Nella produzione di wafer di silicio, la maggior parte dell'attenzione tende a concentrarsi sul lato anteriore del wafer -, sulla qualità dei cristalli, sullo strato epitassiale, sulla resistività, sulla densità dei difetti e sulla pulizia della superficie.
Tuttavia, il lato posteriore del wafer è altrettanto importante.
Per i wafer epitassiali, i wafer fortemente drogati, i wafer utilizzati nei dispositivi di potenza e i wafer con substrato CMOS ad alta-affidabilità, la progettazione posteriore influisce direttamente sulla stabilità del processo ad alta-temperatura, sulla qualità dello strato epitassiale, sul controllo della contaminazione dei metalli e sull'affidabilità del dispositivo.
Tra queste tecniche di ingegneria del retro, il Back Seal Layer è uno dei più critici.
Che cos'è uno strato di tenuta posteriore del wafer di silicio?
Uno strato di tenuta posteriore del wafer di silicio è comunemente indicato come:
- Strato di tenuta posteriore
- Sigillo sul retro
- Guarnizione posteriore in poliestere (PBS)
- Guarnizione posteriore in ossido/nitruro
Si tratta di una pellicola sottile funzionale formata sul lato posteriore del wafer, utilizzata per isolare, bloccare, assorbire o stabilizzare le impurità e lo stress sul lato posteriore del wafer.
In termini semplici:
Il lato anteriore del wafer è il luogo in cui vengono fabbricati i dispositivi, mentre lo strato di tenuta posteriore sul lato posteriore agisce come una "barriera protettiva" e uno "strato tampone".
Sebbene lo strato di sigillatura posteriore non sia direttamente coinvolto nella modellazione del dispositivo sul lato anteriore-, influenza in modo significativo il comportamento del wafer durante i processi ad alta-temperatura come crescita epitassiale, ossidazione, diffusione, ricottura e deposizione di film-sottile.
Pertanto, sebbene sia situato sul lato posteriore, lo strato di tenuta posteriore è una struttura critica che non può essere trascurata nei wafer di silicio di alta-qualità.
Perché i wafer di silicio necessitano di uno strato di sigillatura posteriore?
Il valore fondamentale dello strato di sigillatura posteriore può essere riassunto in quattro aspetti: bloccaggio, gettering, stabilizzazione e controllo della forma.
1. Soppressione del rilascio di impurità sul retro
I wafer di silicio, soprattutto quelli fortemente drogati, possono rilasciare elementi droganti o impurità metalliche dal lato posteriore durante la crescita epitassiale ad alta-temperatura o il trattamento termico.
I rischi comuni includono:
- Boro (B)
- Fosforo (P)
- Arsenico (As)
- Antimonio (Sb)
- Contaminanti metallici come ferro (Fe), rame (Cu) e nichel (Ni)
Se tali impurità entrano nella camera del reattore o migrano nella regione del lato anteriore-del dispositivo, potrebbero influenzare la resistività dello strato epitassiale, la durata dei portatori minoritari, la corrente di dispersione e l'affidabilità complessiva del dispositivo.
Lo strato di tenuta posteriore funge da barriera, riducendo l'impatto delle fonti di contaminazione della parte posteriore sull'area del dispositivo-anteriore.
2. Prevenire l'autodoping durante la crescita epitassiale
Lo strato di tenuta posteriore è particolarmente importante nella produzione di wafer epitassiali.
Per substrati fortemente drogati come:
- Wafer epitassiali P/P+
- Wafer epitassiali N/N+
- Wafer epitassiali del dispositivo di potenza
Durante la crescita epitassiale ad alta-temperatura, gli elementi droganti dal retro del substrato possono evaporare nella fase gassosa ed essere re-incorporati nello strato epitassiale in crescita, causando una deriva della resistività.
Questo fenomeno è comunemente noto come Autodoping.
Lo strato sigillante posteriore aiuta a ridurre il rilascio di elementi droganti dal lato posteriore, mitigando i rischi di autodrogaggio e migliorando la stabilità e l'uniformità della resistività dello strato epitassiale.
3. Fornire capacità di acquisizione
Alcuni strati di sigillatura posteriore - in particolare Poly-Si Back Seal - mostrano una forte capacità di gettering.
Lo strato di polisilicio contiene un gran numero di bordi di grano, difetti e interfacce che possono assorbire o intrappolare le impurità metalliche, attirando efficacemente le impurità dannose verso la parte posteriore del wafer e riducendo la loro diffusione nella regione del dispositivo sul lato anteriore-.
Questo processo è generalmente indicato come Gettering.
Per CMOS, dispositivi di potenza, dispositivi analogici e dispositivi ad alta-affidabilità, la capacità gettering gioca un ruolo importante nella resa e nell'affidabilità-a lungo termine.
