200mm超薄硅片边缘抛光技术_武永超.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202303005March2023Semiconductor Technology Vol48 No3213200 mm 超薄硅片边缘抛光技术武永超，史延爽，王浩铭，龚一夫，张旭，赵权*(中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津300220)摘要:在大尺寸硅片外延加工过程中，边缘损伤极易导致外延层位错的产生。厚度为450 m的超薄硅片因其机械强度较低，在边缘抛光过程中极易导致碎片产生。为此采用化学机械抛光(CMP)对 8 英寸(1 英寸=2.54 cm)超薄硅片进行边缘抛光，通过优化工艺参数改善硅片边缘粗糙度及过抛量，并讨论了边缘抛光前后硅片倒角角度及边缘残余应力的变化。结果表明边缘抛光工序对硅片边缘去除量较小，且仅对边缘损伤层起到去除作用，因此可以有效降低硅片边缘残余应力，而对倒角角度影响较小，有助于获得边缘质量较好的硅片，为后续外延加工打下良好基础。关键词:边缘抛光;大尺寸超薄硅片;化学机械抛光(CMP);边缘损伤;边缘粗糙度中图分类号:TN305.2文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)03021305Edge Polishing Technology for 200 mm Ultra-Thin Silicon WaferWu Yongchao，Shi Yanshuang，Wang Haoming，Gong Yifu，Zhang Xu，Zhao Quan*(The 46thResearch Institute，CETC，Tianjin 300220，China)Abstract:During the epitaxial processing of large-size silicon wafers，the edge damage can easilylead to the generation of epitaxial layer dislocations The ultra-thin silicon wafer with a thickness of450 m is very easy to cause debris during the edge polishing process due to its low mechanical strengthTherefore，the edge polishing of 8 inch(1 inch=2.54 cm)ultra-thin silicon wafers was carried out bychemical mechanical polishing(CMP)，and the edge roughness and over-polishing amount of siliconwafers were reduced by optimizing process parameters The changes of the chamfering angle and edge re-sidual stress of silicon wafers before and after edge polishing were discussed The results show that theedge polishing process has a smaller removal amount on the edge of the silicon wafer，and only removesthe edge damage layer It can effectively reduce the residual stress on the edge of silicon wafers，and haslittle effect on the chamfering angle，which can help to obtain silicon wafers with better edge quality andlay a good foundation for subsequent epitaxial processingKeywords:edge polishing;large size ultra-thin silicon wafer;chemical mechanical polishing(CMP);edge damage;edge roughnessEEACC:2550E0引言作为信息技术的核心，近年来集成电路(IC)迅猛发展，器件逐渐向微型化和高性能化发展，因此对硅单晶抛光片提出了更高的要求。目前国外12 英寸(1 英寸=2.54 cm)硅单晶抛光片加工工艺已经非常成熟，国内半导体厂家也逐步向 8 英寸、12 英寸转型12。但随着硅片尺寸的增加，在其生产加工过程中存在的问题也逐渐暴露:硅片边缘因腐蚀产生的晶格缺陷或损伤极易在后续外延过程中引入正面缺陷或导致硅片在加工中破裂;硅片边缘的颗粒及异物附着也存在被带入正表面的风武永超等:200 mm 超薄硅片边缘抛光技术=214半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月险，导致良品率大大降低。为此需要在硅片边缘进行抛光处理3。在硅片尺寸增大的同时，超薄硅单晶片的研制及生产也显得尤为重要45。通常情况下，边缘抛光需要硅片边缘相对边抛垫高速旋转，而机械稳定性较差的超薄硅片对机械应力和振动也更加敏感，从而在边缘抛光过程中，极易造成硅片弯曲甚至断裂。因此，目前对于厚度在 500 m 以下的 8 英寸硅片通常不进行边缘抛光处理，这会对后续外延工序产生较大影响。针对以上现象，本文通过对 8 英寸超薄硅片进行化学机械抛光(CMP)，探究了不同工艺参数下 V 槽与圆周处的粗糙度及过抛量的变化，以期制备出高边缘质量的 8 英寸超薄硅片。