不同生產(chǎn)工藝對硅片表面翹曲及機械性能的影響

劉 洋，劉玉玲

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300000)

由于半導體技術(shù)不斷向高集成度、高性能、低成本和系統(tǒng)化方向發(fā)展，半導體在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中的應用更加廣泛。而高純度的金屬硅（≥99.99%）是生產(chǎn)半導體的材料，也是電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料。摻雜有微量硼、磷等元素的單晶硅可用于制造二極管、晶體管及其他半導體器件。單晶硅片多用于制造集成電路的襯底材料，而硅片的表面質(zhì)量則直接影響著器件的性能、成品率及壽命。在把單晶硅棒加工成拋光片通常需要至少6 道機械加工、兩道化學加工和1～2 道拋光工藝。隨著硅片尺寸的增大，對于硅片的平整度及機械強度有著更加高的要求，但是磨削加工會不可避免地損傷硅片表面，該損傷會影響硅片強度，降低成品率和加工效率。因此，如何提高硅片的平整度及機械強度是硅片研磨的一個重要問題。

集成電路和其他硅器件在高溫工藝中，硅片的翹曲和彎曲現(xiàn)象是普遍存在的，它是器件工藝中最嚴重，最困難的問題之一。硅片的翹曲會給復雜線路圖的光刻工藝帶來困難，超過10%翹曲會使得3種線寬工藝難以順利進行，特別是在微米及亞微米級的圖形工藝中，對硅片的平整度要求極為嚴格。隨著集成電路線寬的逐漸減小及硅片的直徑的增大，硅片的翹曲及彎曲問題已顯得更為重要。

硅片的翹曲和彎曲是器件在高溫的工藝過程中熱應力導致塑性變形的結(jié)果。當作用在滑移面上的剪切應力高于臨界剪切應力時，會在垂直界面上產(chǎn)生單方向的滑移，即出現(xiàn)宏觀的塑性形變。一般認為硅片的翹曲度和在高溫工藝中升降溫速率氧含量等因素有關(guān)，本文通過對不同加工工藝的單晶硅片的翹曲或彎曲度的實驗，來了解硅片翹曲度與機械強度之間的關(guān)系。

1 實 驗

1.1 樣品制備

取4 顆由不同直徑硅單晶經(jīng)線切割后的硅片，硅片厚度0.45 mm，每顆20 片。對硅片進行金剛砂研磨處理，研磨至0.400～0.405 mm，經(jīng)清洗后確認表面無劃傷。接著對一部分實驗用的硅片用HF 等混合液將硅片表面腐蝕去掉一定厚度，使得硅片具有一定的表面狀態(tài)。

分別取一定數(shù)量的硅片測定熱處理前的表面平整度及抗彎強度，其余的硅片進行1 200 ℃，2 h的高溫熱處理工藝，然后自然冷卻。如表1。

1.2 抗彎強度

對得到的硅片進行抗彎強度測試，根據(jù)得到的彎曲度的變化來確定硅片的機械性能。

表1 不同單晶進行不同工藝處理的片數(shù)

1.2.1 實驗1

對于同一段單晶切割后的硅片在進行不同的處理后，硅片的抗彎強度及表面彎曲度的變化測試結(jié)果如表2。

表2 同一顆單晶進行不同處理的測試結(jié)果

同一單晶制成的硅片，由于加工方式不同，表面損傷狀況不同，導致硅片的抗彎強度出現(xiàn)明顯的差別。熱處理前后，彎曲度變化測試結(jié)果表明表面損傷小、抗彎強度高的硅片彎曲度變化小。

1.2.2 實驗2

對相同直徑，不同方式生產(chǎn)的（直拉（CZ）區(qū)熔(FZ)）硅單晶的研磨片及熱處理后的單晶片進行抗彎強度測定結(jié)果如表3。

表3 不同方式生產(chǎn)的單晶片的測試結(jié)果

表3 的結(jié)果進一步說明了表面狀態(tài)對抗彎強度及彎曲度變化的影響外，還反映了不同品種的硅片，抗彎強度高者，熱處理前后彎曲度變化較小。

1.2.3 實驗3

不同單晶制備工藝及尺寸對抗彎強度和彎曲度的影響，如表4。

表中數(shù)據(jù)位不同尺寸的單晶研磨片和腐蝕片因為生產(chǎn)工藝不同，抗彎強度及熱處理前后的彎曲度變化是有差別的?？箯潖姸却蟮模瑹崽幚砬昂髲澢容^小。

