沟槽栅IGBT作为提升功率器件功率密度和性能的主流技术方向随着芯片精细化程度的不断提高制备过程中产生的晶圆翘曲问题日益突出翘曲值在0°和90°方向均超过120 μm严重影响光刻对准、注入工艺及等离子体工艺等关键制程的稳定性和工艺效果。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量精确测定样品的表面台阶高度与膜厚为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。本文系统分析了翘曲的产生原因并从单项工艺制备条件、新型多晶硅/氧化层厚度的沟槽结构以及背面膜层的去除站点流程三个层面提出了优化方案。通过整合上述措施成功将IGBT晶圆的翘曲从±120 μm降低至±50 μm以内显著改善了流片过程中的异常情况为沟槽栅IGBT制备中的翘曲控制提供了有效技术路径。工艺流程及翘曲表现沟槽栅IGBT的工艺流程及翘曲表现沟槽栅IGBT的主要工艺流程包括沟槽制备、栅极填充、接触形成和钝化层。具体制备流程为先通过光刻和刻蚀在晶圆上制备宽约1.35 μm的沟槽再用LPCVD沉积多晶硅厚度分别为100、200、400、800 nm其中700 nm可填满沟槽然后沉积600 nm SiO₂填满沟槽接着用CMP去除正面多余膜层最后刻蚀去除背面的多晶硅和SiO₂。不同工艺站点对翘曲的影响不同。初始氧化和沟槽刻蚀后0°与90°方向翘曲无明显差异但栅氧沉积后差异显著增大原因是氧化层使沟槽方向的应力变化更突出。其中多晶硅沉积和金属沉积是单道工艺中翘曲变化最大的环节。整个工艺流程中晶圆翘曲绝对值已超过120 μm急需优化。多晶硅沉积不同P质量分数的多晶硅膜层随沉积温度的应力表现未掺杂多晶硅导电率低常采用磷P掺杂。沉积温度影响应力性质520~560 ℃时多晶硅为无定形态呈张应力600 ℃时为结晶态呈压应力。提高P质量分数可减小张应力因为P抑制前驱体分解使膜层更致密。因此推荐采用600 ℃沉积温度或0.5% P掺杂的多晶硅作为栅极材料以降低翘曲。金属沉积不同金属膜层随沉积温度的应力表现常用AlCu作为互连金属但低温AlCu应力较大。沉积温度从50 ℃升至250 ℃时AlCu应力急剧下降继续升至400 ℃时趋于稳定。因此建议采用高于250 ℃的沉积温度。但高温会引发铝硅互熔问题可在AlCu靶中添加Si形成AlSiCu膜层其应力特性与AlCu一致既能改善翘曲又能抑制互熔。沟槽结构的优化不同厚度多晶硅/SiO₂沟槽结构形貌的SEM图传统沟槽采用全多晶硅填充翘曲由多晶硅应力主导。可引入具有压应力的SiO₂来平衡张应力。实验制备了多晶硅厚度分别为100、200、400 nm和全填充的沟槽结构。不同厚度多晶硅/SiO₂沟槽结构的翘曲表现结果显示0°方向翘曲基本一致90°方向翘曲随多晶硅厚度增加从-152.5 μm变化到103.6 μm。当多晶硅约400 nm、SiO₂约510 nm时90°方向翘曲仅为16.5 μm单项工艺引入的翘曲最小。在产品上应用相同结构趋势一致。背面膜层组合的优化正面膜层结构和不同背面膜层组合结构的SEM图IGBT工艺中许多炉管工艺会在正背面同时沉积膜层正面图形化后去除多余膜层正背面膜层分布差异会导致翘曲。通过选择背面最终保留的膜层结构并控制去除站点可实现整体翘曲调控。不同背面膜层组合IGBT的翘曲表现背面通常保留栅极SiO₂、多晶硅和终端膜层SIPOSSiNₓ。通过背面刻蚀制备了多种组合测得其翘曲值分别为无保留118.6 μm、仅SiO₂30.3 μm、仅多晶硅136.3 μm、仅终端膜层50.4 μm、SiO₂多晶硅45.4 μm、SiO₂终端膜层63.5 μm、多晶硅终端膜层-43.6 μm、三层全保留-24.2 μm。可见通过选择不同背面膜层组合可以调控产品翘曲。整体优化结果优化后IGBT工艺流程中各站点的翘曲表现综合采用多晶硅厚度400 nm、SiO₂厚度510 nm的沟槽结构多晶硅沉积温度600 ℃金属膜层选用350 ℃的AlSiCu以及栅氧背面膜层去除方案。优化后正负方向翘曲均控制在70 μm以内。此举减少了工艺传送报警保证了晶圆在不同机台间的顺畅流转同时解决了多晶硅工艺后的光刻对准失效问题。本文通过分析影响IGBT翘曲的关键工艺提出了三项优化措施单工艺优化600 ℃多晶硅或0.5% P掺杂、高温AlSiCu金属、沟槽结构优化400 nm多晶硅510 nm SiO₂使单项翘曲最小、背面膜层组合优化通过刻蚀保留不同膜层调控翘曲。综合应用后重要工艺站点的翘曲被优化到±70 μm以内。该研究对半导体工艺翘曲控制、工艺稳定性和良率提升具有参考价值。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值尤其是台阶高度是一个重要的参数对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。✔ 配备500W像素高分辨率彩色摄像机✔ 亚埃级分辨率台阶高度重复性1nm✔ 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台✔ 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量保证材料质量、提高生产效率。原文参考《沟槽栅IGBT制备中的翘曲控制》