CN212062396U

CN212062396U - 一种晶圆背面的金属化结构

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Publication number: CN212062396U
Application number: CN202020179384.9U
Authority: CN
Inventors: 苏晋苗; 苏冠暐
Original assignee: Beijing Xinzhilu Enterprise Management Center LP
Current assignee: Beijing Xinzhilu Enterprise Management Center LP
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: CN214411126U

Abstract

本实用新型涉及电子技术领域，尤其是一种晶圆背面的金属化结构，包括薄化后的集成电路晶圆，所述的薄化后的集成电路晶圆为硅晶圆基板，硅晶圆基板上表面为形成有集成电路，硅晶圆基板的下表面为薄化后的晶圆背面，硅晶圆基板上位于集成电路的上方设置有保护胶层，晶圆背面向下依次设置有金属种子层、金属薄膜层和离子注入保护层，本实用新型提升产能及良率、提高自动化率使操作安全与优化质量、节省设备投资及维修费、减少原料耗材费用、金属层较佳的附着性等目标的解决方案，在产品良率与产能上均具有优势。

Description

一种晶圆背面的金属化结构

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，具体领域为一种晶圆背面的金属化结构。

背景技术

众所习知，绝缘栅型双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，功率金属氧化场效晶体管Power MOSFET(MOS Field Effect Transistor)，智能功率器件IPD(Intelligent Power Device)等的应用范围日益广泛，从降低能量损失、优化散热功能等方面来看，都需要将晶圆薄化，同时在晶背进行金属化制程，因此薄化制程与晶背金属化的制程，关系着功率半导体器件的效能与良率。

目前，在互补式金氧半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)制程中，对于晶圆处理的后段制程，包括背面研磨或蚀刻、表面处理、清洗、背面金属化等步骤。

在习知的晶圆薄化制程其步骤包含有：直接研磨晶圆背面以达到目标厚度；或分段研磨晶圆到第一阶段厚度，以蚀刻制程对所述第一阶段厚度之该晶圆进行蚀刻，达到到目标厚度。

在习知的晶圆背面金属化制程中，一般习知利用蒸镀(Evaporation)或溅镀(Sputter)在晶圆背面形成一层或多层金属层，此金属层可做为电极、接合、导热用的金属层，利用与基材紧密连结以达到较佳的散热及较低电阻率效果。然而，在背面金属化制程之前的背面研磨、蚀刻、表面处理、清洗等薄化步骤，既冗长复杂也造成的表面处理效果不佳，通常会影响到晶圆背面金属化的效能。例如：金属层剥离、电阻率上升、影响产品良率及半导体器件的可靠性等问题。

此外，从产能提升最大化、人工手动改自动化、设备维修简易化、减降制造成本等因素来探讨，习知的制程步骤，都有改善空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种晶圆背面的金属化结构，以解决现有技术中晶圆金属化制程冗长复杂也造成的表面处理效果不佳，通常会影响到晶圆背面金属化的效能的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种晶圆背面的金属化结构，包括薄化后的集成电路晶圆，所述的薄化后的集成电路晶圆为硅晶圆基板，硅晶圆基板上表面为形成有集成电路，硅晶圆基板的下表面为薄化后的晶圆背面，硅晶圆基板上位于集成电路的上方设置有保护胶层，晶圆背面向下依次设置有金属种子层、金属薄膜层和离子注入保护层。

优选的，述的硅晶圆基板由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)以及氧化镓(Ga₂O₃)的一种或多种组合制成。

优选的，述的离子注入保护层由二氧化硅制成。

为实现上述目的，本实用新型还提供如下技术方案：一种用于晶圆背面的薄化装置，包括晶圆握持装置、研磨装置、整修装置和研磨浆料供应系统，晶圆握持装置用于对晶圆进行固定维持晶圆凸出面接受研磨，研磨装置用于对晶圆凸出面研磨，整修装置用于对研磨装置进行研磨装置的研磨垫粗糙度整修与排除研磨废弃物，研磨浆料供应系统用于对研磨装置与晶圆凸出面之间进行定量供应研磨浆料。

