DMOS Vfsd之背金工艺窗口研究

陈定平+张忠华+李理+赵圣哲

摘要： 一些DMOS产品的Vfsd上限要求做得很低，这样背金工艺的窗口就非常窄、经常发生Vfsd超上限的事件。如何拓宽背金工艺窗口、满足特殊DMOS产品对Vfsd的苛刻要求，在此研究了背面减薄、背面硅腐蚀和背面注入的主要工艺关键参数对Vfsd的影响。比较减薄机研磨轮目数后发现，研磨轮目数决定背面粗糙度，进而影响背面SI与背面金属的接触电阻和Vfsd；比较硅腐蚀有、无活性剂后发现，加了活性剂的背面硅腐蚀速率温和、均匀性好，可减缓切入式减薄机的Vfsd扇形分布、Vfsd均匀性明显改善。背注能量拉偏后发现，降低背注能量可降低Vfsd的Mean值。综合以上机理分析和实验结果，找到了背面最佳工艺条件，大大拓宽了背金工艺窗口。在最佳背面工艺条件下，这些特殊的DMOS产品Vfsd超上限几率从1.5%下降到0.1%以下、良率平均上升4%，此背金最佳工艺可以成为DMOS生产的标准工艺。

关键词： DMOS Vfsd超上限； 背面减薄； 背面硅腐蚀； 表面活性剂； 背面注入

中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A文章编号： 1004⁃373X（2014）08⁃0072⁃03

Stduy of DMOS Vfsd′s backside process margin

CHEN Ding⁃ping， ZHANG Zhong⁃hua， LI Li， ZHAO Sheng⁃zhe

（Founder Microelectronics International Co.， Ltd.， Shenzhen 518116， China）

Abstract： Since some special DMOS products require very low Vfsd′s upper limit， the window of backside process becomes very narrow and the phenomenon of Vfsd upper limit happens quite often. To widen the window of backside process and satisfy the Vfsd requirement of special DMOS products， the influence of key parameters of main processes of backside grinding， backside Si wet etching and backside injection on Vfsd value is studied. According to the comparison result of backside grinding wheels with different mesh numbers， it is found that the mesh number of grinding wheel affects the roughness on the backside greatly， as well as the contact resistance between backside Si and backside metal. After comparing Si wet etching with and without active agent， it is found that surfactants injection can slow down Vfsds sector distribution and improve Vfsd uniformity obviously. To lowing down the backside injection energy can reduce Vfsds Mean value. BKM conditions of backside process were found out from the mechanism analysis and experiments results. Under BKM condition， special DMOS productss Vfsd ultralimit rate reduced from 1.5% to current 0.1% and CP yield increased 4%. This BKM process can be applied as standard process of DMOS production.

Keywords： DMOS Vfsd； Ultra limit； backside grinding； backside Si wet etch； surfactant； backside implantation

DMOS产品生产中背金工艺[1]包含背面减薄（Backside Grinding）、背面湿法硅腐蚀（Backside Si Wet Etch）、背面注入（Backside Implant）和背面蒸发金属（Backside Implant）。其中背面减薄、背面湿法硅腐蚀、背面注入对DMOS Vfsd参数的影响最大[2]。

1Vfsd的概念

Vfsd（Forward Voltage of diode between S，D）源漏间的二极管正向导通压降。测量方法：GS短接，S接地，SD加偏压Vsd，测量SD间电流Isd。增大Vsd，当Isd达到设定值时的Vsd即为Vfsd；Vgs=0 V，Id=设定值（见图1）。

图1 Vfsd测试图

Vfsd直接影响DMOS[3]正向工作时的能耗，为节约能源，降低使用成本，一些DMOS产品对Vfsd参数的要求越来越严，Vfsd要求做在0~0.84 V以内。常规的背金工艺DMOS Vfsd波动范围较大，实际生产中中经常出现Vfsd飘单边、甚至超上限现象（见图2）。本文研究和优化了背面减薄（Backside Grinding） [4⁃6]、背面湿法硅腐蚀（Backside Si Wet Etch）、背面注入（Backside Implant）的工艺条件[7]，找到了一种能满足苛刻的Vfsd规范的最佳背面工艺方案，此方案能有效降低DMOS的Vfsd值，提高器件性能，拓展工艺窗口，减少工艺波动带来的良率损失。

