En la fabricación de obleas de silicio, la mayor atención tiende a centrarse en la parte frontal de la oblea - calidad del cristal, capa epitaxial, resistividad, densidad de defectos y limpieza de la superficie.
Sin embargo, la parte posterior de la oblea es igualmente importante.
En el caso de las obleas epitaxiales, las obleas fuertemente dopadas, las obleas utilizadas en dispositivos de energía y las obleas de sustrato CMOS de alta-confiabilidad, la ingeniería trasera afecta directamente la estabilidad del proceso a alta-temperatura, la calidad de la capa epitaxial, el control de la contaminación metálica y la confiabilidad del dispositivo.
Entre estas técnicas de ingeniería trasera, la capa de sellado posterior es una de las más críticas.
¿Qué es una capa de sellado posterior de oblea de silicio?
Una capa de sello posterior de oblea de silicio se conoce comúnmente como:
- Capa de sellado posterior
- Sello trasero
- Sello trasero de polietileno (PBS)
- Sello trasero de óxido/nitruro
Es una película delgada funcional formada en la parte posterior de la oblea, que se utiliza para aislar, bloquear, absorber o estabilizar impurezas y tensiones en la parte posterior de la oblea.
En términos simples:
La parte frontal de la oblea es donde se fabrican los dispositivos, mientras que la capa de sellado posterior actúa como una "barrera protectora" y una "capa amortiguadora".
Aunque la capa de sellado posterior no participa directamente en el diseño del lado frontal-del dispositivo, influye significativamente en el comportamiento de la oblea durante procesos de alta-temperatura, como el crecimiento epitaxial, la oxidación, la difusión, el recocido y la deposición de películas delgadas-.
Por lo tanto, aunque se encuentra en la parte posterior, la capa de sellado posterior es una estructura fundamental que no puede pasarse por alto en las obleas de silicio de alta-calidad.
¿Por qué las obleas de silicio necesitan una capa de sellado posterior?
El valor central de la capa de sellado posterior se puede resumir en cuatro aspectos: bloqueo, captación, estabilización y control de forma.
1. Supresión de la liberación de impurezas en la parte trasera
Las obleas de silicio, especialmente las muy dopadas, pueden liberar elementos dopantes o impurezas metálicas de la parte posterior durante el crecimiento epitaxial a alta temperatura o el procesamiento térmico.
Los riesgos comunes incluyen:
- Boro (B)
- Fósforo (P)
- Arsénico (As)
- Antimonio (Sb)
- Contaminantes metálicos como hierro (Fe), cobre (Cu) y níquel (Ni)
Si dichas impurezas ingresan a la cámara del reactor o migran a la región del lado frontal-del dispositivo, pueden afectar la resistividad de la capa epitaxial, la vida útil del portador minoritario, la corriente de fuga y la confiabilidad general del dispositivo.
La capa de sellado posterior actúa como una barrera, lo que reduce el impacto de las fuentes de contaminación de la parte posterior en el área frontal-del dispositivo.
2. Prevención del autodopaje durante el crecimiento epitaxial
La capa de sellado posterior es especialmente importante en la fabricación de obleas epitaxiales.
Para sustratos fuertemente dopados como:
- Obleas epitaxiales P/P+
- N/N+ obleas epitaxiales
- Obleas epitaxiales del dispositivo de potencia
Durante el crecimiento epitaxial a alta-temperatura, los elementos dopantes de la parte posterior del sustrato pueden evaporarse a la fase gaseosa y reincorporarse-a la capa epitaxial en crecimiento, lo que provoca una deriva de resistividad.
Este fenómeno se conoce comúnmente como Autodoping.
La capa de sellado posterior ayuda a reducir la liberación de elementos dopantes desde la parte posterior, mitigando los riesgos de autodopaje y mejorando la estabilidad y uniformidad de la resistividad de la capa epitaxial.
3. Proporcionar capacidad de obtención
Algunas capas de sello posterior - particularmente Poly-Si Back Seal - exhiben una fuerte capacidad de captación.
La capa de polisilicio contiene una gran cantidad de límites de grano, defectos e interfaces, que pueden adsorber o atrapar impurezas metálicas, arrastrando efectivamente las impurezas dañinas hacia la parte posterior de la oblea y reduciendo su difusión hacia la región frontal-del dispositivo.
Este proceso generalmente se conoce como Gettering.
Para CMOS, dispositivos de alimentación, dispositivos analógicos y dispositivos de alta-confiabilidad, la capacidad de obtención juega un papel importante en el rendimiento y la confiabilidad a largo-plazo.
4. Mejora del control de tensiones y deformaciones
Las obleas de silicio son propensas a sufrir estrés térmico durante procesos de alta-temperatura, lo que puede provocar curvaturas, deformaciones o incluso líneas de deslizamiento.