优选的，所述晶圆握持装置包括晶圆握持器和安装在晶圆握持器上的晶圆握持环，需薄化的晶圆固定在晶圆握持环上。

优选的，所述研磨装置包括研磨基座和研磨垫，研磨垫安装在研磨基座上，研磨垫的研磨面与晶圆握持环配合设置。

优选的，所述整修装置为研磨垫整修器，研磨垫整修器的整修头朝向研磨垫的研磨面设置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：其目的在于提供电路芯片或功率器件或传感器件的晶圆背面的薄化与金属化制程方法，该制程方法基于所述晶圆薄化以化学机械研磨制程、与金属化制程以无电解镀膜制程的方法，达成晶圆薄化与晶背金属化的精密严格需求与提升良率的制程，从而实现降低电阻率与开关、能量等损失，并优化散热功能的一种电路芯片、功率器件、传感器件等制造的制程方法；

以机械化学研磨进行晶圆背面薄化制程，以及一种以化学无电解镀膜进行晶圆背面金属化制程方法，从而具备实现简化制程步骤提升产能及良率、提高自动化率使操作安全与优化质量、节省设备投资及维修费、减少原料耗材费用、金属层较佳的附着性等目标的解决方案，在产品良率与产能上均具有优势。

附图说明

图1为本实用新型的晶圆背面薄化与金属化制程的步骤框图；

图2为本实用新型的实施例中绝缘栅型双极晶体管的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例中绝缘栅型双极晶体管的薄化层结构示意图；

图4为实施例中晶背薄化的化学机械研磨制程装置示意图；

图5为实施例中晶背薄化与金属化制程结构示意图；

图6为实施例中晶背薄化与金属化完成结构示意图。

图中：101、集成电路；102、硅晶圆基板；103、晶圆表面保护胶层；121、金属种子层；122、金属薄膜层；123、离子注入保护层；

131、晶圆握持装置；132、不锈钢晶圆握持环；

141、研磨基座；142、聚胺酯研磨垫；

151、研磨垫整修器装置；152、环氧树脂钻石整修器；

161、研磨液浆料；162、研磨液浆料滴管；

163.研磨液浆料界于晶圆与研磨垫之间隙。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例以硅晶圆上制造功率器件为例，当晶圆完成正面的功率器件电路与电极后晶圆背面将要进行薄化制程。一般薄化制程中会造成晶圆变形翘曲，晶圆的厚度趋薄则翘曲程度越大；也会造成晶圆破片，晶圆的厚度趋薄则破片的机率越大。

功率元件制造步骤中，在晶圆背面减薄到预定厚度之后，需要在晶圆背面形成晶背金属层或凸块金属化(Under Bump Metallization)的步骤时，容易造成晶圆产生翘曲；若需要在形成凸块金属化后，进行晶背硏磨(Back Grinding)或晶背金属层(BackMetallization)步骤时，制程中需施以加热流程，会使凸块金属化的镍薄膜结晶化进而造成晶圆产生翘曲，所述的翘曲程度比前述的晶背硏磨后再进行形成晶背金属层或凸块金属化的步骤时的翘曲程度更大，此问题一向为制程中的难题，会产生翘曲度变大、晶圆与玻璃基板剥落、晶圆破片损坏等问题。

本实用新型实施例中之功率元件的制造方法，为了避免前述之晶背金属层与凸块金属化制程时产生晶圆翘曲，均通过无电解镀金属膜层或无电解镀凸块金属化的制程。为防止上述无电解镀膜制程导致晶圆翘曲或晶圆破片、且易作业，便在晶背金属膜制程后，在于晶背贴上一层玻璃基板作保护层，当完成凸块金属化制程后剥离玻璃基板；同时若实例需求，上述玻璃基板在晶圆制造需要进行高能量离子注入制程的步骤里，亦可作为阻挡层，当完成离子注入制程后再剥离此保护层。

如图1所示，本实用新型之晶圆背面的薄化与金属化制程方法，包括所述前(1)后(7)工序，依序由(2)～(6)的步骤：

(1)S1前工序已于晶圆正面形成电路、连线、器件等并加以贴胶保护的步骤

(2)S2～S5于晶圆背面进行全面或局部的化学机械研磨与薄化制程的步骤

(3)S6于晶圆背面进行金属化或形成金属层的步骤

(4)S7于晶圆背面形成保护层或阻挡层的步骤

(5)S7于晶圆背面进行高能量离子注入的步骤

(6)S7于晶圆背面剥离前述晶圆背面的保护层或阻挡层的步骤

(7)S8后工序于晶圆上进行切割芯片、器件等或直接以晶圆级封装技术，将其进行封装，并作测试的步骤。

实施例中其制程详述如下：

如图5-6所示，本实用新型提供一种技术方案：一种晶圆背面的金属化结构，包括薄化后的集成电路晶圆，所述的薄化后的集成电路晶圆为硅晶圆基板，硅晶圆基板上表面为形成有集成电路，硅晶圆基板的下表面为薄化后的晶圆背面，硅晶圆基板上位于集成电路的上方覆盖设置有保护胶层，晶圆背面向下依次设置有金属种子层、金属薄膜层和离子注入保护层。

