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CN111261496B - 一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法 - Google Patents

一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法 Download PDF

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CN111261496B CN201811462145.8A CN201811462145A CN111261496B CN 111261496 B CN111261496 B CN 111261496B CN 201811462145 A CN201811462145 A CN 201811462145A CN 111261496 B CN111261496 B CN 111261496B
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Abstract

本发明公开了一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法。该方法包括以下步骤：(1)在衬底晶圆背表面粘贴一层聚四氟乙烯掩蔽蓝膜；(2)经过表面清洗，将衬底晶圆放入酸腐蚀机的酸液中进行一次表面腐蚀，去除部分正表面损伤层；(3)经过表面清洗，进入去膜机去除掩蔽蓝膜；(4)再次经过表面清洗，清洗后的衬底晶圆再次进入酸腐蚀机的酸液中进行二次表面腐蚀，去除正表面损伤层和部分背表面损伤层；(5)再次经过表面清洗后，衬底晶圆腐蚀加工完成。该方法能够降低腐蚀片正表面损伤层深度，大大降低抛光加工去除量，同时使腐蚀片背表面保留吸杂作用，提高了抛光加工效率，简化了加工流程，提高了产品质量，降低了生产成本。

Description

一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法
技术领域
本发明涉及一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法，这种方法特别适用于半导体6、8英寸单面抛光工艺衬底材料制备的腐蚀工序，属于半导体材料技术领域。
背景技术
为满足集成电路工艺与技术要求，需要将质量合格的单晶棒加工成不同规格要求的抛光晶圆。整个抛光晶圆的制备过程比较复杂，加工工序多，生产周期长。通常有切片、倒角、研磨、腐蚀、抛光等几个主要加工工序。
切片加工是将单晶晶棒切割成一定厚度的薄晶片，目前广泛采用线切割方式，切割过程中使用钢线携带碳化硅砂浆，钢线带着砂粒在单晶棒表面进行往复式研磨式切割，切割的同时控制钢线在晶棒中的位置，直到将整根单晶棒切开。经过切割后的晶圆边缘表面粗糙或是存在缺陷，为增加边缘表面机械强度、减少边缘沾污需要对晶片边缘进行倒角加工，使用精细的砂轮磨削晶片边缘。由于切割后的晶片表面存在表面损伤，因此需要对晶片进行双面研磨加工处理，经过双面研磨加工后晶圆厚度、整体厚度差及损伤层厚度都会大大改善。晶片经过切割、研磨等机械加工后，由于表面机械加工残留的固有应力及机械损伤层，通常采用化学腐蚀剥离的方式去除表面损伤层，尤其是正表面，损伤去除不好还会大大增加抛光工序难度，影响表面抛光质量。
目前大直径衬底晶圆多采用酸腐蚀工艺，使用硝酸、氢氟酸和冰醋酸或磷酸按照一定比例的混合酸在自动化腐蚀设备中完成，其目的是为了去除表面残留的前工序损伤留下的微缺陷及损伤层，以求得到具有较高精度的完美晶体抛光平面。为了确保消除正表面损伤，一般抛光加工量在15-20微米。由于抛光工艺要求较高，设备也相对复杂，加之抛光去除速率非常缓慢，抛光加工成本是整个晶圆生产成本中占比较大的，同时也容易成为整个工序中的产能瓶颈。为了消除晶圆内部多余杂质对晶圆正表面的影响，通常在抛光前还会对晶圆进行背表面吸杂处理。在6、8英寸等大直径晶圆制备中，常见的吸杂方式为背表面喷砂或是多晶，喷砂法是利用喷砂工艺在晶圆背表面形成损伤，损伤处容易形成复合中心，诱捕金属原子。喷砂法工艺简单，设备与生产成本低，在小直径晶圆制备中被广泛使用，由于加工工艺特点，背表面容易留存细微的喷砂颗粒，影响抛光表面颗粒产品质量。多晶法是在背表面沉积多晶，在高温过程中，背表面多晶层与衬底界面处形成高密度氧化层错，起到复合中心作用，达到吸杂效果。多晶工艺相对复杂，设备与加工成本比较高，但是多晶工艺产品避免了喷砂法的颗粒问题，在中大直径晶圆制备中被广泛使用，但是多晶工艺也有自身的弊端，多晶与衬底界面间存在巨大的晶格应力，造成抛光片晶圆产生严重形变，影响晶圆的几何参数。
