正面金屬化製程(FSM)是MOSFET晶圓薄化前的一個關鍵製程,由於MOSFET具備高開關切換速度,低輸入阻抗與低功率耗損之特性,必須承受大電流,因此在製程上,必須使用銅夾銲接(Clip Bond)加大電流路徑來取代金屬打線焊接(Wire Bond),藉此降低導線電阻與RDS(on)(導通阻抗)。

而正面金屬化製程的目的,就是藉由濺鍍或化鍍方式形成凸塊下金屬層(Under Bump Metallurgy,UBM),接著做銅夾銲接,以降低導線電阻。在使用夾焊時,由於鋁墊上方必須要有UBM,來做為鋁墊和銅夾(Clip)之間的銲接表面(Solder Surface)。

UBM的組成金屬元素,在濺鍍和化鍍上各有不同,濺鍍使用鈦/鎳釩/銀(Ti/NiV/Ag),化鍍則是使用鎳金/鎳鈀金(NiAu/NiPdAu)。本文將完整描述正面金屬化的關鍵兩道製程:濺鍍與化鍍的差異。

並非所有晶片都需經過正面金屬化製程。如果MOSFET元件需要進行夾焊或是混合焊(Mixed Bond, 指Source用Clip Bond,Gate用Wire Bond)時,需要在鋁墊上方做出UBM,以和Clip接合,所以若是MOSFET並沒有大電流應用時會做Wire Bond,可直接打線在鋁墊上,便不需要進行FSM了。

車用電子及高階應用製造商之選擇:濺鍍(Typical Sputter)

濺鍍製程是以高真空濺鍍機台於晶圓片成長鈦/鎳釩/銀,再塗佈光阻,接著以光罩曝光顯影(黃光製程),將鋁墊上方進行遮蔽,再將多餘的UBM以蝕刻的方式進行移除(蝕刻製程)。這是一套非常成熟、穩定且高可靠度的製程,許多車用電子業者與高階應用製造商均已使用此製程。

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圖1: 濺鍍製程必須經過濺鍍金屬、光阻塗佈顯影、濕蝕刻金屬、光阻去除等多道製程。
(來源:宜特科技)

MOSFET正面金屬化製程高CP值選擇:化鍍(Chemical plating)

前述提到的濺鍍製程,由於必須使用到高真空濺鍍、黃光製程、蝕刻製程,雖製程成熟穩定,較適用於追求高可靠度的車用電子、工業電子等高階MOSFET需求;而較為成本導向的消費性產品所應用的MOSFET則較適合使用化鍍來做,可以有較低的成本及較短的生產時間。宜特科技注意到這件事,導入了「以氧化還原反應」的化鍍製程。

化鍍,一般稱為化學鍍,也稱無電鍍(Electro-less Plating),在沒有外加電流的條件下,利用化學藥劑形成一連串可控制的氧化還原反應,使得化學藥劑中的金屬離子在晶圓上還原成金屬的一種成膜的方式。化鍍製程最大特色是,只需利用一連串的氧化還原反應,將鎳金/鎳鈀金選擇性的成長在鋁墊上,完全不需要經過高真空濺鍍/黃光製程/蝕刻製程,因此成本可降低,生產時間也可改善。

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圖2:此圖為化鍍製程,僅需一部化鍍機台自動化執行一連串的化鍍步驟,相較於步驟繁多的濺鍍製程,化鍍製程相對簡易,卻可達到相同目的。
(來源:宜特科技)

濺鍍vs.化鍍

所以若您的產品有需要使用正面金屬化製程,化鍍的特性是可以選擇性的在鋁墊上長出鎳鈀金,適合單純Clip Bond,追求高CP值及成本導向客戶使用;濺鍍的特性是使用高真空設備濺鍍金屬並使用光阻定義圖形,可靠度優異,適合追求高品質高可靠度客戶使用。

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表1:化鍍與濺鍍比較。
(來源:宜特科技)

化鍍製程生產流程

由於化鍍的高CP值,是許多廠商首選製程,因此筆者特別針對化鍍製程進行詳述。

化鍍製程的生產流程是操作人員在進行完晶片表面檢查後,將晶舟(Cassette)放入機台上之晶片載入區(Load Port),刷過條碼後,透過製造執行系統(Manufacturing Execution System,MES)自動載入該批產品需執行之程式後,便自動進行生產。結束後,系統會提示操作人員至卸載區(Unload Port取出即可。然而在這看似簡單的生產流程中,卻蘊含著一連串需要良好控制的、複雜的化學反應。

化鍍製程的程序,如圖3所示,是先進行前處理後,進行第一次的鋅活化(Zincation)後以硝酸(HNO3)移除較粗糙的鋅活化顆粒後,再進行第二次鋅活化後,便可形成較細緻的鋅活化顆粒,接著進行鎳金/鎳鈀金(NiAu/NiPdAu)成長。

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圖3:化鍍流程。
(來源:宜特科技)