Una capa de sellado posterior bien-diseñada puede ayudar a equilibrar la tensión entre los lados frontal y posterior de la oblea, lo que reduce los siguientes riesgos:
- Arco: doblado de oblea
- Deformación: deformación de oblea
- Deslizamiento: líneas de deslizamiento
- Defectos de estrés térmico
Sin embargo, es importante tener en cuenta que lo más grueso no siempre es mejor para una capa de sellado posterior.
Si la tensión de la película no se controla adecuadamente, en realidad puede aumentar la deformación de la oblea o provocar agrietamiento o delaminación de la película. Por lo tanto, el diseño de la capa de sellado posterior debe considerar el tamaño de la oblea, el espesor, el sistema de materiales, el historial térmico y las condiciones de proceso específicas del cliente-.
Materiales comunes para las capas de sellado posterior de oblea de silicio
Los diferentes materiales de la capa de sellado posterior ofrecen diferentes propiedades de barrera, capacidades de captación, niveles de tensión y compatibilidad de procesos. Los materiales comunes incluyen polisilicio, dióxido de silicio, nitruro de silicio y oxinitruro de silicio.
1. Capa de sellado posterior de polisilicio
La capa de sellado posterior de polisilicio es uno de los tipos más típicos, a menudo abreviada como PBS (Poly Back Seal).
Su valor fundamental:
Proporciona funciones de barrera y de captación.
Los límites de grano y las estructuras defectuosas dentro de la capa de polisilicio pueden atrapar impurezas metálicas, lo que hace que se utilice ampliamente en obleas de sustrato epitaxial, obleas fuertemente dopadas y obleas para dispositivos de alta-confiabilidad.
2. Capa de sellado posterior de dióxido de silicio
Las capas de sellado posterior de SiO₂ proporcionan principalmente funciones de aislamiento y barrera.
Ofrecen un buen aislamiento, compatibilidad con el proceso y una tensión de película relativamente baja, lo que los hace adecuados para aplicaciones con altos requisitos de estabilidad y compatibilidad de la película.
Sin embargo, en comparación con las capas de sellado posterior de polisilicio, la capacidad de absorción del SiO₂ es generalmente más débil.
3. Capa de sellado posterior de nitruro de silicio
Las películas de Si₃N₄ son densas y ofrecen un fuerte rendimiento de barrera, particularmente efectivas contra la humedad, los iones de sodio y la difusión de ciertas impurezas.
Sin embargo, las películas de nitruro de silicio suelen presentar una tensión elevada. Un control deficiente de la tensión puede provocar deformaciones de las obleas, agrietamiento de la película o inestabilidad en procesos posteriores.
4. Capa de sellado posterior de oxinitruro de silicio
SiON se encuentra entre SiO₂ y Si₃N₄, y sus propiedades se pueden ajustar ajustando la proporción de oxígeno-a-nitrógeno.
Combina un buen rendimiento de barrera con una tensión relativamente controlable, lo que ofrece una elección más flexible de material de capa de sellado posterior.
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Material del sello trasero |
Características principales |
Ventajas típicas |
Preocupaciones a abordar |
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Polisilicio (Poli-Si) |
Rico en límites de grano y defectos. |
Fuerte captación; adecuado para obleas de alta-confiabilidad |
Requiere estricto control de calidad de película y partículas. |
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Dióxido de silicio (SiO₂) |
Buen aislamiento, tensión relativamente baja. |
Buena compatibilidad de procesos; adecuado como capa aislante |
Capacidad de obtención limitada |
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Nitruro de Silicio (Si₃N₄) |
Película densa con fuertes propiedades de barrera. |
Barrera eficaz contra la humedad, iones de sodio, etc. |
Alto estrés; Es necesario controlar el riesgo de deformación. |
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Oxinitruro de silicio (SiON) |
Propiedades entre SiO₂ y Si₃N₄ |
Estrés ajustable, índice de refracción y rendimiento de barrera |
Requiere un control preciso de la ventana del proceso |
Un diseño inadecuado de la capa de sellado posterior puede introducir nuevas partículas, tensiones o problemas de deformación. Por lo tanto, tanto los parámetros del material como del proceso deben adaptarse cuidadosamente a los procesos posteriores del cliente.
¿En qué tipos de obleas de silicio se utiliza principalmente la capa de sellado posterior?
1. Obleas epitaxiales
Las obleas epitaxiales son una de las áreas de aplicación más importantes para la capa de sellado posterior.
