[發明專利]一種改善晶圓翹曲變形的芯片結構及其制備方法

有效

• 申請號: 202210154384.7
• 申請日: 2022-02-21
• 公開（公告）號: CN114203648B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 劉永;馮浩;單建安
• 申請（專利權）人: 安建科技（深圳）有限公司
• 主分類號: H01L23/31
• 分類號: H01L23/31;H01L23/00;H01L21/56
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 袁燕清

一種改善晶圓翹曲變形的芯片結構及其制備方法，本發明涉及半導體器件制造領域，為改善改善晶圓翹曲的問題，本發明通過在劃片道區引入更寬的輔助溝槽，且在輔助溝槽內產生與器件區溝槽相反的應力，彼此相互抵消，釋放整個晶圓的應力，改善效果好。

技術領域

本發明涉及半導體器件制造領域，特別是一種功率半導體晶圓加工制造過程中改善晶圓翹曲度的芯片結構及制備方法。

背景技術

隨著功率半導體器件功率密度不斷提高，溝槽柵結構廣泛應用于單極性器件（如功率MOSFET）和雙極性器件（比如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT））。溝槽柵結構相對于平面柵結構可以實現更高的溝道密度，同時消除了JFET電阻，從而實現更低的導通電阻或正向導通壓降。為了進一步降低芯片的導通電阻或導通壓降，一種發展趨勢是繼續減小器件重復元胞（cell pitch）尺寸，增加溝槽密度，從而進一步增加溝道密度，但是溝槽密度的增加會引入嚴重的應力問題，導致晶圓翹曲。特別是對于大尺寸晶圓（8寸和12寸），晶圓翹曲問題顯得更加嚴重。在器件制造過程中，晶圓不可避免需要經過各種高溫過程，晶圓上不同類型的薄膜由于具有不同的熱擴展系數，而對晶圓產生相應的張應力或壓應力。圖2示出了二氧化硅（SiO₂）薄膜對晶圓產生的壓應力，原因是由于二氧化硅（SiO₂）的熱擴展系數（0.5×10^-6 ℃）小于Si的熱擴展系數（2.5×10^-6 ℃），當晶圓溫度降低到常溫時，晶圓產生比二氧化硅（SiO₂）更明顯的收縮形變，擠壓二氧化硅（SiO₂）薄膜，產生壓應力，晶圓與其表面的二氧化硅（SiO₂）薄膜向上凸。圖3示出了多種薄膜應力同時存在時對硅晶圓的影響，溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在制造過程中會經過二氧化硅層生長、淀積，溝槽刻蝕，多晶硅淀積，刻蝕等工藝。其中，接觸孔刻蝕是關鍵工藝步驟之一，其作用是將芯片正面的柵電極和發射極通過金屬和對應位置處的硅連接起來，以實現對芯片的供電，刻蝕接觸孔時需要將晶圓和光刻板進行精確對準，否則接觸孔可能偏離原有設計位置，影響芯片性能和良率。要實現晶圓和光刻板的對準，需要晶圓盡量平整，然而在接觸孔刻蝕之前，柵氧化層01生長和多晶硅02淀積工藝通常會帶來較大的晶圓翹曲，這兩步工藝是在高溫下進行，通常柵氧化層01生長溫度高于1000℃，多晶硅(02)淀積溫度高于500℃。在薄膜生長或者淀積時，硅晶圓03與薄膜緊密貼合。但是，當晶圓溫度降到常溫時，如果薄膜和硅的熱擴展系數不同，則會產生壓應力或者張應力，導致晶圓翹曲，這會影響接觸孔的精確位置，從而降低芯片性能和良率。接觸孔刻蝕之前需要進行光刻，將光刻板上的圖形轉移到晶圓上或者淀積的薄膜上，然而，如果晶圓翹曲很嚴重，這會導致晶圓在光刻工藝中無法通過真空固定在holder上。雖然柵氧化層01和多晶硅02均會導致晶圓翹曲，但不同點在于前者導致晶圓向上凸，后者使得晶圓向下凹。這兩種不同的翹曲效果源于柵氧化層和多晶硅相對晶圓具有不同的熱擴展系數，柵氧化層01的擴展系數為0.5×10^-6 ℃，小于硅的熱擴展系數（2.5×10^-6℃）,當晶圓溫度從柵氧化層生長溫度降低到常溫時，晶圓產生比二氧化硅（SiO₂）更明顯的收縮形變，產生壓應力，晶圓與其表面的二氧化硅（SiO₂）薄膜向上凸。多晶硅的熱擴展系數為~3×10^-6℃，大于硅的熱擴展系數（2.5×10^-6℃），當晶圓溫度從多晶硅淀積溫度降低到常溫時，多晶硅產生比晶圓更明顯的收縮形變，產生張應力，晶圓與多晶硅薄膜向下凹。因此，改善晶圓翹曲不僅可以提高芯片性能和良率，還可以解決在芯片加工過程中的晶圓固定的問題。

發明內容

為實現以上所述目標，本發明提出一種改善晶圓翹曲變形的芯片結構及其制備方法。