min之间，设置研磨头自转速度为10r/min，设置研磨头水平转速为0.625cm/s。
S32：采用抛光绒布对经过第二研磨之后的芯片进行抛光研磨，在抛光研磨的过程中，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～200r/min之间，设置抛光研磨时间为3～5分钟。经过上述研磨处理之后，即可得到背部处理效果更好的芯片样本。
更为优选地，还包括步骤S4：将经过打磨之后的芯片放置于红外显微镜的观测位，通过红外显微镜进行芯片的缺陷检测。本实施例中的近红外一般定义为700-1600nm波长范围内的光线，在本实施例中采用奥林巴斯BX/MX系列红外显微镜，奥林巴斯BX/MX系列红外显微镜配置IR专用物镜可用于透过硅材料成像，进行半导体检查和测量。
具体的处理效果比对，如图11、图12、图13和图14所示；通过将本实施例中的新方法与原有的采用自动研磨操作的方法比对发现，本实施例的方法将半导体器件开窗更大，能够将芯片完整显现；芯片背面非常平整，无明显刮痕；芯片背面无脏污，且衬底器件清晰可见，相对于原有的方式来说，更便于进行缺陷观察。
如图15和图16所示，将新旧方法红外显微镜图像对比发现，本实施例的方法得到的芯片背面平整，无明显刮痕；芯片背面无脏污，衬底器件清晰可见；而现有技术中的方法得到的芯片在局部存在黑影，不利于深亚微米检测。
更为优选地，在本实施例中还包括失效检测步骤，所述失效检测步骤具体包括如下步骤：
使用激光对半导体器件正面进行处理以去除半导体器件正面一定高度的环氧树脂，直至将封装于半导体器件内部的引线裸露出来；
将处理好的半导体器件放置于微光显微镜/光诱导电阻变化仪器后，使用探针7放置在正面裸露出来的引线上；
上电以完成芯片的失效定位。其中微光显微镜/光诱导电阻变化仪器也即是EMMI/OBIRCH仪器；如图9和图10所示，其为具体的失效分析过程中的芯片截面图示；EMMI技术是利用在存在漏电、击穿、热载流子效应的半导体器件中，其失效点由于电致发光过程而产生发光现象。这些光子流通过收集和增强，再经过光学转换和图像处理，得到一张发光图像，将发光图像和器件表面的光学反射图像叠加，就能对失效点和缺陷进行定位。OBIRCH的基本原理是当激光在芯片表面进行扫描时，部分能量转化为热量被金属互连线吸收。如果金属互连线中存在缺陷，缺陷附近的热量就无法快速通过金属线传导散开，这会导致缺陷处温度升高。然后将这一变化与激光扫描位置所成的像进行像素亮度对应，从而准确地定位失效位置。在进行失效分析时，主要通过上述方式进行。
如图17和图18所示，将新旧方法红外成像图像对比发现，本实施例的方法得到的芯片背面无脏污，衬底器件清晰可见；而现有技术的方法则在局部存在黑影，不利于深亚微米检测。
本实施例的方法改进的半导体器件的背部开封方法适用于芯片背面开封及背面失效定位的需求。1、该方法解决了对于小尺寸封装大芯片的背面失效定位芯片时晶粒边缘清晰可见的需求，本实施例中的小尺寸封装大芯片指的是芯片与铜框架之间相距较近的半导体器件产品。2、该方法操作简便，节省时间。3、该方法降低了破坏晶粒结构的风险(如样品夹取过程中的崩边，刮伤)，避免了在后续失效定位搭探针时造成晶粒表面刮伤。4、该方法完整保留了芯片正面及焊点区域结构，可用于封装焊点弹坑缺陷，芯片与模封体结合区域情况进行检查。5、芯片底层金属及衬底活化区域清晰可见，可用于晶粒内部衬底元器件的检查。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，包括以下步骤：
激光开封步骤：使用激光对半导体器件背面进行处理以去除半导体器件背部的模封体，直至封装于半导体器件内部的引线框架裸露出来；
酸反应步骤：采用浓度为第一预设数值的硝酸去除引线框架；
第一研磨步骤：采用粒度号为第二预设数值的砂纸对芯片进行研磨以使得芯片中的硅衬底减薄至预设高度。
2.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，在第一研磨步骤之后还包括缺陷检测步骤：将经过第一研磨步骤之后的芯片放置于红外显微镜的观测位，通过红外显微镜进行芯片的缺陷检测。
3.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，在第一研磨步骤之后还包括失效检测步骤，所述失效检测步骤具体包括如下步骤：
使用激光对半导体器件正面进行处理以去除半导体器件正面一定高度的模封体，直至将封装于半导体器件内部的引线裸露出来；
将处理好的半导体器件放置于微光显微镜/光诱导电阻变化仪器后，使用探针放置在正面裸露出来的引线上；
上电以完成芯片的失效定位。
4.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，在第一研磨步骤之后还包括第二研磨步骤：将经过砂纸研磨后的芯片放置于精密研磨机处，将二氧化硅悬浊液均匀滴在研磨绒布表面，控制精密研磨机工作以对芯片进行研磨处理。
5.如权利要求4所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，所述二氧化硅悬浊液中二氧化硅的直径为0.05um，在第二研磨步骤中，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～220r/min之间，设置精密研磨机的研磨头自转速度为10r/min，设置精密研磨机的研磨头水平转速为0.625cm/s。
6.如权利要求4所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，在第二研磨步骤之后还包括抛光步骤：采用抛光绒布对经过第二研磨步骤之后的芯片进行抛光研磨，在抛光研磨的过程中，设置所述精密研磨机的底盘转速在100～200r/min之间，设置抛光研磨时间为3～5分钟。
7.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，在第一研磨步骤中，通过精密研磨机对芯片进行研磨以使得芯片中的硅衬底减薄至预设高度，设置精密研磨机的底盘转速在100～220r/min之间，设置精密研磨机的研磨头自转速度10r/min，设置精密研磨机的研磨头水平转速0.625cm/s，设置研磨时间为3-5分钟之间任意一数值。
8.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，所述预设高度为70～200um中任意一数值。
9.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，在激光开封步骤之后还包括加热步骤：将经过激光处理后的半导体器件放置在加热台上加热至预设温度，所述预设温度为90～120℃；
在酸反应步骤之后还包括清洗步骤：使用丙酮对半导体器件进行清洗。
10.如权利要求1所述的一种改进的半导体器件的背部开封方法，其特征在于，所述激光开封步骤具体为：使用激光对半导体器件背面进行处理以去除半导体器件背部的模封体，直至封装于半导体器件内部的引线框架完全裸露出来；所述第一预设数值不超过70％，所述第二预设数值为1200。
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