所以如何能用更简单的生产工艺，批量稳定的生产，开发出进一步降低生产成本的晶圆制备工艺成为各家衬底生产厂家非常关注的核心技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法。该方法特别适用于半导体6、8英寸衬底材料制备工序，降低腐蚀片正表面损伤层深度，大大降低抛光加工去除量，同时使腐蚀片背表面保留吸杂作用，可以替代或部分替代背面喷砂或多晶工艺，从而提高抛光加工效率，简化加工流程，提高产品质量，降低生产成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法，包括以下步骤：
(1)在衬底晶圆背表面粘贴一层聚四氟乙烯掩蔽蓝膜；
(2)经过表面清洗，将衬底晶圆放入酸腐蚀机的酸液中进行一次表面腐蚀，去除部分正表面损伤层；
(3)经过表面清洗，进入去膜机去除掩蔽蓝膜；
(4)再次经过表面清洗，清洗后的衬底晶圆再次进入酸腐蚀机的酸液中进行二次表面腐蚀，去除正表面损伤层和部分背表面损伤层；经过两次酸腐蚀后，衬底晶圆两表面腐蚀去除量不对称，其中背表面去除量为5-20微米，正表面去除量为15-40微米。
(5)再次经过表面清洗后，衬底晶圆腐蚀加工完成。
在该方法中，在衬底晶圆背表面粘贴的一层聚四氟乙烯(PTFE)掩蔽蓝膜，该掩蔽蓝膜在随后的加工过程中保护衬底材料。所述的PTFE掩蔽蓝膜直径、参考面设置与晶圆规格相同，用来实现在酸腐蚀过程中隔绝腐蚀剂，降低背表面腐蚀去除量。
该方法中，衬底晶圆表面腐蚀加工分为两步，首次酸腐蚀过程正表面被腐蚀，去除量为10-20微米，第二次酸腐蚀过程为两侧表面被腐蚀，总去除量为10-40微米。经过两次酸腐蚀后，衬底晶圆两表面腐蚀去除量不对称，其中背表面去除量为5-20微米，正表面去除量为15-40微米。
在该方法中，所述酸液为硝酸、氢氟酸和冰醋酸的混合酸，其中硝酸与氢氟酸的体积比为2-8.3，冰醋酸与氢氟酸的体积比为0.9-3。在所述步骤(2)和所述步骤(4)的腐蚀过程中，酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度为22-40℃。
在该方法中，所述表面清洗过程所用清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶0.5-2∶5-10，适用工作温度范围为16-30℃，优选为22-26℃。去除掩蔽蓝膜所用去膜剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶0.5-2∶5-10，适用工作温度范围为45-70℃，优选为55-65℃。
在本发明中，清洗剂与去膜剂的成分相同，在行业内称为SC-1(或1号液)，是比较常用的清洗用化学试剂。
在本发明中借用此种化学试剂作为处理介质，作为清洗剂时为常温是利用其对硅片表面的清洁作用，处理后的晶圆表面亲水，方便后工序加工。此时常温试剂即可达到预期效果，不需要对试剂进行额外加温处理，优选温度为22-26℃。温度偏低时，处理速度过慢，降低加工效率；温度过高时，会影响掩蔽膜效果，使边缘翘起，造成边缘表面腐蚀。
作为去膜剂使用时，是利用试剂在高温时使掩蔽膜失效从晶圆表面脱离，同时试剂与晶圆表面均匀接触，达到清洁的目的，本发明中利用试剂在高温段的特性，达到去除掩蔽膜的目的，优选温度为55-65℃。温度偏低会降低去膜速度慢，温度过低的时候去膜作用就消失了，达不到去膜的目的；温度过高时去膜速度快，但是温度偏高会造成试剂挥发加快，温度过高时成分过度挥发后，成分配比错误会造成晶圆表面不均匀，造成花片，严重影响产品收率。