所述的硅晶圆基板由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)以及氧化镓(Ga₂O₃)的一种或多种组合制成，晶圆直径尺寸为4吋～12吋，虽不限定，本实施例中以8吋硅晶圆为基材102，前述金属层或电极而言，以铝或铜作为金属层或电极为佳。晶圆表面101其内部电路结构与在晶圆表面形成金属层、电介质层或电极之步骤皆为制造功率器件的习知晶圆制程步骤使用工艺设备进行，例如，可利用光刻微影、蚀刻、扩散、离子植入、溅镀、薄膜沉积等习知方法。晶圆正面101形成电路、连线、器件等电极后，晶圆表面贴附保护胶带103或玻璃基板为较佳保护层，完成前序步骤。

所述的离子注入保护层由二氧化硅制成。

晶圆背面硏磨(Back Grinding)制程之步骤

一种用于晶圆背面的薄化装置，包括晶圆握持装置、研磨装置、整修装置和研磨浆料供应系统，晶圆握持装置用于对晶圆进行固定维持晶圆凸出面接受研磨，研磨装置用于对晶圆凸出面研磨，整修装置用于对研磨装置进行研磨装置的研磨垫粗糙度整修与排除研磨废弃物，研磨浆料供应系统用于对研磨装置与晶圆凸出面之间进行定量供应研磨浆料。

所述晶圆握持装置包括晶圆握持器和安装在晶圆握持器上的晶圆握持环，需薄化的晶圆固定在晶圆握持环上，晶圆握持器的材质为不锈钢镀膜，其规格：平整维持晶圆高度100～200微米(um)；视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

所述研磨装置包括研磨基座和研磨垫，研磨垫安装在研磨基座上，研磨垫的研磨面与晶圆握持环配合设置，研磨垫的材质为聚胺酯(Polyurethane)，其规格：添加氧化铈、硅酸胶、发泡孔径20～40微米(um)、厚度8～10毫米(mm)、中硬值；视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

所述整修装置为研磨垫整修器，研磨垫整修器的整修头朝向研磨垫的研磨面设置，研磨垫整修器的材质为环氧树脂胶(Epoxy Resin Adhesive)模注钻石碟，具高效能整修能力，其规格：直径11.8毫米(mm)、厚度7.7毫米(mm)、移除率3000±300埃(A)、垫磨损率0.12毫米(mm)/小时；视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

化学研磨液装置为研磨液输送循环系统、研磨液滴漏头等，其中研磨液浆料的规格：酸性溶液、三氧化二铝(Al₂O₃)微粒或硅基材专用含氢氟酸蚀刻浆液；视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

电动机与传动控制装置包括电动机、定位与转速控制器、电源供应等，其规格：220V交流(AC)-3马力(HP)、变频器25％～100％、转速器90～180转/ 分(RPM)、激光侦测触底控制器等；视实际需求而定，并不限于此叙述内。

薄化装置还包括有清洗装置，清洗装置包括超纯水清洗槽、超声波洗净槽、干燥装置等；视实际需求而定，并不限于此叙述内容；

所述超纯水清洗槽的材质为聚丙烯(PP)，其规格：容积250升、使用18.2 百万欧-厘米(MΩ-cm)电阻值且0.5微米(um)粒子小于1个的超纯水；视实际需求而定，并不限于此叙述内容；

