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、濺射、電鍍等方式實現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致產品LGSS/DV/RDSON等眾多電參數不良，對 MOS產品性能影響是致命性的。該問題尤其困擾wafer后段封裝工廠，只見現象不明其理很難確定產生的原因與改善防范剝離問題的發生。

晶圓（芯片）背面金屬層主要結構通常為鈦/鎳/鈀/銀或金等鍍層，如圖1所示。

圖1 背金屬結構案例

2 典型現象

剝離由切割道兩側開始剝離乃至脫落，也有部分由芯片背面中間區域發生剝離，如圖2所示。高倍顯微鏡下確認剝離層金屬顏色判斷剝離界面Si-Ti、Ti-Ni、Ni-Ag，必要時借助EDX進行元素分析以驗證剝離發生在哪個具體的金屬結合面。

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 切割膠帶粘性過強撕裂背金屬

根據切割產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的膠帶，尤其是0.6mm×0.6mm以下的芯片需要粘性較強的膠帶，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生，但是在裝片過程會產生無法吸片/頂針過高導致芯片裂紋等問題。可以使用UV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/裝片對粘性要求矛盾的最佳辦法之一。

表1 不同粘性強度的膠帶對比試驗

粘性較弱的SPV3發生背金屬剝離的區域和面積明顯降低（圖3），說明膠帶的粘性對減少剝離程度有所幫助，但不起決定作用。在后續的實驗中不做膠帶熱烘及使用UV膠帶情況得到驗證。

圖3 大面積剝離及零星區域剝離

3.2 切割工具對于背金屬面切割能力不足

鉆石樹脂切割刀對于脆硬材料切割效果較好，但膠帶軟膠及背金屬薄層會對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、粘合劑強度弱的刀片，并調整切入膠帶深度的試驗，backside chipping有明顯改善，但是，缺損區域以外的金屬剝離是無法改善的，因為刀片切割過程的熱、力對切割刀以外的區域沒有明顯的影響。

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，背面頂針會在芯片背面留下痕跡，甚至有微細的破損和背金屬裂紋剝離，最嚴重的情況是芯片裂開。我們在降低頂出高度、選用錐度平滑頂針及集束頂針試驗發現，發生背金剝離的產品情況依舊，由此說明剝離與裝片過程的治具/參數關聯性不大。

圖4 頂針位置金屬缺損

從表2看能發現晶圓背金屬區域性的剝離與參數沒有太大關系，但不同膠帶作業產品頂針位置的缺損與膠帶和參數有直接關聯，改善頂針位置的損傷可以從這兩方面著手深入研究實驗。

表2 不同膠帶/參數的損傷和剝離發生情況統計

3.4 金屬與金屬或Si界面結合強度不足

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

由此可見剝離發生在Ni-Ag結合面，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→背面預處理→蒸金，其中關鍵工藝是硅腐蝕和背金，因為貼片、揭膜是輔助動作難度不大，研磨主要依賴于設備的性能指標和使用的研磨輪型號決定研磨品質，粗糙度、TTV等對后續工藝有影響。

4.2 背金方法

4.2.1 物理氣相淀積（PVD）

蒸發：圓片置于真空環境下并加熱至熔點以上，原子以直線運動方式在襯底成膜;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，形成固體膜。

4.2.2 化學氣相淀積（CVD）[2]

把含有構成薄膜元素的氣態反應劑或液態反應劑的蒸氣及反應所需其他氣體引入反應室，在襯底表面發生化學反應生成薄膜的過程為化學氣相淀積，其特點有：淀積溫度低，薄膜成分易控，膜厚與淀積時間成正比，均勻性、重復性好，臺階覆蓋性優良，因此是目前集成電路生產過程中最重要的薄膜淀積方法。目前常用的有常壓化學氣相淀積、低壓化學氣相淀積以及等離子體增強化學氣相淀積等。

圖6 多成分金屬蒸發

圖7 CVD示意圖

4.2.3 解離金屬電漿

這是較新發展出來的物理氣相沉積技術，它是在目標區與晶圓之間，利用電漿，針對從目標區濺擊出來的金屬原子，在其到達晶圓之前，加以離子化。離子化這些金屬原子的目的是讓其帶有電價，進而使其行進方向受到控制，讓這些原子以垂直的方向往晶圓行進，就像電漿蝕刻及化學氣相沉積制程。這樣做可以讓這些金屬原子針對極窄、極深的結構進行溝填，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

白霧其實是腐蝕不均勻的效果。硅片制程中儲存環境和Si蝕刻的控制有較大關系。對于1800#或2000#鉆石顆粒的砂輪研磨后的晶圓背面粗糙度很小（約Rtmax 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蝕刻時的表面就很難控制，測量粗糙度或EDX分析也很難體現其中的差異，而且OQC檢驗室不太容易發現。

5.2 蒸發時金屬外濺

金屬外濺帶來的后果很嚴重，甚至造成整批作業制品全部報廢，Ti一般不會，Ni和Ag都會出現類似問題，Ni更難控制些，這步工藝責任心、PM、材料都很關鍵。作業人員要在異常發生瞬間關閉擋板，PM人員務必定時清理坩堝，坩堝材料必須保證良好狀態，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雜，涉及過程較多，因為脫落不會在本工藝被發現，只有到了封裝時才會發現。

6 蒸金產生剝離原因分析

（1）蒸發臺漏氧導致Ni氧化，有可能性，但極少會發生；（2）漏水，概率很高，且某些PM動作失誤常發生類似問題；（3）后續如PCM測試，吸片的夾盤上如果有油漬沾污，背金屬肯定剝落，所以有機物的沾污必須嚴格控制；（4）背金后烘烤必須在絕對無氧的正壓環境中進行，實際卻很難控制，很多Ni的氧化就是在這時發生的。

最后建議蒸發時每個LOT帶一個dummy wafer，從grinding開始一直到蒸發結束，然后用一條“3M”膠帶粘到wafer背金面，很快地用力撕下，沒問題就說明蒸發過程基本不會有剝離問題。

7 后續研究

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置。較低的溫度更容易產生Void及降低焊晶強度，且容易發生芯片脫落或芯片部分區域背面金屬剝離，較高的溫度Die位置、水平相對難以控制，這就需要不斷進行DOE試驗確定不同芯片背金屬狀況的作業條件，一般推薦340℃～360℃溫度范圍內。

8 總結

關于IC封裝制程中MOS類產品背金屬剝離的現象，通過案例實驗說明，剝離產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，造成金屬層結合強度不足，并在晶圓背面具有一定的形態特征，譬如氣泡狀、區域性或連貫性。封裝過程使用治具、材料、工藝參數等對降低金屬剝離的程度與面積有一定幫助。

[1]楊衛民.LSMO緩沖層對PTZT鐵電薄膜性能的影響[J].華中科技大學學報,2008,36（8）:56-58.

[2]Michael Quirk,Julian Serda.半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社.

[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.