化鍍製程最重要的起始點:前處理

(一)鋁墊的清洗和蝕刻

前處理主要是在進行鋁墊的清洗和蝕刻,將鋁墊表面的有機物殘留以及自然氧化物(Native oxide)去除,並使鋁墊的表面成為親水性,使表面濕潤,並進行鋁墊的微量蝕刻,確保鋁墊能夠完全和後續的鋅活化藥液反應。

因此針對不同的前段代工廠所產出的不同的鋁墊進行適度的調整前處理是一個非常重要的步驟。如圖4所示,如果前處理蝕刻調整不當,鋁墊將有嚴重損耗和破洞,使得後續的鎳填入空洞中,這將使得後續界面連接處在可靠度測試中發生失效的情況。若是理想的前處理製程,將會使得鋁墊的蝕刻,緻密而均勻,如圖5所示。

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圖4:前處理不當,使鋁墊大量損失。
(來源:宜特科技)

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圖5:前處理得當,鋁墊的蝕刻緻密且均勻。
(來源:宜特科技)

(二)若前段代工廠鋁墊開窗製程蝕刻不淨

另外,前段代工廠的鋁墊開窗製程(Pad Opening)也是非常重要的步驟。實務上,宜特有客戶因前段代工廠之鋁墊開窗製程蝕刻不淨,導致鎳金屬成長厚度不足,宜特可協助客戶透過改善前處理之方式,讓無法順利成長的化鍍製程得以順利成長,由此足見前處理的重要性。

前處理可說是化鍍製程最重要的起始點,如果前處理不當,將使得後續的鋅活化和鎳鈀金成長發生異常。宜特的前後段製程整合團隊可針對個別產品進行前製程調整,使客戶得到穩定的化鍍製程。

化鍍製程:鋅活化

(一)第一次鋅活化

在完成前處理後,機台的機械手臂會自動化的將晶舟送到第一次鋅活化槽進行鋅活化,此時槽內的反應可以用式一來描述,鋁Al會在反應中被氧化成鋁離子Al3+溶解在溶液中,而鋅離子Zn2+則會被還原成鋅Zn成長在鋁墊的表面:

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(二)第二次鋅活化

隨後,利用硝酸將表面粗糙的鋅活化顆粒移除後,再進行第二次的鋅活化製程,鋅的活化顆粒表面將較為緻密,因此目前各化鍍同業均以進行兩次鋅活化為主要標準製程,避免表面形態(Surface Morphology)不佳。

化鍍製程:成長鎳金或鎳鈀金

(一) 鎳槽導入了線上即時監控系統

已完成前處理及鋅活化的製程,便可開始依客戶之需要進行鎳金或鎳鈀金的成長了,鎳槽中利用次磷酸鹽和水的反應提供電子,使得鋅成為鋅離子,鎳離子及磷離子則成為鎳和磷,沈積在鋁墊上。反應式如公式2、公式3與公式4所示。一但完成了鍍鎳程序後,由於鎳本身有催化能力,後續的鈀金的鍍膜,只要選擇合適的化學藥劑即可持續進行。

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也因此,鎳的鍍槽是所有製程中,最為關鍵的步驟,必需要嚴格的做好控制,由於宜特有經驗相當豐富之技術團隊,在製程建置之初,便在鎳槽導入了線上即時監控系統(In-situ Monitoring System),使得系統可自動取樣鎳槽,自動檢測PH值和利用光電比色計檢測吸收率,並配合自動補液系統(Auto-doping),進行化學藥液的調整,使得後續鍍膜製程穩定運作。

隨後的鈀槽和金槽,分別使用次磷酸鹽產生電子,使得鈀離子及磷離子則成為鈀和磷,而在金槽則是使用亞硫酸金的錯合物,搭配次磷酸鹽,將金成長在鎳上或是鈀上。

(二)成長鎳金或鎳鈀金最怕遇到跳鍍、缺鍍

目前已有多家客戶驗證通過,開始量產。舉客戶A、B為例,由晶圓外觀來看,顏色均勻,如圖6所示,若是個別以顯微鏡觀察鋁墊區域,可以看到不論是在晶片的上中下左右都是沒有跳鍍、缺鍍的情況發生,如圖7所示。

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圖6:A與B公司化鍍後之晶圓外觀。
(來源:宜特科技)

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圖7:化鍍後之鋁墊外觀。
(來源:宜特科技)

總結

化鍍製程的程序,總結而言,就是如圖3所示,先進行前處理後,進行第一次的鋅活化後以硝酸移除較粗糙的鋅活化顆粒後,再進行第二次鋅活化後,便可形成較細緻的鋅活化顆粒,接著進行鎳金/鎳鈀金成長。

化鍍製程完成後,會再進行後續的晶圓薄化,宜特可以將化鍍和後續晶圓薄化(BGBM)、CP及Die Process完整結合,讓客戶的晶圓在完成前段代工後,直接送至宜特廠房從晶圓變成晶粒(Dies)。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年2月刊