在本发明的方法中，酸腐蚀机的腐蚀加工过程为全自动过程，酸腐蚀机的腐蚀槽底部呈倒梯形，腐蚀槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，腐蚀槽内部设有辅助腐蚀的气体鼓泡管；腐蚀过程中载具带动晶圆旋转，晶圆本体的转速为10-45rpm，载具可实现有上下、左右方向运动，各自方向上运动速度为5-60mm/min。
本发明的优点在于：
本发明的酸腐蚀加工方法利用掩蔽蓝膜和分步腐蚀的方式，实现增加正表面腐蚀去除量同时降低背表面腐蚀去除量工艺，实现衬底晶圆的酸腐蚀制备加工。用该方法加工的腐蚀晶圆，正表面损伤层几乎全部被移除，可以大大降低抛光去除量，提高抛光效率；背表面保留一定的表面损伤，使背表面保留有吸杂能力，且抛光后晶圆无应力形变。
采用本发明的酸腐蚀加工方法可以提高抛光加工效率，简化加工流程，提高产品质量，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是在本发明的加工效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1、2所示，在待处理晶圆衬底腐蚀前的晶圆表面上分别有一定厚度的损伤层，为了抛光提供理想腐蚀片晶圆，需要将晶圆衬底正表面损伤层去除，同时保留部分背表面损伤层作为吸杂作用产生来源。
在衬底晶圆背表面粘贴一层PTFE(聚四氟乙烯)蓝膜，蓝膜作为掩蔽膜在随后的加工过程中保护下层的衬底材料。为防止表层残留的化学试剂污染造成表面花片，影响腐蚀片产品收率，需要在经过表面清洗后再进入下一道工序，表面清洗在整个晶圆制备过程中会多次使用。
经过表面清洗后的待加工衬底晶圆进入酸腐蚀机进行酸腐蚀去除正表面损伤层，腐蚀剂为硝酸、氢氟酸与冰醋酸配成的混合酸，混合酸可以与硅发生化学反应，由于有掩蔽蓝膜的保护在首次酸腐蚀加工时背表面损伤层不会被腐蚀去除而保留下来，只有正表面的衬底材料被部分腐蚀去除。
晶圆再次经过表面清洗后进入去膜机，去膜机中高温化学试剂能够使掩蔽蓝膜失去附着能力，与衬底晶圆表面分离，达到去除掩蔽蓝膜的目的。再次经过表面清洗后可以进入酸腐蚀机进行二次酸腐蚀加工，此时的衬底晶圆两面都没有掩蔽蓝膜保护，可以同时与混合酸发生反应。由于首次酸腐蚀加工时只有正表面被腐蚀，背表面有掩蔽蓝膜保护而保留下来，经过此次腐蚀，正表面损伤层基本已经去除干净，而背表面则还残留部分损伤层，残留损伤层在随后加工过程中起到吸杂作用。至此衬底晶圆腐蚀加工工作完成。
实施例
以下是一个腐蚀加工的详细过程：
在晶圆完成研磨和腐蚀前超声波表面清洗加工之后，将晶圆进行表面干燥处理，在待处理晶圆衬底背表面粘贴一层PTFE(聚四氟乙烯)蓝膜，掩蔽蓝膜的直径与参考面设置与衬底晶圆相同。蓝膜作为掩蔽膜在随后的加工过程中保护下层的衬底材料。为防止表层残留的化学试剂污染造成表面花片，影响腐蚀片产品收率，需要在经过表面清洗后再进入下一道工序，表面清洗在整个晶圆制备过程中会多次使用。在本发明中，清洗剂与去膜剂的成分相同，在行业内称为SC-1(或1号液)，是比较常用的清洗用化学试剂。
表面清洗过程所用清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，混合溶液对硅片表面的有清洁作用，处理后的晶圆表面亲水，方便后工序加工。溶液中氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶1∶8，工作温度为22-26℃。在此处理过程中混合溶液常温试剂即可达到预期效果，不需要对试剂进行额外加温处理。
经过表面清洗的衬底晶圆进入酸腐蚀机中进行第一次表面酸腐蚀，酸腐蚀用的酸液为硝酸、氢氟酸和冰醋酸的混合酸，其中硝酸与氢氟酸的体积比为4.5∶1，冰醋酸与氢氟酸的体积比为2.5∶1。在腐蚀过程中酸液循环的流量为150L/min；酸液的温度范围为25-28℃。
酸腐蚀机的腐蚀加工过程为全自动过程，酸腐蚀机的腐蚀槽底部呈倒梯形，腐蚀槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，腐蚀槽内部设有辅助腐蚀的气体鼓泡管；腐蚀过程中载具带动晶圆旋转，晶圆本体的转速为20rpm，载具有上下、左右方向运动，各自方向上运动速度为50mm/min。第一次表面酸腐蚀过程正表面腐蚀去除量为15μm。粘贴了掩蔽蓝膜的待处理晶圆，正表面裸露的部分与混合酸液发生化学反应，背表面被掩蔽膜保护的部分不发生反应而被保留下来。
