《炬丰科技-半导体工艺》 高频磷化铟芯片晶圆级背面加工
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：高频磷化铟芯片晶圆级背面加工
编号：JFKJ-21-1145
作者：华林科纳
一直致力于减少磷化铟(InP)中的衬底共振和地面反弹效应，基于通过晶圆级背面处理的芯片。目的是确保芯片在亚毫米波长电磁辐射和高速应用所需的频率下稳定运行。
HEMTs应用于射频功率和低噪声放大器。“接地反弹”问题是指由于器件主体中寄生电容和电感的反馈，接地电位在高频时不稳定。地面反弹会在小信号响应中产生波峰和波谷，并增加群延迟波动。通过衬底过孔或焊线将集成电路接地层连接到模块接地电位，可以提高接地稳定性。基片共振是由射频波长与集成电路尺寸的数量级引起的——毫米波可以在毫米芯片空腔中共振，使用晶片变薄和密集通孔结构来减少这些共振效应。
该过程由许多步骤组成(图1)。首先，使用基于环氧树脂的紫外光固化粘合剂，将磷化铟晶片以衬底侧朝上的方式安装在玻璃衬底上，磷化铟晶片通过研磨变薄。最终厚度为100米或50米，较小的值用于更高频率的性能。控制温度以避免粘合剂降解，同时，温度需要在150℃以上，以便在材料去除过程中有效升华卤化磷化铟。
图1
（图1）在蚀刻过程中，它使用了一个间歇冷却步骤来精确和可再现地控制衬底表面温度，满足严格的热约束，获得了约1.5 m/min的磷化铟蚀刻速率，具有良好的再现性和良好的衬底均匀性，利用开发的蚀刻顺序，成功地制造了无残留物的过孔，并且具有良好的形状均匀性和尺寸可控性。
由于微负载效应，过孔底部的金为4米厚，这也影响了侧壁上的材料，背面金和集成电路器件之间的电连接是通过通孔实现的。在更薄的50米厚的磷化铟晶片上实现了2.5的纵横比(AR)通孔，而100米厚的芯片只有2个AR。与100米厚芯片的40米相比，过孔直径也可以减小到20米，过孔直径实际上是锥形的，背面更宽，对于直径为50 m的过孔，背面直径为64 m，在两种情况下，顶面直径(蚀刻中过孔的底部)都略小于50 m。
根据模拟，间距为50 m的过孔足以抑制衬底共振效应。通过锯穿磷化铟晶片和部分粘合层来切割芯片。使用1.06米红外钇铝石榴石(YAG)激光辐射拆卸芯片，该激光辐射透过玻璃基板并被牺牲层吸收。粘合剂层和玻璃基板可以很容易地去除，因为牺牲层被激光照射碳化了。由于磷化铟晶片已经被切割，当部分机械应力通过去除粘合剂和玻璃衬底而被释放时，集成电路不会断裂。
因此，我们可以成功地完全获得无裂纹的磷化铟集成电路芯片。发现激光拆除过程对磷化铟HBT性能有一些负面影响。当激光功率密度为0.31瓦/平方米(刚好高于所需的最低功率)时，拆卸前后的性能没有下降。相比之下，0.91瓦/平方米的辐照使基极-集电极漏电流增加了四个数量级以上。InP HEMTs似乎对拆卸激光功率更为稳健——没有退化到0.78瓦/平方米。在0.91瓦/平方米时，在1.0V偏置下，最大漏极电流略有增加。
将这一过程应用于基于磷化铟的HBT限幅放大器。这种设备可用于50Gbps级非归零制IMDD(强度调制直接检测)通信系统的光接收器。使用了100米厚的基板，因为地面反弹效应比共振更重要。如果没有背面工艺，增益频率曲线会出现约2dB的下降；在这个过程中，蘸酱被去除，从而产生平滑的曲线。与没有背面处理的芯片的14ps相比，背面处理也给出了具有4ps变化的更一致的群延迟。
群延迟特性的平坦度有助于改善射频信号的波形质量。这些实验结果清楚地表明，薄化晶片和形成接地过孔对于实现具有良好接地稳定性的基于InP-HBT的限幅放大器的稳定操作是有效的。这种SMMIC被用作无线通信系统发射机中的功率放大器。与抑制接地反弹的情况不同，过孔密集地形成在整个表面上，以切断衬底谐振，抑制谐振使器件的S21功率增益参数不会随频率而下降(图2)。
图2
图2制作的磷化铟-HEMT基功率放大器的s参数，基于磷化铟-HEMT的功率放大器的顶面和背面光学显微镜图像，信号隔离(S12)在250GHz时低于–40dB，这要归功于通过过孔切断输入和输出端口之间传播的信号，在220千兆赫和260千兆赫之间看到稳定的放大，没有底物共振的迹象，基于模拟提出，50米厚的密集过孔工艺可以实现高达700千兆赫的频率，超过了Y波段(325–500千兆赫)的范围。
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