[发明专利]外延片的金属可调薄膜应力补偿

说明书

在外延片的背面施加金属应力可调薄膜结构，以补偿正面外延层产生的应力。该结构可包含多层，包括金属应力补偿层（“SCL”）、金属粘合层和/或钝化（或焊接）层。在其他实施例中，应力补偿结构仅包括金属应力补偿层。在第一个应用中，金属应力补偿结构在开始器件制造之前应用于外延片的背面，以纠正现有的已购晶圆中的弯曲。在第二种应用中，金属应力补偿结构在完成正面处理时应用于薄外延片的背面，以防止从刚性支撑结构或载盘上移除时弓形诱导的晶圆破裂。

相关申请的交叉引用

本申请案主张于2016年9月16日申请之美国临时申请编号62/395830之利益，并以引用方式并入本文中。

发明背景

许多类型的半导体器件是在外延片（工业上也被称为“EPI”晶圆）上制造的，该外延片包含在所需基板材料的晶圆上沉积的材料复杂的多个外延层。沉积这些外延层的过程以及层本身的微观结构不可避免地会产生较大的内在拉应力或压应力，这些拉应力或压应力会对晶圆的平面度产生较大的物理变形。这些变形通常被称为弓和曲。根据美国材料试验协会（ASTM）的具体定义，“弓形”被量化为“自由未夹持圆片中间表面中心点与中间表面基准面之间的偏差”，中间表面基准面由直径小于名义直径的圆圈上等距的三个点构成。晶圆的“翘曲”被量化为“自由、未夹持晶圆的中间表面与基准面之间的最大和最小距离之差”。为了方便起见，下面的讨论在最一般的意义上称为“弯曲”是指晶圆平面度的变形。

晶圆弯曲通常涉及以下多种根本原因：相邻外延层之间的晶体学晶格失配应变；外延微观结构；外延晶圆生长过程或高温处理（例如热退火）产生的热应力（热膨胀系数（CTE）失配）；以及在制造过程中对外延层进行的加法或减法处理。

超过数十微米（微米）的晶圆弯曲会对晶圆破碎的晶圆加工产生负面影响。半导体制造中的晶圆破损是昂贵的，因为单个晶圆含有数千或数万个产品模具。在制造过程中，由于晶圆弯曲过度而导致的晶圆损失可能会导致工具关闭、设备污染、延迟装运计划，并使制造商每片成本高达数千美元。

在开始任何设备制造之前，在“已购买”的外延片中存在弯曲会影响各种晶圆制造工具的性能，例如用于光刻的工具，从而导致具有不符合规范的关键尺寸的设备不合适。如果不可能的话，几百微米甚至毫米的晶圆弯曲值会使加工变得非常困难。

随着外延片尺寸的增大，晶圆弯曲问题越来越严重。现代砷化镓（GAAS）晶圆制造工厂加工直径为6英寸（150 mm）的外延片，与之前的3英寸（75 mm）和4英寸（100 mm）晶圆尺寸相比。

在晶圆加工开始时，可以通过在外延片的背面添加一层厚厚的氮化硅或二氧化硅来减少晶圆弯曲。然而，这种类型的介电层的形成需要相对较高的工艺温度（例如，400℃），这可能导致在预处理的外延片中对表面（或次表面）外延层进行不必要的修改。例如，GaAs的化学计量学可以改变，因为在长期高温下，表面的一些砷（As）开始蒸发。此外，当晶片与介电沉积工具内的压盘夹具直接物理接触时，其正面可能受到污染。因此，可能需要对表面进行进一步处理（例如，湿清洁、湿蚀刻或类似处理），以确保为随后的设备制造步骤呈现无损伤、杂质和颗粒的原始表面。

在后处理中使用应力控制电介质，由于外延晶圆的背面通常经过金属化处理，以形成与晶圆正面形成的器件的电接触，因此变薄的晶圆也具有有限的价值。因此，添加绝缘层（例如氮化硅或氧化硅）将干扰金属接触层，使得这种减少晶片弯曲的方法不切实际。此外，绝缘体层是易碎的，往往是相对较厚的（厚度达微米），并且已知会剥落晶圆背面，尤其是晶圆边缘，从而导致可能污染晶圆正面加工和干扰无缺陷装置形成的颗粒。

发明摘要