芯片背金屬剝離分析

許海漸，朱文匯，季 偉，趙 峰

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

1 前言

晶圓廠通過蒸發(fā)、濺射、電鍍等方式實(shí)現(xiàn)晶圓背面多種金屬薄層，IC封裝制程中MOS芯片背面金屬剝離的問題導(dǎo)致產(chǎn)品LGSS/DV/RDSON等眾多電參數(shù)不良，對(duì) MOS產(chǎn)品性能影響是致命性的。該問題尤其困擾wafer后段封裝工廠，只見現(xiàn)象不明其理很難確定產(chǎn)生的原因與改善防范剝離問題的發(fā)生。

晶圓（芯片）背面金屬層主要結(jié)構(gòu)通常為鈦/鎳/鈀/銀或金等鍍層，如圖1所示。

圖1 背金屬結(jié)構(gòu)案例

2 典型現(xiàn)象

剝離由切割道兩側(cè)開始剝離乃至脫落，也有部分由芯片背面中間區(qū)域發(fā)生剝離，如圖2所示。高倍顯微鏡下確認(rèn)剝離層金屬顏色判斷剝離界面Si-Ti、Ti-Ni、Ni-Ag，必要時(shí)借助EDX進(jìn)行元素分析以驗(yàn)證剝離發(fā)生在哪個(gè)具體的金屬結(jié)合面。

圖2 背面剝離及剝離金屬殘留

3 解析背金屬剝離FTA分析

3.1 切割膠帶粘性過強(qiáng)撕裂背金屬

根據(jù)切割產(chǎn)品需要選擇不同粘性的膠帶，一般大芯片（＞2mm×2mm）可以使用粘性較低的膠帶，小芯片使用粘性稍強(qiáng)的膠帶，尤其是0.6mm×0.6mm以下的芯片需要粘性較強(qiáng)的膠帶，并且在切割前貼膜后烘熱，以增加晶圓芯片牢固程度，防止切割過程飛芯片及芯片崩裂的產(chǎn)生，但是在裝片過程會(huì)產(chǎn)生無法吸片/頂針過高導(dǎo)致芯片裂紋等問題?？梢允褂肬V型膠帶，切割后用紫外光照射使粘性極大降低，這是解決切割/裝片對(duì)粘性要求矛盾的最佳辦法之一。

表1 不同粘性強(qiáng)度的膠帶對(duì)比試驗(yàn)

粘性較弱的SPV3發(fā)生背金屬剝離的區(qū)域和面積明顯降低（圖3），說明膠帶的粘性對(duì)減少剝離程度有所幫助，但不起決定作用。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中不做膠帶熱烘及使用UV膠帶情況得到驗(yàn)證。

圖3 大面積剝離及零星區(qū)域剝離

3.2 切割工具對(duì)于背金屬面切割能力不足

鉆石樹脂切割刀對(duì)于脆硬材料切割效果較好，但膠帶軟膠及背金屬薄層會(huì)對(duì)刀刃上的鉆石顆粒形成包裹，使其切割能力極大地降低，從而發(fā)生芯片背面缺損。

提高Blade切割能力，譬如選用鉆石顆粒大、粘合劑強(qiáng)度弱的刀片，并調(diào)整切入膠帶深度的試驗(yàn)，backside chipping有明顯改善，但是，缺損區(qū)域以外的金屬剝離是無法改善的，因?yàn)榈镀懈钸^程的熱、力對(duì)切割刀以外的區(qū)域沒有明顯的影響。

3.3 Die Attach頂針損傷背金屬

裝片過程需要將芯片頂出脫離膠帶，背面頂針會(huì)在芯片背面留下痕跡，甚至有微細(xì)的破損和背金屬裂紋剝離，最嚴(yán)重的情況是芯片裂開。我們?cè)诮档晚敵龈叨取⑦x用錐度平滑頂針及集束頂針試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生背金剝離的產(chǎn)品情況依舊，由此說明剝離與裝片過程的治具/參數(shù)關(guān)聯(lián)性不大。

圖4 頂針位置金屬缺損

從表2看能發(fā)現(xiàn)晶圓背金屬區(qū)域性的剝離與參數(shù)沒有太大關(guān)系，但不同膠帶作業(yè)產(chǎn)品頂針位置的缺損與膠帶和參數(shù)有直接關(guān)聯(lián)，改善頂針位置的損傷可以從這兩方面著手深入研究實(shí)驗(yàn)。

表2 不同膠帶/參數(shù)的損傷和剝離發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)

3.4 金屬與金屬或Si界面結(jié)合強(qiáng)度不足

取樣背金屬EDX分析如圖5所示。

圖5 不同位置譜圖顯示主要金屬成分為:1 Ag/2 Ag/3 Ni

由此可見剝離發(fā)生在Ni-Ag結(jié)合面，所以有必要分析背金屬的工藝制程。

4 背金屬工藝分析

4.1 工藝流程

貼膜→研磨→腐蝕→揭膜→背面預(yù)處理→蒸金，其中關(guān)鍵工藝是硅腐蝕和背金，因?yàn)橘N片、揭膜是輔助動(dòng)作難度不大，研磨主要依賴于設(shè)備的性能指標(biāo)和使用的研磨輪型號(hào)決定研磨品質(zhì)，粗糙度、TTV等對(duì)后續(xù)工藝有影響。

4.2 背金方法

4.2.1 物理氣相淀積（PVD）

蒸發(fā)：圓片置于真空環(huán)境下并加熱至熔點(diǎn)以上，原子以直線運(yùn)動(dòng)方式在襯底成膜;濺射：離子撞擊靶材表面，濺出的材料淀積在襯底成膜。成膜物質(zhì)由固相變成氣相；氣相分子原子從源渡越到襯底表面；成核，成長(zhǎng)，形成固體膜。

