異質外延用硅單晶片邊緣質量控制技術研究

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(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

0 引 言

異質外延通常用于生長難以獲得體單晶的晶體薄膜或用于不同材料的晶體整合。異質外延在LED、高性能光電集成電路等多種領域存在廣泛應用。異質外延通常采用藍寶石、Si、SiC等作為襯底材料。Si襯底因具有良好的導電、導熱性、晶體質量高、成本低、易解離、易得到大面積高質量商業(yè)化襯底以及硅器件易于集成等優(yōu)點而受到廣泛關注。但在Si襯底上進行異質外延生長時，主要存在兩個方面的問題：(1)Si與異質外延層間存在晶格失配，易使異質外延層出現(xiàn)大量位錯；(2)Si與異質外延層間，因熱膨脹系數(shù)不同，易產(chǎn)生熱失配[1-4]。以GaN為例，為實現(xiàn)硅襯底上進行GaN異質外延生長，通常在硅襯底上先生長一層緩沖層，緩解Si、GaN之間的晶格失配以及熱失配，該緩沖層可以選擇氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)材料[5-8]。Si襯底質量直接影響緩沖層的成核質量，若緩沖層的成核質量不好，則將嚴重影響異質外延層的質量，出現(xiàn)外延層錯或多晶現(xiàn)象。對于Si基異質外延生長，硅片的邊緣質量對緩沖層的成核質量有著直接的影響，因此，必須對硅片的邊緣質量進行嚴格控制。

對于同質外延，通常采取兩步倒角工藝對晶片邊緣進行倒角，以降低晶片邊緣粗糙度，以解決外延生長過程中熱應力造成的滑移線缺陷，亦有報道采用特殊結構砂輪加工硅片以消除厚層外延層邊緣滑移線[9]。在異質外延邊緣質量控制方面，目前尚無相關文獻專利報道。本文從異質外延用Si單晶片邊緣粗糙程度以及邊緣損傷層控制兩方面入手，建立邊緣質量控制模型，并通過工藝試驗進行驗證，提升了硅片邊緣質量，滿足了異質外延的使用要求。

1 試驗

1.1 片源

導電類型：P型；

晶向：<111>；

直徑：150±0.3 mm；

厚度：800±10 μm；

表面狀態(tài)：硅切片。

1.2 試驗模型

硅片的邊緣形貌由倒角砂輪決定，并由具體的倒角工藝決定硅片的邊緣損傷層深度以及邊緣粗糙度。依據(jù)倒角工藝的特點，設計了圖1所示的邊緣形貌控制模型。在試驗過程中，針對砂輪類型、砂輪目數(shù)、圈去除量以及倒角步驟等進行工藝設計，并進行對比分析。在試驗過程中，使用W-GM-4200型全自動倒角機對硅片進行邊緣倒角，經(jīng)后續(xù)的研磨、化學腐蝕以及單面拋光后，使用MX51型微分干涉顯微鏡對硅片邊緣進行測試分析。

圖1 硅片邊緣形貌控制模型

2 結果與討論

2.1 砂輪類型對硅片邊緣質量的影響

經(jīng)倒角加工后，硅片邊緣呈現(xiàn)出圓弧形(R-Tye)或梯形(T-Type)。通常選用圓弧形砂輪對硅片進行邊緣倒角，以實現(xiàn)邊緣磨削效率的提升[10-12]。試驗中，選取了圓弧形砂輪對硅片進行倒角。

砂輪分為電鍍型和燒結型兩種，與電鍍型砂輪相比，燒結型砂輪磨料分布更均勻，在倒角過程中，更容易保證硅片邊緣均勻加工，實現(xiàn)對硅片邊緣損傷層深度以及邊緣粗糙度的控制。因此，使用燒結型砂輪倒角有利于硅片邊緣質量控制。

2.2 砂輪目數(shù)對硅片邊緣質量的影響

在本研究中，分別使用2000#、3000#粒度的燒結型砂輪對硅片進行邊緣倒角，并經(jīng)相同的研磨、腐蝕以及拋光等工藝進行加工，使用微分干涉顯微鏡下觀察硅片邊緣情況，結果如圖2所示。圖2a)為使用2000#砂輪倒角的拋光片觀察結果，圖2b)為使用3000#砂輪倒角的拋光片觀察結果。

圖2 微分干涉顯微鏡觀察結果

度數(shù)越大，對應的磨料粒徑越小，平均磨削厚度也將隨之減小。3000#倒角砂輪對應的磨料粒徑約為(3～4)μm左右，而2000#倒角砂輪對應的磨料粒徑約為(6～8)μm左右。在同樣的加工條件下，使用3000#倒角砂輪進行倒角的硅片其損傷層深度遠小于使用2000#倒角砂輪進行倒角的硅片。在后續(xù)的拋光過程中，在拋光液的化學作用下，使用3000#倒角砂輪進行倒角的硅片其邊緣更容易達到較小的粗糙程度，邊緣粗糙度與表面粗糙度更接近，不容易吸附顆粒等污染物。

2.3 圈去除量對硅片邊緣質量的影響

在倒角過程中，硅片、砂輪做圓周運動，同時做相對運動而實現(xiàn)對硅片的邊緣倒角。如圖3所示，當中心區(qū)域達到Dc的去除量，其上部、下部的去除量D1必然大于Dc。對于R型倒角，其砂輪的輪廓如圖D1、Dc的關系如公式(1)所示。

圖3 硅片邊緣初次成形示意圖

(1)

其中，T為硅片厚度;r為圓周半徑;θ為砂輪的半角角度。

從公式1可以看出，對于同一硅片、同一砂輪而言，D1隨Dc的增大而增大，為控制硅片邊緣狀況，應盡可能降低圈去除量(即2Dc)，D1與Dc之間的差異也隨之減小。圖4給出了不同圈去除量下硅片邊緣情況，從圖中可以圈去除量為0.4 mm時，硅片邊緣較好。

圖4 圈去除量對邊緣質量的影響

2.4 倒角步驟對硅片邊緣質量的影響

經(jīng)滾圓、多線切割工序后，硅片邊緣損傷層深度較深，倒角工序必須保證硅片邊緣去除量，才能使硅片的邊緣損傷層以及粗糙度達到與表面相比的程度。若采用一種粒度較大的砂輪進行倒角，則邊緣損傷層深度較深且粗糙度較大，但效率較高；若采用一種粒度較小的砂輪進行倒角，盡管邊緣損傷層深度較小，但效率較低。因此，需要采用兩種不同粒度的砂輪對硅片進行倒角，具體如圖5所示。

圖5 二次倒角示意圖

圖6(a)、圖6(b)分別為800#砂輪二次倒角、3000#砂輪二次倒角硅片拋光后的顯微鏡觀察結果。從圖中可以看出，采用粒度較小的砂輪進行二次倒角，硅片邊緣較好。

圖6 倒角邊緣對比圖

3 結 語

異質外延生長時，由于襯底與異質外延層間存在的巨大晶格失配以及熱失配，硅片邊緣粗糙度以及損傷層深度成為制約異質外延技術發(fā)展的一個主要因素，通過本文的工藝試驗，可以得出以下結論：

(1)采用小粒度砂輪進行倒角，可以有效降低硅片邊緣損傷層深度，以及邊緣粗糙度。

(2)采取較小的圈去除量，可以獲得較平整的硅片邊緣形貌。

(3)采取不同粒度砂輪組合對硅片進行二次邊緣倒角，可以實現(xiàn)提升效率以及邊緣形貌的雙重控制。

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