表4 不同工藝的單晶測試結(jié)果

2 數(shù)據(jù)分析

硅器件高溫工藝過程中，硅片的翹曲或彎曲是各種應力引起的塑性形變的結(jié)果，由于產(chǎn)生這些應力的原因很多，除了硅器件高溫工藝因素外，單晶硅本身的內(nèi)在因素，如單晶生產(chǎn)及硅片加工工藝，硅片表面損傷，硅片位錯密度及氧、氮等雜質(zhì)含量及形態(tài)也會引起應力。

硅高溫塑性形變是位錯在〈111〉面上滑移的結(jié)果，晶體中原有位錯以及在高溫工藝中新產(chǎn)生的位錯及他們的運動對單晶硅片層的滑移起著關(guān)鍵的作用，如硅片的表面損傷，內(nèi)部細微裂紋及其它缺陷或第二相沉淀。因為存在的應力場降低了位錯成核的能量，大量形成新的位錯，這些位錯進行著機械的增殖和運動，最終導致硅片宏觀上的滑移形變。表2 和表3 實驗結(jié)果證明了上述分析，表3 中，直拉單晶的研磨硅片和化腐硅片比區(qū)熔單晶的研磨硅片和化腐硅片的彎曲度變化都小，這是因為直拉單晶硅中含有比區(qū)熔單晶硅中高兩個數(shù)量級的氧，氧與硅形成的硅氧絡合物集團對位錯有著釘孔作用，使直拉單晶硅中的位錯增殖和運動受阻，難以滑移形變所致。而區(qū)熔單晶硅中因缺少這種硅氧絡合物產(chǎn)生的應力，位錯運動及增殖所需的臨界應力較低，所以抗彎曲能力較弱。

硅片加工和硅器件生產(chǎn)流程中，硅片碎裂通常是沿〈111〉面碎裂，斷裂面一般都是整齊的〈111〉面。在抗彎強度測試中，無論是研磨片還是化腐片，〈111〉硅片的斷口通常呈60°或120°。研磨硅片由于表面損傷比較嚴重，在較低的外力下，就達到表面裂紋擴張的極限應力，硅片呈現(xiàn)大片的解離破碎，硅片的強度較低。化腐硅片表面存在較小的損傷或裂紋，拋光片表面的損傷和裂紋已去除，但硅片內(nèi)部還存在缺陷和細微裂紋，在進行拉伸強度測試中，會由于內(nèi)部這些較小的裂紋或細微的裂縫尺寸決定硅片碎裂所需的最小外應力，所以拋光片的強度比化腐片的高，化腐片強度比磨片高。而由于直拉硅中含硅氧絡合物，阻礙了大部分的位錯運動，限制了硅片內(nèi)部細微裂紋的形成和成長，使得直拉硅碎裂所需的外力比區(qū)熔硅碎裂所需的外力大。所以抗彎強度的高低反應了硅片在常溫下機械性能的好壞。

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，硅片在高溫下的形變翹曲度的大小和在常溫下碎裂是由于〈111〉面上的位錯滑移或〈111〉面上的解離所致，高溫下的翹曲度與常溫下的抗彎強度之間的關(guān)系密切。各組對比實驗可以看出,硅片的表面損傷情況，單晶硅內(nèi)氧的含量及形態(tài)。不同生產(chǎn)工藝等因素對硅片抗高溫變形及抗破碎能力的影響是完全一致的。凡是熱處理后彎曲度變化小的，抗彎曲強度都比較大，即硅片的抗彎強度的大小可以間接反映硅片在高溫器件工藝中的抗彎變形能力。這對以后在硅片及后續(xù)器件的生產(chǎn)中控制彎曲度有很大的參考價值。

3 結(jié) 論

(1)硅片表面損傷狀況，氧含量及單晶硅的生長和加工工藝等條件對硅片高溫抗變形能力及機械性能的影響規(guī)律是一致的，抗彎曲強度小的硅片，翹曲變形都比較嚴重。

(2) 高溫翹曲或彎曲度與常溫抗彎曲強度關(guān)系密切。硅片抗彎曲度的大小可以預示它的翹曲程度。

[1] 李見. 材料科學與基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2] 梁志德，王福. 現(xiàn)代物理測試技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2003.