4.2.2 化學(xué)氣相淀積（CVD）[2]

把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其他氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過程為化學(xué)氣相淀積，其特點(diǎn)有：淀積溫度低，薄膜成分易控，膜厚與淀積時(shí)間成正比，均勻性、重復(fù)性好，臺(tái)階覆蓋性優(yōu)良，因此是目前集成電路生產(chǎn)過程中最重要的薄膜淀積方法。目前常用的有常壓化學(xué)氣相淀積、低壓化學(xué)氣相淀積以及等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積等。

圖6 多成分金屬蒸發(fā)

圖7 CVD示意圖

4.2.3 解離金屬電漿

這是較新發(fā)展出來的物理氣相沉積技術(shù)，它是在目標(biāo)區(qū)與晶圓之間，利用電漿，針對(duì)從目標(biāo)區(qū)濺擊出來的金屬原子，在其到達(dá)晶圓之前，加以離子化。離子化這些金屬原子的目的是讓其帶有電價(jià)，進(jìn)而使其行進(jìn)方向受到控制，讓這些原子以垂直的方向往晶圓行進(jìn)，就像電漿蝕刻及化學(xué)氣相沉積制程。這樣做可以讓這些金屬原子針對(duì)極窄、極深的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溝填，以形成極均勻的表層，尤其是在最底層的部分。

5 蒸金常見問題

5.1 背面白霧

白霧其實(shí)是腐蝕不均勻的效果。硅片制程中儲(chǔ)存環(huán)境和Si蝕刻的控制有較大關(guān)系。對(duì)于1800#或2000#鉆石顆粒的砂輪研磨后的晶圓背面粗糙度很?。sRtmax 20nm）很亮，目視檢查容易掩蓋微觀污染的真相，如果Si蝕刻控制不好，背面很容易花掉，Si蝕刻藥液一般都是硝酸、氫氟酸和冰乙酸的混合液，如果硝酸比例過高，Si蝕刻時(shí)的表面就很難控制，測(cè)量粗糙度或EDX分析也很難體現(xiàn)其中的差異，而且OQC檢驗(yàn)室不太容易發(fā)現(xiàn)。

5.2 蒸發(fā)時(shí)金屬外濺

金屬外濺帶來的后果很嚴(yán)重，甚至造成整批作業(yè)制品全部報(bào)廢，Ti一般不會(huì)，Ni和Ag都會(huì)出現(xiàn)類似問題，Ni更難控制些，這步工藝責(zé)任心、PM、材料都很關(guān)鍵。作業(yè)人員要在異常發(fā)生瞬間關(guān)閉擋板，PM人員務(wù)必定時(shí)清理坩堝，坩堝材料必須保證良好狀態(tài)，材料純度不夠或金屬錠不夠光滑是主要因素，特別是Ni錠，如果出現(xiàn)毛刺，要盡快重新熔融[3]。

5.3 背面金屬脫落

背金屬脫落常見但又原因復(fù)雜，涉及過程較多，因?yàn)槊撀洳粫?huì)在本工藝被發(fā)現(xiàn)，只有到了封裝時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)。

6 蒸金產(chǎn)生剝離原因分析

（1）蒸發(fā)臺(tái)漏氧導(dǎo)致Ni氧化，有可能性，但極少會(huì)發(fā)生；（2）漏水，概率很高，且某些PM動(dòng)作失誤常發(fā)生類似問題；（3）后續(xù)如PCM測(cè)試，吸片的夾盤上如果有油漬沾污，背金屬肯定剝落，所以有機(jī)物的沾污必須嚴(yán)格控制；（4）背金后烘烤必須在絕對(duì)無氧的正壓環(huán)境中進(jìn)行，實(shí)際卻很難控制，很多Ni的氧化就是在這時(shí)發(fā)生的。

最后建議蒸發(fā)時(shí)每個(gè)LOT帶一個(gè)dummy wafer，從grinding開始一直到蒸發(fā)結(jié)束，然后用一條“3M”膠帶粘到wafer背金面，很快地用力撕下，沒問題就說明蒸發(fā)過程基本不會(huì)有剝離問題。

7 后續(xù)研究

背金屬剝離可能也有其他影響因素，如裝片溫度及溫度變化曲線設(shè)置。較低的溫度更容易產(chǎn)生Void及降低焊晶強(qiáng)度，且容易發(fā)生芯片脫落或芯片部分區(qū)域背面金屬剝離，較高的溫度Die位置、水平相對(duì)難以控制，這就需要不斷進(jìn)行DOE試驗(yàn)確定不同芯片背金屬狀況的作業(yè)條件，一般推薦340℃～360℃溫度范圍內(nèi)。

8 總結(jié)

關(guān)于IC封裝制程中MOS類產(chǎn)品背金屬剝離的現(xiàn)象，通過案例實(shí)驗(yàn)說明，剝離產(chǎn)生在封裝制程但根本原因在晶圓背面金屬層濺射制程污染等因素，造成金屬層結(jié)合強(qiáng)度不足，并在晶圓背面具有一定的形態(tài)特征，譬如氣泡狀、區(qū)域性或連貫性。封裝過程使用治具、材料、工藝參數(shù)等對(duì)降低金屬剝離的程度與面積有一定幫助。

[1]楊衛(wèi)民.LSMO緩沖層對(duì)PTZT鐵電薄膜性能的影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36（8）:56-58.

[2]Michael Quirk,Julian Serda.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.

[3]Y Liao,et al.Low-cost and reliable thin film encapsulation for oraganic light emitting diodes using magnesium fluoride and zinc sulfide[J].Thin Solid Films 2011,519:2344-2348.