经过酸腐蚀的衬底晶圆进行表面清洗后进入去膜机去除掩蔽蓝膜。去除掩蔽蓝膜所用去膜剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶1∶8，工作温度范围为55-65℃。衬底晶圆进入溶液时，高温使掩蔽膜失效从晶圆表面脱离，同时试剂与晶圆表面均匀接触，达到清洁接触表面的目的，经过去膜机处理达到去除掩蔽膜的目的。
去膜剂是利用试剂在高温时掩蔽膜失效从晶圆表面脱离的特性，同时试剂与晶圆表面均匀接触，达到清洁接触表面的目的，本发明中利用试剂在高温段的特性，达到去除掩蔽膜的目的。所以优选温度为55-65℃。温度偏低会降低去膜速度慢，温度过低的时候去膜作用就消失了，达不到去膜的目的；温度过高时去膜速度快，但是温度偏高会造成试剂挥发加快，温度过高时成分过度挥发后，成分配比错误会造成晶圆表面不均匀，造成花片，严重影响产品收率。
经过表面清洗后，衬底晶圆进入酸腐蚀机中进行第二次表面酸腐蚀。第二次腐蚀去除量为20μm，此时衬底晶圆两侧表面均与腐蚀剂发生反应，单面去除各为10μm。叠加上第一次表面酸腐蚀的效果，造成正表面腐蚀去除量25μm，背表面腐蚀去除量为10μm。
经过酸腐蚀的衬底晶圆再次进行表面清洗，晶圆衬底腐蚀完成加工。
为了验证发明中描述的工艺效果，采用对比测试的方法进行验证。
对比样品采用传统腐蚀工艺制备，腐蚀设备、腐蚀剂配比与腐蚀工艺条件与实施例相同，在酸腐蚀采用一次腐蚀过程，腐蚀去除量40μm。由于传统腐蚀工艺中衬底晶圆两面同时腐蚀，每面腐蚀去除量均为20μm。随后将传统腐蚀制备样片分成两组，分别进行不同的背面工艺处理。背面经过喷砂工艺处理的产品为喷砂组，背面经过多晶工艺处理的产品为多晶组，背表面不进行其他工艺处理仅使用本发明描述工艺处理的产品为改进组。
验证抛光去除损伤效果采用行业普遍使用的抛光后高温湿氧氧化后进行缺陷腐蚀的方法。如果表面残留损伤的话，缺陷腐蚀后表面能够发现不同数量的典型氧化层错，如果腐蚀后表面未发现典型氧化层错缺陷，则证明抛光表面已无表面损伤。
为彻底消除正表面残留损伤层，在晶圆加工厂中参照历史加工试验结果来控制抛光去除量。喷砂组和多晶组采用传统腐蚀工艺加工，批量生产时控制抛光去除量为20μm；改进组采用本发明的腐蚀加工方法，由于增加了正表面腐蚀去除量，会大大降低正表面残留损伤层深度，所以降低抛光去除量为13μm。
经过本发明的腐蚀工艺加工的样品在氧化腐蚀表面未发现典型氧化层错损伤，证明抛光表面已无表面损伤。进而证明本发明的腐蚀方法可以降低抛光去除量，从而提高抛光加工效率。
在完成抛光加工后，所有实验片经行业普遍采用的ADE系列参数检测仪进行晶圆几何参数与颗粒参数检测。检测设定参照常规产品参数设定进行。最终检测后对比测试数据如下表：
抛光后几何参数检测数据：
组别 喷砂组 多晶组 改进组
中心厚度CTRTHK 624.954 626.037 624.356
厚度偏差TTV 1.051 1.13 1.017
总指示读数TIRBF 0.775 0.808 0.816
最优面弯曲BOWBF 1.976 -20.25 -1.007
最优面翘曲WARPBF 11.07 37.745 8.045
中心电阻率CTRRES 2.933 2.97 2.96
锥度TAPER -0.025 0.506 0.039
焦平面差FPDBF -0.508 -0.459 -0.413
三点面弯曲BOW3P 8.795 -28.981 -2.564
三点面翘曲WARP3P 13.732 44.169 11.254
在几何参数检测数据中，BOWBF(最优面弯曲)、WARPBF(最优面翘曲)、BOW3P(三点面弯曲)、WARP3P(三点面翘曲)是反映晶圆平整度的重要参数，此数值反应晶圆与理想平面的偏离度，数值的绝对值越小，则晶圆越平整。多晶工艺产品由于背面多晶的应力影响造成晶圆发生应力形变，喷砂和改进工艺产品没有这样的影响，反映的是晶圆本身固有的平整度情况。对比数据可以看出，改进组比多晶组更接近理想平面，与喷砂组水平相当。
