硅外延片背面邊緣異常黑斑原因分析及研究

彭永純，邊 娜

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

外延片的電參數(shù)、缺陷及均勻性與器件關鍵參數(shù)直接相關，進而決定了器件的成品率[1]。為了更大程度地提高材料使用率，客戶對外延片的邊緣提出了更高的要求，邊緣缺陷少便成為其中一項重要隱含要求。類似外延片邊緣經(jīng)常出現(xiàn)的霧缺陷[2]及滑移線等受到了較強關注，與此同時，邊緣其他異常現(xiàn)象也引起關注。本文介紹的背面邊緣黑斑現(xiàn)象則為邊緣檢驗發(fā)現(xiàn)的一類異常。

1 問題來源

檢驗員在進行外延片表面及背面檢驗過程中發(fā)現(xiàn)硅外延片背面邊緣異常。異常區(qū)域在日光燈下為黑色斑塊，如圖1所示，在強光燈下則反射白光，如圖2所示，似異物沾污。

圖1 日光燈下的異常片F(xiàn)ig.1 Abnormal wafer under daylight

圖2 強光燈下的異常片F(xiàn)ig.2 Abnormal wafer under highlight

2 原因分析及結果判定

2.1 異物沾污

首先，由于外延生產(chǎn)中所使用吸筆和頂筆等非破壞性檢測無法感受到異物的存在，將異常外延片進行水洗及酸洗，判定是否為可清洗沾污導致。經(jīng)清洗原黑斑無變化，未被清洗掉，證明該異常為非水洗及酸洗可清除的異物。

其次，考慮此黑斑是否為沾污導致，采用破壞性方法嘗試，使用小刀在黑斑處反復刮蹭，發(fā)現(xiàn)黑斑無法經(jīng)機械方式去除。

經(jīng)過以上實驗，結論為此黑斑非異物沾污導致。

2.2 晶棒原生缺陷

根據(jù)GB/T 14142—1993《硅外延層晶體完整性檢驗方法 腐蝕法》[3]對外延片進行腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察缺陷，圖像如圖3所示，并未發(fā)現(xiàn)硅單晶缺陷。結論為此黑斑非晶棒原生缺陷。

圖3 腐蝕后的金相顯微鏡下的異常片F(xiàn)ig.3 Abnormal wafer under OM after etching

2.3 硅單晶襯底片加工缺陷

由于前期發(fā)現(xiàn)的異常片為顧客來料加工襯底片，全檢剩余襯底片并未發(fā)現(xiàn)類似外延片黑斑異常，重復檢驗襯底邊緣，強光燈下發(fā)現(xiàn)對應外延黑斑位置處的襯底邊緣有白絲，但僅在邊緣，并未出現(xiàn)在背面，且日光燈下觀察不到。隨即檢驗其他廠家襯底片，也發(fā)現(xiàn)有類似白絲，使用此類襯底片產(chǎn)出的外延片并未出現(xiàn)背面黑斑現(xiàn)象，且均檢驗合格無其他異常。

2.4 原因再探索

自從此異常片發(fā)現(xiàn)后，便要求檢驗員全數(shù)檢驗外延片背面。后期又出現(xiàn)了同樣的異常片，表現(xiàn)為不同襯底片，相同位置、相同形態(tài)，但黑斑大小稍有不同，經(jīng)過反復觀察發(fā)現(xiàn)，黑斑均出現(xiàn)在背面邊緣背封層去邊處，止于背封處，初步懷疑與襯底片倒角工藝[2]有關。

經(jīng)過與襯底加工廠家溝通，還原倒角工序，發(fā)現(xiàn)在襯底倒角過程中，倒角砂輪從起點到終點有可能存在過度研磨的現(xiàn)象，且過度研磨的位置與黑斑出現(xiàn)的位置一致。進一步確定了此現(xiàn)象與襯底片倒角工藝有關。

重復在金相顯微鏡下觀察異常位置，發(fā)現(xiàn)異常處并不平滑，而是呈現(xiàn)出腐蝕狀。若為倒角過度研磨導致，異常處不應有此腐蝕狀出現(xiàn)，故此問題的根本原因仍需繼續(xù)調查。

由于出現(xiàn)此異常片的數(shù)量較小，無法統(tǒng)計出現(xiàn)規(guī)律，我們將留存的測試片背面針對相同位置進行整盒檢驗，各外延爐均取相同數(shù)量的測試片進行檢驗，出現(xiàn)黑斑的數(shù)量如表1所示。

表1 各外延爐異常片統(tǒng)計Tab.1 Amount of abnormal wafers of different EPI equipment

以上可知，外延爐3無此類異常出現(xiàn)。對比各外延爐工藝，結合腐蝕狀邊緣的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)外延爐1及外延爐2的工藝中均包含HCL拋光工藝，而外延爐3的工藝中不含有HCL拋光。

結合襯底片倒角邊過度研磨及外延工藝中HCL的介入，過度研磨的區(qū)域與其他區(qū)域的腐蝕速率及吸硅速率不同，便會在燈光下出現(xiàn)表面顏色的不同，并出現(xiàn)在顯微鏡下觀察到的腐蝕狀的邊緣。另外，由于HCL與SiO2不反應，故黑斑只出現(xiàn)在去邊處。

3 結 論

外延片邊緣異常黑斑產(chǎn)生需要具備兩個條件：襯底片倒角過度研磨及外延工藝中存在HCL拋光。但需注意的是，此黑斑只存在于去邊處，對器件工藝不會產(chǎn)生影響。