图2 DMOS某些产品Vfsd窗口很紧

2Vfsd与背金工艺的实验和讨论

选取DMOS产品，在背面减薄、背面硅腐蚀和背面注入步骤，作DOE分片，实验结合机理，分别讨论各步背金工艺的主要参数与Vfsd的关系如下所述。

2.1Vfsd与背面减薄

研磨轮目数，决定背面的磨痕分布和粗细度（见图3）。325#+600#Ending减薄背面衬底磨痕细，背金后背面与金属的接触面积少，S，D之间接触电阻大，Isd到定值时Vfsd就大；325#减薄后背面衬底磨痕粗，背面与金属的接触面积大，S，D之间接触电阻小，Isd到定值时Vfsd就小（见图4）。

图3 磨痕SEM图片

切入式研磨减薄机（如VG502）作业时，研磨轮1与载硅片的托盘2按相反方向不同转速相对旋转，同时研磨轮按一定的速度下降从而达到减薄效果，这样减薄后的纹路呈扇形分布。

使用研磨轮325#和使用研磨轮325#+600#Ending减薄，DMOS 的Vfsd的表现差异很大，325#作业的Vfsd明显低0.05 V （见图5）。

2.2Vfsd与背面硅腐蚀

背面硅腐蚀的目的是释放背面减薄后的硅表面应力，同时提高背面平整度，酸液腐蚀速率的均匀性决定硅腐蚀后背面平整度的均匀性。

常规的硅腐蚀液（硅腐蚀液1）没有添加活性剂，腐蚀后硅表面均匀性差；加了活性剂的硅腐蚀液（硅腐蚀液2）均匀性明显改善，平坦化效果好，切入式研磨轮减薄后的扇形以及Vfsd的扇形分布明显减少。DMOS产品在硅腐蚀液1和硅腐蚀液2腐蚀后的背面粗糙度明显不同（见图6）。Vfsd的均匀性和片内分布也明显不同（见图7）。

图4 减薄示意图和磨痕

图5 减薄后Vfsd变化

2.3Vfsd与背面注入

背注剂量一定的条件下，背注能量决定N型杂质分布的深度、进而影响背面N型杂质的浓度。背注能量下降，背面N型杂质浓度会上升，接触电阻下降，在Isd设为定值时测试的Vfsd就下降[8]。

图6 硅腐蚀液后背面

图7 硅腐蚀液后Vfsd分布

2.4Vfsd与背面硅腐蚀和背注的分片

Vfsd与背注能量（50 keV/30 keV）和硅腐蚀（有/无活性剂）做分片，方案与结果见图8。

图8 方案与结果

以上分片实验的Vfsd数据表明，使用硅腐蚀液2（加活性剂）后Vfsd离散性明显减少，背注能量下降能有效降低Vfsd的Mean值。

本实验由于客户不同意改变研磨轮目数，对硅腐蚀液和背注能量进行拉偏后得到的最佳条件是：硅腐蚀液2（加活性剂）+背注30 keV/3e15。常规条件：硅腐蚀1（无活性剂）+背注50 keV/3e15。与常规条件比，最佳条件下的Vfsd均匀性大幅改善、扇形分布消失，平均良率提升4%以上（见图9）。

图9 BKM条件下Vfsd扇形分布消失、平均良率上升4%

3结语

DMOS产品的Vfsd与背金工艺的背面减薄（研磨轮目数）、背面硅腐蚀（有无活性剂）、背面注入（能量）强相关。减薄的研磨轮使用325#ending，Vfsd明显低于325+600#ending；硅腐蚀液加入活性剂，可以改善酸液速率的均匀性和平坦化效果，Vfsd的均匀性也会改善、扇形分布几乎消失；背面注入能量降低，剂量不变，可有效降低Vfsd的Mean值。

参考文献

[1] QUIRK Michael， SERDA Julian.半导体制造技术[M].韩郑生，译.北京：电子工业出版社，2009.

[2] 潘茹，李明娟，吴坚，等.半导体芯片器件焊接方法及控制[J].半导体技术，2006，31（4）：272⁃279.