4. Miglioramento del controllo dello stress e della deformazione
I wafer di silicio sono soggetti a stress termico durante i processi ad alta-temperatura, che possono causare piegamenti, deformazioni o persino linee di scorrimento.
Uno strato di sigillatura posteriore ben-progettato può aiutare a bilanciare lo stress tra i lati anteriore e posteriore del wafer, riducendo i seguenti rischi:
- Arco: piegatura del wafer
- Ordito: deformazione del wafer
- Slip: linee di slip
- Difetti da stress termico
Tuttavia, è importante notare che uno strato più spesso non è sempre migliore per uno strato di sigillatura posteriore.
Se lo stress della pellicola non viene adeguatamente controllato, può effettivamente aumentare la deformazione del wafer o portare alla rottura o alla delaminazione della pellicola. Pertanto, la progettazione dello strato di sigillatura posteriore deve considerare le dimensioni del wafer, lo spessore, il sistema di materiale, la storia termica e le condizioni di processo-specifiche del cliente.
Materiali comuni per gli strati di tenuta posteriore dei wafer di silicio
Diversi materiali dello strato di sigillatura posteriore offrono diverse proprietà barriera, capacità di gettering, livelli di stress e compatibilità di processo. I materiali comuni includono polisilicio, biossido di silicio, nitruro di silicio e ossinitruro di silicio.
1. Strato di tenuta posteriore in polisilicio
Lo strato di sigillatura posteriore in polisilicio è una delle tipologie più tipiche, spesso abbreviato in PBS (Poly Back Seal).
Il suo valore fondamentale:
Fornisce sia funzioni di barriera che di gettering.
I bordi dei grani e le strutture dei difetti all'interno dello strato di polisilicio possono intrappolare le impurità metalliche, rendendolo ampiamente utilizzato nei wafer con substrato epitassiale, wafer fortemente drogati e wafer per dispositivi ad alta-affidabilità.
2. Strato di tenuta posteriore in biossido di silicio
Gli strati di sigillatura posteriore in SiO₂ forniscono principalmente funzioni di isolamento e barriera.
Offrono un buon isolamento, compatibilità di processo e sollecitazione della pellicola relativamente bassa, rendendoli adatti per applicazioni con elevati requisiti di stabilità e compatibilità della pellicola.
Tuttavia, rispetto agli strati di sigillatura posteriore in polisilicio, la capacità getter di SiO₂ è generalmente più debole.
3. Strato di tenuta posteriore in nitruro di silicio
I film Si₃N₄ sono densi e offrono elevate prestazioni di barriera, particolarmente efficaci contro l'umidità, gli ioni sodio e la diffusione di alcune impurità.
Tuttavia, le pellicole di nitruro di silicio presentano tipicamente uno stress elevato. Uno scarso controllo dello stress può portare alla deformazione del wafer, alla rottura della pellicola o all'instabilità nei processi successivi.
4. Strato di tenuta posteriore di ossinitruro di silicio
SiON si trova tra SiO₂ e Si₃N₄ e le sue proprietà possono essere regolate regolando il rapporto ossigeno-e-azoto.
Combina buone prestazioni di barriera con uno stress relativamente controllabile, offrendo una scelta più flessibile del materiale dello strato di sigillatura posteriore.
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Materiale della guarnizione posteriore |
Caratteristiche principali |
Vantaggi tipici |
Preoccupazioni per l'indirizzo |
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Polisilicio (Poli-Si) |
Ricco di bordi di grano e difetti |
Ottenere forte; adatto per wafer ad alta-affidabilità |
Richiede una qualità della pellicola e un controllo delle particelle rigorosi |
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Biossido di silicio (SiO₂) |
Buon isolamento, stress relativamente basso |
Buona compatibilità di processo; adatto come strato isolante |
Capacità di getting limitata |
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Nitruro di silicio (Si₃N₄) |
Film denso con forti proprietà barriera |
Barriera efficace contro umidità, ioni sodio, ecc. |
Alto stress; il rischio di deformazione deve essere controllato |
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Ossinitruro di silicio (SiON) |
Proprietà tra SiO₂ e Si₃N₄ |
Stress regolabile, indice di rifrazione e prestazioni della barriera |
Richiede un controllo preciso della finestra del processo |
Una progettazione impropria dello strato di tenuta posteriore può introdurre nuovi problemi di particelle, stress o deformazione. Pertanto, sia i parametri del materiale che quelli del processo devono essere attentamente abbinati ai processi a valle del cliente.
Su quali tipi di wafer di silicio viene utilizzato principalmente lo strato di sigillatura posteriore?
1. Wafer epitassiali
I wafer epitassiali rappresentano una delle aree di applicazione più importanti per lo strato di sigillatura posteriore.