所述超声波洗净槽的材质为不锈钢(SS316)，其规格：容积250升、28千赫兹(KHz)、温度控制室温～90度(℃)；视实际需求而定，并不限于此叙述内容；

所述超声波洗净槽材质为聚丙烯(PP)，其规格：容积250升、28千赫兹 (KHz)、温度控制室温～90度(℃)；视实际需求而定，并不限于此叙述内容；

所述干燥装置包括氮气、洁净空气与加热机构，其规格：气流速度2.0 米/秒、温度控制室温～150度(℃)；视实际需求而定，并不限于此叙述内容；

上述装置与材料视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

本实用新型在前序步骤后进行晶圆背面研磨制程，所述的晶背研磨系通过化学机械研磨制程将晶背进行研磨减薄厚度，所述化学机械研磨制程可对晶背进行全面性或局部性薄化处理；所述研磨头晶圆握持器131与晶圆维持环132装置为固定晶圆，维持凸出面接受研磨，并自体旋转进行薄化制程；所述研磨台141与聚胺酯研磨垫142装置为固定聚胺酯研磨垫142并保持研磨液浆料界于晶圆与研磨垫之间163进行研磨薄化晶圆工作，并自体旋转与晶圆旋转交互作用，进行薄化制程；所述研磨垫整修头151与钻石整修器152 装置为固定钻石整修器，并自体旋转与研磨垫交互作用，对研磨垫粗糙度整修与排除研磨废弃物；所述研磨浆料161供应装置为研磨浆料供应管路162，定量供应需要的研磨浆料。所述化学机械研磨装置，其特征包括聚胺酯研磨垫142、研磨垫整修器152、化学研磨液161装置、晶圆握持器131、电动机与传动控制装置、以及晶圆洗净装置；视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

晶圆背面形成金属层或金属化(Back Metallization)制程之步骤

一种晶圆背面的金属化结构的制程方法，其步骤为：

(1)对设置有集成电路侧的晶圆表面进行保护胶层设置；

(2)将贴胶保护的晶圆固定在晶圆握持器上，且晶圆背面凸出设置；

(3)通过研磨装置对晶圆背面进行薄化研磨；

(4)对薄化后的晶圆表面形成金属层；

(5)对形成金属层的晶圆背面形成保护层；

(6)对晶圆背面进行高能量离子注入；

(7)剥离晶圆背面的保护层；

(8)对完成金属化的晶圆进行切割芯片、器件或直接以晶圆级封装技术，将其进行封装，并作测试步骤。

根据步骤(3)，其具体制程为：

(1)通过晶圆握持环对晶圆进行固定，且晶圆背面凸出朝向研磨垫设置；

(2)晶圆握持器自旋带动晶圆维持器转动，同时晶圆背面与研磨垫接触；

(3)研磨浆料供应系统对研磨垫表面供应研磨浆料；

(4)研磨基座自旋带动研磨垫转动，使得研磨垫与晶圆背面交互薄化；

(5)晶圆薄化过程中，研磨垫整修器转动对研磨垫表面进行修整，使得整修研磨垫粗糙度与排除研磨废弃物。

根据步骤(4)，其具体制程为：通过化学气相沉积、蒸镀、溅镀、化学镀或其他合适镀膜方法为晶圆背面形成金属种子层，然后利用化学无电解镀镀方法为晶圆背面形成金属薄膜层。

根据步骤(5)，离子注入制程先在金属层上覆盖一层保护层或阻挡层123，以二氧化硅或其他材料在金属层上覆盖一层保护层或阻挡层123，所述以二氧化硅为最佳方案，即可以使用任何种类之玻璃，例如钠钙玻璃、无硷玻璃、石英玻璃、硼硅玻璃等；玻璃基板的厚度只要能支撑晶圆基板的强度防止翘曲即可，本实施例厚度为1.0mm，晶圆和玻璃基板贴以双面胶带为佳，双面胶带所使用的黏着剂可用丙烯酸类、硅类、聚酯类、聚氨酯类、聚酰胺类、甲基丙烯类、乙烯与乙酸乙烯酯聚合物的树脂等，并以经由紫外线硬化为佳，较易剥离之丙烯酸类黏着剂亦为佳。

根据步骤(6)，其具体制程为：通过以硼、磷、砷或其他材料在晶圆背面注入上述掺杂离子，进入基板形成p+或n+层(p-n junction)，可以采用低电流、中电流、高电流或低能量、高能量等，所述实施例以高能量离子注入，其规格如下：注入深度2200纳米(nm)、能量强度2百万电子伏特(MeV)、离子浓度1.E+12为较佳方案。

根据步骤(7)，通过紫外光(UV)将保护层从晶圆背面剥离，晶圆背面剥离保护层或阻挡层制程，通过使用已开发成熟技术的剥离装置进行剥离；若采用以紫外光(UV)或加热(Thermal)固化或其他之黏着剂，则同样采用紫外光或加热或其他能使黏着强度降低，容易将附着于晶圆上的保护层或阻挡层完全剥离方式。本实施例中晶圆和玻璃基板贴以双面胶带为佳，双面胶带所使用的黏着剂可用丙烯酸类、硅类、聚酯类、聚氨酯类、聚酰胺类、甲基丙烯类、乙烯与乙酸乙烯酯聚合物的树脂等，并以经由紫外线硬化为佳，较易剥离之丙烯酸类黏着剂亦为佳，所述以紫外光剥离为最佳方案。视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