[3] 姜艳，陈龙，沈克强.VDMOS的导通电阻模型[J].电子器件，2008，31（2）：537⁃541.

[4] 康任科，郭东明，霍风伟，等.大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展[J].半导体技术，2003，28（9）：33⁃51.

[5] 王仲康，杨生荣.芯片背面磨削减薄技术研究[J].电子工业专用设备，2010，39（1）：23⁃27.

[6] 木瑞强，刘军，曹玉生.硅片减薄技术研究[J].电子与封装，2010，10（3）：9⁃13.

[7] 程玉华，王阳元.甚大规模集成电路制造中的离子注入技术[J].微细加工技术，1991（3）：50⁃57.

[8] HONG Ji⁃Hoon， CHUNG Sang⁃Koo， CHOI Yearn⁃Ik. Optimum design for minimum on⁃resistance of low voltage trench power MOSFET [J]. Microelectronics Journal， 2004， 35： 287⁃289.

图3 磨痕SEM图片

切入式研磨减薄机（如VG502）作业时，研磨轮1与载硅片的托盘2按相反方向不同转速相对旋转，同时研磨轮按一定的速度下降从而达到减薄效果，这样减薄后的纹路呈扇形分布。

使用研磨轮325#和使用研磨轮325#+600#Ending减薄，DMOS 的Vfsd的表现差异很大，325#作业的Vfsd明显低0.05 V （见图5）。

2.2Vfsd与背面硅腐蚀

背面硅腐蚀的目的是释放背面减薄后的硅表面应力，同时提高背面平整度，酸液腐蚀速率的均匀性决定硅腐蚀后背面平整度的均匀性。

常规的硅腐蚀液（硅腐蚀液1）没有添加活性剂，腐蚀后硅表面均匀性差；加了活性剂的硅腐蚀液（硅腐蚀液2）均匀性明显改善，平坦化效果好，切入式研磨轮减薄后的扇形以及Vfsd的扇形分布明显减少。DMOS产品在硅腐蚀液1和硅腐蚀液2腐蚀后的背面粗糙度明显不同（见图6）。Vfsd的均匀性和片内分布也明显不同（见图7）。

图4 减薄示意图和磨痕

图5 减薄后Vfsd变化

2.3Vfsd与背面注入

背注剂量一定的条件下，背注能量决定N型杂质分布的深度、进而影响背面N型杂质的浓度。背注能量下降，背面N型杂质浓度会上升，接触电阻下降，在Isd设为定值时测试的Vfsd就下降[8]。

图6 硅腐蚀液后背面

图7 硅腐蚀液后Vfsd分布

2.4Vfsd与背面硅腐蚀和背注的分片

Vfsd与背注能量（50 keV/30 keV）和硅腐蚀（有/无活性剂）做分片，方案与结果见图8。

图8 方案与结果

以上分片实验的Vfsd数据表明，使用硅腐蚀液2（加活性剂）后Vfsd离散性明显减少，背注能量下降能有效降低Vfsd的Mean值。

本实验由于客户不同意改变研磨轮目数，对硅腐蚀液和背注能量进行拉偏后得到的最佳条件是：硅腐蚀液2（加活性剂）+背注30 keV/3e15。常规条件：硅腐蚀1（无活性剂）+背注50 keV/3e15。与常规条件比，最佳条件下的Vfsd均匀性大幅改善、扇形分布消失，平均良率提升4%以上（见图9）。

图9 BKM条件下Vfsd扇形分布消失、平均良率上升4%

3结语

DMOS产品的Vfsd与背金工艺的背面减薄（研磨轮目数）、背面硅腐蚀（有无活性剂）、背面注入（能量）强相关。减薄的研磨轮使用325#ending，Vfsd明显低于325+600#ending；硅腐蚀液加入活性剂，可以改善酸液速率的均匀性和平坦化效果，Vfsd的均匀性也会改善、扇形分布几乎消失；背面注入能量降低，剂量不变，可有效降低Vfsd的Mean值。

参考文献

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[8] HONG Ji⁃Hoon， CHUNG Sang⁃Koo， CHOI Yearn⁃Ik. Optimum design for minimum on⁃resistance of low voltage trench power MOSFET [J]. Microelectronics Journal， 2004， 35： 287⁃289.