In particolare, per i wafer epitassiali con substrato fortemente drogato, il rilascio di drogante e l'autodrogaggio sono problemi comuni durante la crescita epitassiale ad alta-temperatura. Lo strato di tenuta posteriore riduce efficacemente il rischio di migrazione del drogante dal lato posteriore nello strato epitassiale, contribuendo a stabilizzare la resistività.
I prodotti tipici includono:
- Wafer epitassiali P/P+
- Wafer epitassiali N/N+
- Wafer epitassiali del dispositivo di potenza
- Wafer epitassiali per circuiti integrati analogici
- Substrati per sensori di immagine CMOS
2. Wafer di silicio per dispositivi di potenza
I dispositivi di potenza sono altamente sensibili alla corrente di dispersione, alla tensione di guasto, alla durata dei portatori minoritari e alla contaminazione da metalli.
Lo strato di tenuta posteriore aiuta a ridurre i rischi di contaminazione da metalli, migliorando l'uniformità e l'affidabilità del dispositivo.
Le applicazioni tipiche includono:
- MOSFET
- IGBT
- FRD
- TV
- Diodi Schottky
- CI di alimentazione ad alta-tensione
3. Substrati per CMOS e dispositivi analogici
Per CMOS ad alta affidabilità, circuiti integrati analogici, sensori e prodotti simili, lo strato di tenuta posteriore aiuta a controllare la contaminazione e i difetti, migliorando la resa e la stabilità a lungo termine.
Parametri di controllo chiave per lo strato di sigillatura posteriore
Lo strato di sigillatura posteriore non è semplicemente una pellicola depositata sul retro del wafer - è un processo di ingegneria della pellicola sottile-che richiede un controllo preciso.
I parametri chiave includono:
- Spessore
- Uniformità dello spessore
- Stress cinematografico
- Particelle
- Contaminazione dei metalli
- Adesione
- Densità della pellicola
- Rugosità della parte posteriore
- Arco/ordito di wafer
- Stabilità termica
Tra questi, lo stress, le particelle e la contaminazione da metalli sono parametri particolarmente critici per il controllo della qualità.
In che modo lo strato di sigillatura posteriore è diverso dal danneggiamento della parte posteriore?
Un'altra tecnica comune nell'ingegneria del retro dei wafer è il danneggiamento del retro.
Gli esempi includono:
- Strato di danno meccanico
- Sabbiatura
- Danni indotti dal laser-
- Irruvidimento del lato posteriore
Entrambe le tecniche mirano a eliminare le impurità o a stabilizzare il retro del wafer, ma i loro approcci differiscono.
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Tipo |
Metodo |
Funzione principale |
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Danni alla schiena |
Intrappola le impurità attraverso i difetti indotti |
Migliora la cattura delle impurità metalliche |
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Strato di tenuta posteriore |
Deposita una pellicola per bloccare, ottenere o controllare lo stress |
Riduce la contaminazione sul retro e migliora la-stabilità alle alte temperature |
In alcuni wafer-di fascia alta, entrambe le tecniche possono essere combinate per ottenere un migliore controllo della contaminazione e stabilità termica.
Perché lo strato di sigillatura posteriore merita attenzione?
Poiché i dispositivi a semiconduttore richiedono maggiore affidabilità, uniformità e resa, i wafer di silicio non sono più semplicemente "substrati di cristallo". Per soddisfare le diverse esigenze di elaborazione dei dispositivi è necessaria una complessa ingegneria dei materiali e delle superfici.
Sebbene lo strato di sigillatura posteriore risieda sul lato posteriore e non formi direttamente le strutture del dispositivo, influisce su:
- Controllo della resistività dello strato epitassiale
- Stabilità del processo ad alta-temperatura
- Livelli di contaminazione dei metalli
- Comportamento della deformazione del wafer
- Perdite e affidabilità del dispositivo
- Resa di fabbricazione del wafer a valle
Pertanto, per i wafer epitassiali di alta-qualità, i wafer di silicio per dispositivi di potenza e i wafer di substrato ad alta-affidabilità, lo strato di tenuta posteriore è una tecnologia fondamentale ed estremamente importante.
Osservazioni conclusive
I ruoli principali dello strato di tenuta posteriore del wafer di silicio possono essere riassunti in quattro punti:
- Bloccante: impedisce la diffusione o l'evaporazione delle impurità dal retro
- Gettering: intrappola i contaminanti metallici e protegge la parte anteriore-del dispositivo
- Stabilizzazione: migliora il comportamento dei wafer durante i processi ad alta-temperatura
- Controllo della forma: aiuta a gestire la deformazione, lo stress e la stabilità del processo
In una frase:
Sebbene lo strato di sigillatura posteriore sia situato sul lato posteriore del wafer, svolge un ruolo cruciale nella qualità epitassiale, nel controllo della contaminazione, nella stabilità della resistività e nell'affidabilità del dispositivo. Si tratta di una tecnologia ingegneristica fondamentale per i wafer di silicio semiconduttori di alta-qualità.