颗粒检测数据：
Figure BDA0001886901810000071
颗粒检测数据是统计大于某一预设颗粒直径的颗粒的数量，从质量判定角度讲，大直径颗粒数量越少质量越好，同一直径颗粒数量越少质量越好。喷砂工艺产品会受喷砂工艺造成颗粒残留的影响，普遍有小颗粒多的情况，偶尔存在大颗粒情况。多晶和改进工艺产品没有这样的影响，从对比数据可以看出，改进组比喷砂组大小尺寸颗粒参数都要好，颗粒参数与多晶组水平相当。
本发明所述的衬底晶圆加工方法由于工艺特点原因，避免了多晶工艺产品容易出现的应力导致晶圆形变问题和喷砂工艺容易出现颗粒数量较多的问题。综合分析几何参数与颗粒检测数据，改进组样品实现了相对较好的几何参数，优秀的颗粒参数。证明本发明描述的工艺有提高衬底晶圆的产品质量的效果。
将采用本发明的方法加工的样品在用户处进行外延加工，外延后测试表面金属情况，当背表面存在损伤的情况下，经过高温过程中，正表面金属沾污会在损伤吸杂的作用下向背表面移动。依据生产经验，当正表面数值低于5时，可以认为吸杂作用有效去除了晶圆本体金属沾污。样品外延后检测数据如下表：
K Ca Ti Cr Mn Fe Ni Cu Zn
测试点1 0 0.47 0 0 0 0 0.21 0 0
测试点2 0 0.1 0 0 0 0 0.13 0 0
金属测试数据显示，所有相关金属项目检测数据都远低于5，证明本发明工艺样品有明显吸杂作用，可以替代或部分替代背表面喷砂或多晶工艺，简化晶圆加工工艺，体现了本发明的实用价值。

Claims (7)

1.一种适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底晶圆背表面粘贴一层聚四氟乙烯掩蔽蓝膜；
(2)经过表面清洗，将衬底晶圆放入酸腐蚀机的酸液中进行一次表面腐蚀，去除部分正表面损伤层，所述酸液为硝酸、氢氟酸和冰醋酸的混合酸，其中硝酸与氢氟酸的体积比为2-8.3，冰醋酸与氢氟酸的体积比为0.9-3；酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度为22-40℃；
(3)经过表面清洗，进入去膜机去除掩蔽蓝膜；
(4)再次经过表面清洗，清洗后的衬底晶圆再次进入酸腐蚀机的酸液中进行二次表面腐蚀，去除正表面损伤层和部分背表面损伤层；酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度为22-40℃；经过两次酸腐蚀后，衬底晶圆两表面腐蚀去除量不对称，其中背表面去除量为5-20微米，正表面去除量为15-40微米；
(5)再次经过表面清洗后，衬底晶圆腐蚀加工完成。
2.根据权利要求1所述的酸腐蚀加工方法，其特征在于，所述掩蔽蓝膜直径与衬底晶圆直径相同，参考面设置与衬底晶圆相同。
3.根据权利要求1所述的酸腐蚀加工方法，其特征在于，所述表面清洗过程所用清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1:0.5-2:5-10，适用工作温度范围为16-30℃。
4.根据权利要求3所述的酸腐蚀加工方法，其特征在于，所述工作温度范围为22-26℃。
5.根据权利要求1所述的酸腐蚀加工方法，其特征在于，去除掩蔽蓝膜所用去膜剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1:0.5-2:5-10，适用工作温度范围为45-70℃。
6.根据权利要求5所述的酸腐蚀加工方法，其特征在于，所述工作温度范围为55-65℃。
7.根据权利要求1所述的适用于单面抛光的大直径衬底晶圆的酸腐蚀加工方法，其特征在于，酸腐蚀机的腐蚀加工过程为全自动过程，酸腐蚀机的腐蚀槽底部呈倒梯形，腐蚀槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，腐蚀槽内部设有辅助腐蚀的气体鼓泡管；腐蚀过程中载具带动晶圆旋转，晶圆本体的转速为10-45rpm，载具可实现有上下、左右方向运动，各自方向上运动速度为5-60mm/min。
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