图3 磨痕SEM图片

切入式研磨减薄机（如VG502）作业时，研磨轮1与载硅片的托盘2按相反方向不同转速相对旋转，同时研磨轮按一定的速度下降从而达到减薄效果，这样减薄后的纹路呈扇形分布。

使用研磨轮325#和使用研磨轮325#+600#Ending减薄，DMOS 的Vfsd的表现差异很大，325#作业的Vfsd明显低0.05 V （见图5）。

2.2Vfsd与背面硅腐蚀

背面硅腐蚀的目的是释放背面减薄后的硅表面应力，同时提高背面平整度，酸液腐蚀速率的均匀性决定硅腐蚀后背面平整度的均匀性。

常规的硅腐蚀液（硅腐蚀液1）没有添加活性剂，腐蚀后硅表面均匀性差；加了活性剂的硅腐蚀液（硅腐蚀液2）均匀性明显改善，平坦化效果好，切入式研磨轮减薄后的扇形以及Vfsd的扇形分布明显减少。DMOS产品在硅腐蚀液1和硅腐蚀液2腐蚀后的背面粗糙度明显不同（见图6）。Vfsd的均匀性和片内分布也明显不同（见图7）。

图4 减薄示意图和磨痕

图5 减薄后Vfsd变化

2.3Vfsd与背面注入

背注剂量一定的条件下，背注能量决定N型杂质分布的深度、进而影响背面N型杂质的浓度。背注能量下降，背面N型杂质浓度会上升，接触电阻下降，在Isd设为定值时测试的Vfsd就下降[8]。

图6 硅腐蚀液后背面

图7 硅腐蚀液后Vfsd分布

2.4Vfsd与背面硅腐蚀和背注的分片

Vfsd与背注能量（50 keV/30 keV）和硅腐蚀（有/无活性剂）做分片，方案与结果见图8。

图8 方案与结果

以上分片实验的Vfsd数据表明，使用硅腐蚀液2（加活性剂）后Vfsd离散性明显减少，背注能量下降能有效降低Vfsd的Mean值。

本实验由于客户不同意改变研磨轮目数，对硅腐蚀液和背注能量进行拉偏后得到的最佳条件是：硅腐蚀液2（加活性剂）+背注30 keV/3e15。常规条件：硅腐蚀1（无活性剂）+背注50 keV/3e15。与常规条件比，最佳条件下的Vfsd均匀性大幅改善、扇形分布消失，平均良率提升4%以上（见图9）。

图9 BKM条件下Vfsd扇形分布消失、平均良率上升4%

3结语

DMOS产品的Vfsd与背金工艺的背面减薄（研磨轮目数）、背面硅腐蚀（有无活性剂）、背面注入（能量）强相关。减薄的研磨轮使用325#ending，Vfsd明显低于325+600#ending；硅腐蚀液加入活性剂，可以改善酸液速率的均匀性和平坦化效果，Vfsd的均匀性也会改善、扇形分布几乎消失；背面注入能量降低，剂量不变，可有效降低Vfsd的Mean值。

参考文献

[1] QUIRK Michael， SERDA Julian.半导体制造技术[M].韩郑生，译.北京：电子工业出版社，2009.

[2] 潘茹，李明娟，吴坚，等.半导体芯片器件焊接方法及控制[J].半导体技术，2006，31（4）：272⁃279.

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[4] 康任科，郭东明，霍风伟，等.大尺寸硅片背面磨削技术的应用与发展[J].半导体技术，2003，28（9）：33⁃51.

[5] 王仲康，杨生荣.芯片背面磨削减薄技术研究[J].电子工业专用设备，2010，39（1）：23⁃27.

[6] 木瑞强，刘军，曹玉生.硅片减薄技术研究[J].电子与封装，2010，10（3）：9⁃13.

[7] 程玉华，王阳元.甚大规模集成电路制造中的离子注入技术[J].微细加工技术，1991（3）：50⁃57.

[8] HONG Ji⁃Hoon， CHUNG Sang⁃Koo， CHOI Yearn⁃Ik. Optimum design for minimum on⁃resistance of low voltage trench power MOSFET [J]. Microelectronics Journal， 2004， 35： 287⁃289.