索開南

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

P/P+外延片作為基片，在后續(xù)器件制備過程中會(huì)伴隨著多個(gè)快速變溫過程，如果基片存在較大的內(nèi)應(yīng)力，在快速變溫過程中內(nèi)應(yīng)力就會(huì)得到釋放，從而導(dǎo)致基片的形變，這種形變的產(chǎn)生將會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能，甚至根本無法完成流片。在硅圓片中有多種原因可以導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生，比如硅片表面的物理損傷，位錯(cuò)、多余的空隙和雜質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)力，外界材料生長等都可以產(chǎn)生應(yīng)力。晶片加工過程中晶片內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生與累積會(huì)比較及時(shí)的表現(xiàn)在幾何參數(shù)的變化上，所以本文通過對P/P+外延片制備過程中各個(gè)工藝晶片總厚度變化（TTV）、彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP）等幾何參數(shù)變化的研究，來探究晶片加工過程中內(nèi)應(yīng)力的累積情況以及器件制備過程中基片形變的根源和機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)方法

本文所研究實(shí)驗(yàn)樣品的主要制備工藝包括線切割、研磨、化學(xué)腐蝕、背面軟損傷、二氧化硅背封、化學(xué)機(jī)械拋光以及外延生長等。

在同一批次的加工過程中，分別選取多個(gè)樣品（大于5個(gè)）測量其幾何參數(shù)變化，包括總厚度變化、翹曲度、彎曲度等。選樣階段包括襯底片化學(xué)腐蝕后，襯底片背損背封后、襯底片拋光后、外延生長后以及將外延片的背封層漂掉后五階段。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1～圖5為同一批樣品分別在襯底片化學(xué)腐蝕后、襯底片背損背封后、襯底片拋光后、外延生長后以及將外延片的背封層漂掉后五階段的TTV、WARP、BOW 測量值。

圖1 襯底片化學(xué)腐蝕后幾何參數(shù)測試結(jié)果

化學(xué)腐蝕片幾何參數(shù)測量抽樣20片，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，幾何參數(shù)值比較理想。TTV很小，變化范圍在0.26～0.77學(xué)m之間；BOW值變化范圍在0.2～2.6 μm之間，也遠(yuǎn)小于普通樣品；WARP值變化范圍在4～11 μm之間。

圖2 襯底背損背封片幾何參數(shù)測試結(jié)果

圖2的測量樣品為18片，圖2中的1～18號樣品與圖1中的3～20號樣品一一對應(yīng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看TTV變化范圍在0.27～1.83 μm之間平均值變化不大；BOW值變化范圍在1～6.6 μm之間，較前一道工序有了明顯的增加；WARP值變化范圍在5.9～13.6 μm之間，較前一道工序也有了明顯的增加。根據(jù)BOW和WARP的變化可以推斷在背損背封的晶片加工過程有了應(yīng)力的累積。

圖3 襯底拋光片幾何參數(shù)測試結(jié)果

前兩次測量樣品整批經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光后，隨即抽取6片樣品，測得的TTV變化范圍在1.71～3.02 μm之間，增加很多；BOW值變化范圍在0.2～6.1 μm之間，變化不大；WARP值變化范圍在13～19.8 μm之間，較前一道工序增加明顯，化學(xué)機(jī)械拋光對晶片的幾何參數(shù)影響很大。

該批樣品經(jīng)過外延生長后隨機(jī)抽取的6片樣品的TTV變化范圍在1.29～3.61 μm之間，與前一道工序測量結(jié)果相比變化不大；BOW值變化范圍在3.9～8.5 μm之間，與前一道工序測量結(jié)果相比增大明顯；WARP值變化范圍在12～16.6 μm之間，與前一道工序測量結(jié)果相比不僅沒有增加，反而有了明顯下降。從彎曲度和翹曲度的變化可以肯定，外延工藝對晶片的內(nèi)應(yīng)力有較大的累積作用。

圖4 外延片幾何參數(shù)測試結(jié)果

為了驗(yàn)證外延工藝對內(nèi)應(yīng)力的影響是削弱還是增強(qiáng)，與前面同樣采用化學(xué)氣相沉積法生長的SiO2背封層工藝?yán)鄯e的應(yīng)力有無較大的關(guān)聯(lián)，將圖4測量的樣品用很稀的HF水溶液浸泡，直至將SiO2背封層全部清洗掉，用去離子水沖洗干凈后再進(jìn)行幾何參數(shù)測量，測量值如圖5所示（圖5中樣品與圖4中樣品完全相同，且編號一一對應(yīng)）。

圖5 漂掉背封層后外延片幾何參數(shù)測試結(jié)果

圖5中的測量值BOW值變化范圍在19.5～24.9 μm之間，比漂洗前增加了幾倍；WARP值變化范圍在19.3～22.8 μm之間，與前一道工序測量結(jié)果相比也有成倍的增加。

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比的直觀性，將1～5階段（化學(xué)腐蝕片、背損背封片、襯底拋光片、外延片、將外延片的背封層漂掉片）測量結(jié)果的平均值列于表1。