本实用新型在晶背硏磨步骤后进行晶圆背面金属化或形成金属层122制程，所述的晶背金属层122或金属化系通过无电解镀膜制程进行金属种子层 121与金属化制程。所述金属种子层121的形成以镍硅化合物层或钛层为佳；所述金属种子层121的形成可利用例如蒸镀、溅镀、或化学镀等任何合适的金属镀膜方法于晶圆之背面形成种子层，以无电解镀膜制程为佳；所述金属种子层121可为单层或复数层，且包括下列导电材料中的至少一层：钛(Ti)、镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、金(Au)、铬(Cr)、银(Ag)、碳(C)、或锡(Sn)等。之后再于上述种子层上形成金属层122，金属层可为单层或复数层，且包括下列金属层中的至少一层：钛(Ti)、镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、金(Au)铬(Cr)、银(Ag)、或锡(Sn)等，以无电解镀膜制程为佳。上述镍硅化物层的厚度以 150～200nm、钛层的厚度以100～500nm、金属层以100～1000nm为佳。

通过本技术方案，本实施例所述金属种子层121与金属层122的形成，均以无电解镀膜制程为佳；所述金属种子层的形成材料可为钛/铜(Ti/Cu)、钛/镍(Ti/Ni)、钛/铬(Ti/Cr)、铬/铜(Cr/Cu)、铬/镍(Cr/Ni)、铬/银(Cr/Ag)、铬/金(Cr/Au)、钛/银(Ti/Ag)、或钛/金(Ti/Au)等，一般采用导电材料的单层或复数层的金属层为佳；所述金属层的材料可为金(Au)、银(Ag)、铜/金 (Cu/Au)、铜/银(Cu/Ag)、镍/金(Ni/Au)、镍/银(Ni/Ag)、镍/钯/金(Ni/Pd/Au)、或铜/镍/金(Cu/Ni/Au)等，一般采用具有低导电系数的单层或复数层的金属层为佳；所述金属种子层的厚度以200nm与金属层的厚度以400nm为佳。

进行无电解镀膜制程处理之前，晶圆先通过清洗净化步骤，本实施例采用浸泡洗净法整批次处理为较佳；其中，超纯水洗净、超音波洗净、碱性或酸性溶液中浸泡脱脂、界面活性剂溶液中浸泡、缓冲蚀刻液中浸泡等，均为较佳处理方案。

无电解镀膜制程于上述清洗净化后，系从无电解镀膜液中析出金属镀上晶圆背面，以具有触媒活性之金属化合物为佳。上述金属化合物为钯化合物或锌化合物等。钯化合物可用凸显触媒效果之钯氯化物、氢氧化物、硫酸盐、铵盐等，钯化合物采用有机溶剂溶液，虽可使用例如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、甲基乙基酮、甲苯、乙二醇、聚乙二醇、二甲基二酰胺、二甲亚飒、或此等混合物。本实施例的钯化合物，于上述金属化合物处理后，将晶圆整批24片浸泡于无电解镀膜液中，进行无电解镀膜处理；无电解镀膜液中之金属离子源包括使用氯化物或硫酸化合物等，无电解镀膜液中也可含有甲醛、次磷酸钠、硼氢化钠、乙醛酸等还原剂，亦可含有醋酸钠、苹果酸、柠檬酸、甘胺酸等错合剂。无电解镀膜液中，虽可用一般所用之氢氧化钠或氢氧化钾等作为pH调整剂，但习知的集成电路制造中为避免钠与钾等碱性金属离子污染，故本实施例pH调整剂采用氢氧化四甲铵为佳。

上述装置与材料视实际需求而定，并不限于此叙述内容。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种晶圆背面的金属化结构，包括薄化后的集成电路晶圆，其特征在于：所述的薄化后的集成电路晶圆为硅晶圆基板，硅晶圆基板上表面为形成有集成电路，硅晶圆基板的下表面为薄化后的晶圆背面，硅晶圆基板上位于集成电路的上方设置有保护胶层，晶圆背面向下依次设置有金属种子层、金属薄膜层和离子注入保护层。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆背面的金属化结构，其特征在于：所述的硅晶圆基板由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)以及氧化镓(Ga₂O₃)的一种或多种组合制成。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆背面的金属化结构，其特征在于：所述的离子注入保护层由二氧化硅制成。