En particular, en el caso de las obleas epitaxiales de sustrato muy dopado, la liberación de dopantes y el autodopaje son problemas comunes durante el crecimiento epitaxial a alta-temperatura. La capa de sellado posterior reduce eficazmente el riesgo de migración de dopantes de la parte posterior hacia la capa epitaxial, lo que ayuda a estabilizar la resistividad.
Los productos típicos incluyen:
- Obleas epitaxiales P/P+
- N/N+ obleas epitaxiales
- Obleas epitaxiales del dispositivo de potencia
- Obleas epitaxiales para circuitos integrados analógicos
- Sustratos para sensores de imagen CMOS
2. Obleas de silicio para dispositivos eléctricos
Los dispositivos de potencia son muy sensibles a la corriente de fuga, al voltaje de ruptura, a la vida útil de los portadores minoritarios y a la contaminación por metales.
La capa de sellado posterior ayuda a reducir los riesgos de contaminación del metal, mejorando la uniformidad y confiabilidad del dispositivo.
Las aplicaciones típicas incluyen:
- MOSFET
- IGBT
- FRD
- televisores
- Diodos Schottky
- Circuitos integrados de potencia de alto-voltaje
3. Sustratos para CMOS y dispositivos analógicos
Para CMOS, circuitos integrados analógicos, sensores y productos similares de alta-confiabilidad, la capa de sellado posterior ayuda a controlar la contaminación y los defectos, mejorando el rendimiento y la estabilidad a largo plazo-.
Parámetros de control clave para la capa de sellado posterior
La capa de sellado posterior no es simplemente una película depositada en la parte posterior de la oblea - sino un proceso de ingeniería de película delgada- que requiere un control preciso.
Los parámetros clave incluyen:
- Espesor
- Uniformidad del espesor
- Estrés cinematográfico
- Partículas
- Contaminación de metales
- Adhesión
- Densidad de la película
- Rugosidad trasera
- Arco de oblea / Urdimbre
- Estabilidad térmica
Entre estos, el estrés, las partículas y la contaminación por metales son parámetros de control de calidad especialmente críticos.
¿En qué se diferencia la capa de sellado posterior de la que se produce el daño en la parte trasera?
Otra técnica común en la ingeniería de la parte trasera de las obleas es la obtención de daños en la parte trasera.
Los ejemplos incluyen:
- Capa de daño mecánico
- Arenado
- Daño-inducido por láser
- rugosidad trasera
Ambas técnicas tienen como objetivo eliminar impurezas o estabilizar la parte posterior de la oblea, pero sus enfoques difieren.
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Tipo |
Método |
Función principal |
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Obtención de daños en la parte trasera |
Atrapa impurezas a través de defectos inducidos. |
Mejora la captura de impurezas metálicas. |
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Capa de sellado posterior |
Deposita una película para bloquear, captar o controlar el estrés. |
Reduce la contaminación de la parte trasera y mejora la estabilidad a altas-temperaturas |
En algunas obleas-de gama alta, ambas técnicas se pueden combinar para lograr un mejor control de la contaminación y estabilidad térmica.
¿Por qué merece atención la capa de sellado posterior?
A medida que los dispositivos semiconductores exigen mayor confiabilidad, uniformidad y rendimiento, las obleas de silicio ya no son simplemente "sustratos de cristal". Se requiere ingeniería compleja de materiales y superficies para satisfacer diversas necesidades de procesamiento de dispositivos.
Aunque la capa de sellado posterior reside en la parte posterior y no forma directamente estructuras del dispositivo, afecta:
- Control de resistividad de la capa epitaxial.
- Estabilidad del proceso a alta-temperatura
- Niveles de contaminación de metales
- Comportamiento de deformación de la oblea
- Fugas y confiabilidad del dispositivo
- Rendimiento de fabricación de obleas aguas abajo
Por lo tanto, para obleas epitaxiales de alta-calidad, obleas de silicio para dispositivos eléctricos y obleas de sustrato de alta-confiabilidad, la capa de sellado posterior es una tecnología fundamental y muy importante.
Comentarios finales
Las funciones principales de la capa de sellado posterior de la oblea de silicio se pueden resumir en cuatro puntos:
- Bloqueo: evita la difusión o evaporación de impurezas en la parte trasera.
- Gettering: atrapa contaminantes metálicos y protege la región frontal-del dispositivo
- Estabilizador: mejora el comportamiento de las obleas durante procesos de alta-temperatura
- Control de forma: ayuda a gestionar la deformación, la tensión y la estabilidad del proceso.
En una frase:
Aunque la capa de sellado posterior está ubicada en la parte posterior de la oblea, desempeña un papel crucial en la calidad epitaxial, el control de la contaminación, la estabilidad de la resistividad y la confiabilidad del dispositivo. Es una tecnología de ingeniería trasera clave en obleas de silicio semiconductor de alta-calidad.