表1 各階段樣品幾何參數(shù)測量值的平均值統(tǒng)計(jì)表

2.2 結(jié)果分析

從圖1～圖3及表1的數(shù)據(jù)中可以看出，隨著加工的進(jìn)行，晶片的TTV、WARP、BOW測量值有逐漸增大的趨勢，也就是應(yīng)力隨著加工的進(jìn)行有逐漸累積的趨勢，但經(jīng)過外延生長后，外延片的WARP不僅沒有比投入的襯底拋光片增大，反而有所緩和，從測試結(jié)果上看，外延的氣相沉積過程對之前的幾何形變有矯正作用。但這種矯正并不能認(rèn)為是應(yīng)力的消除。因?yàn)閷⑼庋悠湃際F酸中將SiO2背封層去除，這時(shí)的WARP值和BOW值都翻倍提高。

本文認(rèn)為TTV變化與應(yīng)力關(guān)系不大，關(guān)鍵是WARP和BOW和應(yīng)力變化有較大的關(guān)聯(lián)。為了便于對WARP和BOW隨工藝的變化進(jìn)行對比，特繪制了圖6和圖7。

圖6 相同批次樣品3、4、5階段翹曲度變化

圖6為3、4.、5三個(gè)階段的WARP測量值變化對比結(jié)果（單位為μm）。1為具有背封層的襯底拋光片翹曲度測量結(jié)果；2為同批次襯底拋光片經(jīng)過外延生長后的翹曲度測量值；3為外延片洗掉背封層后的翹曲度測量值。

圖7為3、4.、5三個(gè)階段的BOW測量值變化對比結(jié)果（單位為μm）。1為具有背封層的襯底拋光片彎曲度測量結(jié)果；2為同批次襯底拋光片經(jīng)過外延生長后的彎曲度測量值；3為外延片洗掉背封層后的彎曲度測量值。從圖7中可以確認(rèn)，4階段到5階段晶片彎曲度的增量也要遠(yuǎn)高于3階段到4階段彎曲度的增量。

圖7 相同批次樣品3、4、5階段彎曲度變化

背封層和外延層的生長對晶片產(chǎn)生的應(yīng)力屬于外界材料生長都可以產(chǎn)生應(yīng)力，是引起晶片形變，出現(xiàn)彎曲翹曲的明顯變化主要原因。根據(jù)熱膨脹理論，如果兩個(gè)熱膨脹系數(shù)（CTE）不同的物體結(jié)合在一起，在以后的加熱過程中，由于兩種材料以不同的速率膨脹導(dǎo)致他們彼此推拉，因而產(chǎn)生應(yīng)力，由于CTE不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使硅片彎曲，如圖8所示。

圖8 兩種材料組合由于CTE不同引起的形變示意圖[1]

背封材料為 SiO2，襯底材料為Si，SiO2的熱膨脹系數(shù)是 5.6×10-7/K，Si的熱膨脹系數(shù)是 3×10-6/K，所以SiO2/Si組合會(huì)出現(xiàn)圖8（c）的彎曲現(xiàn)象。因?yàn)樯L本身就是加熱過程，所以淀積膜的生長過程就會(huì)伴隨產(chǎn)生晶片的形變，就出現(xiàn)了背封后晶片的WARP、BOW明顯增大的現(xiàn)象。當(dāng)經(jīng)過背封后的襯底片再進(jìn)行外延生長工藝時(shí)，外延片的WARP和BOW又有所減小，本人認(rèn)為產(chǎn)生原因主要有兩種，一種是氣相沉積法生長會(huì)有凹處擇優(yōu)生長的趨勢，另一種是重?fù)絾尉Ш颓鍝絾尉У腃TE差距導(dǎo)致雙淀積膜產(chǎn)生的晶片形變相互抵消。

去掉背封層后的測量結(jié)果顯示彎曲度和翹曲度都有了成倍的增加，說明后一種的可能性比較大，外延生長后翹曲度的表面好轉(zhuǎn)僅僅是多種力相互作用的結(jié)果。

通過測試結(jié)果，我們認(rèn)為P/P+外延片的內(nèi)應(yīng)力主要產(chǎn)生在背損背封以及外延生長兩個(gè)工藝，而且兩個(gè)工藝內(nèi)應(yīng)力共同起作用后，會(huì)表現(xiàn)出翹曲度變好，彎曲度變化不明顯的表象，而內(nèi)部產(chǎn)生的形變能量并沒有削弱，因此當(dāng)將一方全部去除后，幾何參數(shù)會(huì)急劇變差。

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，隨著加工的進(jìn)行，晶片的TTV、WARP、BOW測量值有逐漸增大的趨勢，也就是應(yīng)力隨著加工的進(jìn)行有逐漸累積的趨勢。背封后的晶片，由于SiO2和Si的熱膨脹系數(shù)差異，WARP和BOW的測量值增大明顯，但是經(jīng)過外延生長工藝后會(huì)表現(xiàn)出翹曲度變好，彎曲度變化不明顯的表象，主要原因是雙淀積膜產(chǎn)生的晶片形變相互作用，出現(xiàn)了抵消現(xiàn)象。故將一方全部去除后，幾何參數(shù)又急劇變差。根據(jù)研究結(jié)果，我們認(rèn)為影響P/P+外延片的內(nèi)應(yīng)力的關(guān)鍵因素為背損背封以及外延生長兩個(gè)工藝的應(yīng)力累積，必須在關(guān)鍵工藝上采取嚴(yán)格的控制措施，才能解決器件制備過程中基片的形變現(xiàn)象。

[1]Michael Quirk，Julian Serda，半導(dǎo)體制造技術(shù)，電子工業(yè)出版社，P93-94。