1实验1.1硅片边缘抛光原理8 英寸超薄硅片边缘抛光主要采用化学机械抛光，使用碱性二氧化硅颗粒悬浊液作为抛光液。在抛光过程中，抛光液中的催化剂、氧化剂首先在硅片边缘形成一层可溶性硅酸盐氧化层，通过其中二氧化硅胶粒的吸附作用及抛光布与硅片边缘的机械摩擦使硅片表面硅原子重新裸露，并进行新一轮的氧化反应，在这种化学反应与机械作用的交替进行过程中，硅片边缘的表面粗糙度逐渐降低，发生的主要化学反应如下6 Si+H2O+2OH2H2+SiO23(1)8 英寸硅片的边缘抛光过程可分为参考面(通常为 V 槽)抛光与外圆周抛光。在 V 槽抛光过程中，边抛垫相对硅片高速转动，硅片在真空吸盘的带动下相对抛光垫上下摆动，同时抛光垫也在 V槽范围内进行左右往复运动，起到对 V 槽边缘抛光的效果，其原理示意图如图 1 所示。硅片边抛液边抛垫图 1V 槽边缘抛光原理示意图Fig.1Principle schematic of notch edge polishing硅片圆周边缘的抛光原理如图 2 所示，硅片与边抛鼓间进行相对转动，且边抛鼓在圆周运动的同时还进行上下往复运动。边抛鼓上装有多种角度的边抛块，分别对应硅片圆周处端面与倒角面的抛光，在边抛鼓进行圆周运动的同时，各边抛块在配重块的向心力作用下压紧硅片，起到对外圆周抛光的作用。边抛鼓边抛液边抛块边抛块硅片图 2圆周边缘抛光原理示意图Fig.2Principle schematic of peripheral edge polishing1.2实验实验采用 p 型硅单晶片，厚度为(45010)m，R 型倒角，倒角角度为 222，倒角轮廓半径 R=0.23 mm。边缘抛光设备采用 BBS 公司生产的高精度抛光机，采用 EP4000C1 与纯水体积比为1 8的混合液作为边抛液，该比例下边抛液 pH 值约为11。加工过程中 V 槽边抛角度为 38，使用 7 N 压力在 750 r/min 转速下进行加工，圆周处抛光则使用220 r/min的转速进行加工。使用激光扫描共聚焦显微镜测量硅片边缘的过抛量与表面粗糙度，使用轮廓仪测量边缘抛光前后硅片倒角角度的变化，最后使用拉曼光谱表征边缘抛光对硅片边缘残余应力的影响。2结果与分析2.1V槽处抛光角度对硅片边缘质量的影响通常情况下，倒角加工后的硅片倒角截面(以 R 型倒角为例)如图 3(a)所示，边缘抛光过倒角截面边抛垫2 2 2 2(a)硅片倒角后截面图(b)硅片V槽边缘抛光示意图图 3硅片 V 槽边缘抛光原理示意图Fig.3Principle schematics of notch edge polishing ofsilicon wafers武永超等:200 mm 超薄硅片边缘抛光技术=March2023Semiconductor Technology Vol48 No3215程中硅片随着吸盘相对抛光布旋转一个角度使得 V槽处全部倒角面均接触边抛垫，起到边缘抛光的作用，如图 3(b)所示。当该摆动角度较小时，硅片倒角面与其表面交接处易出现抛不净的情况;而摆动幅度较大时，边抛垫与硅片表面直接接触，产生过抛现象，导致硅片报废。采用激光扫描显微镜对硅片表面粗糙度与过抛量进行测量，通过一束激光对样品表面进行逐点扫描进而还原其表面形貌并计算出选定微区内的表面粗糙度。图 4 为通过改变抛光角度，在 7 N 压力与750 r/min 转速下进行 V 槽边缘抛光后的测试结果。从图 4 中可以看出，随着抛光角度的增加，V 槽处的表面粗糙度明显下降，抛光后仅约为 0.5 m。(a)未边缘抛光(b)抛光角度3 4(c)抛光角度3 6(d)抛光角度3 8(e)抛光角度4 0(f)抛光角度4 2 1.00.80.60.45 0 04 5 04 0 03 5 03 0 02 5 03 43 63 84 04 2抛光角度1()粗糙度1 m过抛量1 m粗糙度过抛量(g)边缘抛光角度对V槽粗糙度及过抛量的影响图 4不同边缘抛光角度对 V 槽边缘质量的影响Fig.4Influence of different edge polishing angles on theedge quality of notches当抛光角度小于 36时，V 槽边缘存在抛不净现象，表面粗糙度约为 0.8 m，这种抛不净现象极易在后续外延加工过程中导致层错的产生，即所谓的边缘白线。当边缘抛光角度大于 38后，V 槽处表面粗糙度稳定在 0.5 m 左右，而随着抛光角度的增加，V 槽处过抛量由 250.603 m 增加至465.690 m，增加趋势明显，且当抛光角度大于40时，过抛量已超过 400 m，将会影响后续工序加工。(a)未边缘抛光(b)压力5 N(c)压力6 N(d)压力7 N(e)压力8 N(f)压力9 N1.00.90.80.70.60.54 2 04 0 03 8 03 6 03 4 03 2 03 0 02 8 02 6 02 4 02 2 02 0 056789压力/N粗糙度/m过抛量/m粗糙度过抛量(g)抛光压力对V槽粗糙度及过抛量的影响图 5不同抛光压力对 V 槽边缘质量的影响Fig.5Influence of different polishing pressures on the edgequality of notches2.2V槽处抛光压力对硅片边缘质量的影响不同抛光压力下 V 槽处表面粗糙度与过抛量测试结果如图 5 所示，其中抛光角度与转速分别为38和 750 r/min。可以看出随着抛光压力的增加，硅片边缘的表面粗糙度逐渐降低，当抛光压力为5 N时，硅片边缘表面粗糙度达到 0.943 m，而随武永超等:200 mm 超薄硅片边缘抛光技术=216半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月着抛光压力增加至 7 N 以上时，硅片边缘表面粗糙度稳定在 0.5 m 左右。但当抛光压力增加至 7 N以上时，硅片边缘过抛量有所增加，从 222.079 m最终增加至 397.227 m。这是由于当抛光压力提高时，硅片与边抛垫的接触面积随之增大，导致边缘处硅片表面与边抛垫直接接触，造成一定的过抛。(a)未