P/P+外延片制备过程中应力变化的研究

索开南

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

P/P+外延片作为基片，在后续器件制备过程中会伴随着多个快速变温过程，如果基片存在较大的内应力，在快速变温过程中内应力就会得到释放，从而导致基片的形变，这种形变的产生将会严重影响器件的性能，甚至根本无法完成流片。在硅圆片中有多种原因可以导致应力的产生，比如硅片表面的物理损伤，位错、多余的空隙和杂质产生的应力，外界材料生长等都可以产生应力。晶片加工过程中晶片内应力的产生与累积会比较及时的表现在几何参数的变化上，所以本文通过对P/P+外延片制备过程中各个工艺晶片总厚度变化（TTV）、弯曲度（BOW）、翘曲度（WARP）等几何参数变化的研究，来探究晶片加工过程中内应力的累积情况以及器件制备过程中基片形变的根源和机理。

1 实验样品及实验方法

本文所研究实验样品的主要制备工艺包括线切割、研磨、化学腐蚀、背面软损伤、二氧化硅背封、化学机械抛光以及外延生长等。

在同一批次的加工过程中，分别选取多个样品（大于5个）测量其几何参数变化，包括总厚度变化、翘曲度、弯曲度等。选样阶段包括衬底片化学腐蚀后，衬底片背损背封后、衬底片抛光后、外延生长后以及将外延片的背封层漂掉后五阶段。

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

图1～图5为同一批样品分别在衬底片化学腐蚀后、衬底片背损背封后、衬底片抛光后、外延生长后以及将外延片的背封层漂掉后五阶段的TTV、WARP、BOW 测量值。

图1 衬底片化学腐蚀后几何参数测试结果

化学腐蚀片几何参数测量抽样20片，从实验结果看，几何参数值比较理想。TTV很小，变化范围在0.26～0.77学m之间；BOW值变化范围在0.2～2.6 μm之间，也远小于普通样品；WARP值变化范围在4～11 μm之间。

图2 衬底背损背封片几何参数测试结果

图2的测量样品为18片，图2中的1～18号样品与图1中的3～20号样品一一对应。从实验结果看TTV变化范围在0.27～1.83 μm之间平均值变化不大；BOW值变化范围在1～6.6 μm之间，较前一道工序有了明显的增加；WARP值变化范围在5.9～13.6 μm之间，较前一道工序也有了明显的增加。根据BOW和WARP的变化可以推断在背损背封的晶片加工过程有了应力的累积。

图3 衬底抛光片几何参数测试结果

前两次测量样品整批经过化学机械抛光后，随即抽取6片样品，测得的TTV变化范围在1.71～3.02 μm之间，增加很多；BOW值变化范围在0.2～6.1 μm之间，变化不大；WARP值变化范围在13～19.8 μm之间，较前一道工序增加明显，化学机械抛光对晶片的几何参数影响很大。

该批样品经过外延生长后随机抽取的6片样品的TTV变化范围在1.29～3.61 μm之间，与前一道工序测量结果相比变化不大；BOW值变化范围在3.9～8.5 μm之间，与前一道工序测量结果相比增大明显；WARP值变化范围在12～16.6 μm之间，与前一道工序测量结果相比不仅没有增加，反而有了明显下降。从弯曲度和翘曲度的变化可以肯定，外延工艺对晶片的内应力有较大的累积作用。

图4 外延片几何参数测试结果

为了验证外延工艺对内应力的影响是削弱还是增强，与前面同样采用化学气相沉积法生长的SiO2背封层工艺累积的应力有无较大的关联，将图4测量的样品用很稀的HF水溶液浸泡，直至将SiO2背封层全部清洗掉，用去离子水冲洗干净后再进行几何参数测量，测量值如图5所示（图5中样品与图4中样品完全相同，且编号一一对应）。

图5 漂掉背封层后外延片几何参数测试结果

图5中的测量值BOW值变化范围在19.5～24.9 μm之间，比漂洗前增加了几倍；WARP值变化范围在19.3～22.8 μm之间，与前一道工序测量结果相比也有成倍的增加。

为了增强实验结果对比的直观性，将1～5阶段（化学腐蚀片、背损背封片、衬底抛光片、外延片、将外延片的背封层漂掉片）测量结果的平均值列于表1。

表1 各阶段样品几何参数测量值的平均值统计表

2.2 结果分析

从图1～图3及表1的数据中可以看出，随着加工的进行，晶片的TTV、WARP、BOW测量值有逐渐增大的趋势，也就是应力随着加工的进行有逐渐累积的趋势，但经过外延生长后，外延片的WARP不仅没有比投入的衬底抛光片增大，反而有所缓和，从测试结果上看，外延的气相沉积过程对之前的几何形变有矫正作用。但这种矫正并不能认为是应力的消除。因为将外延片放入HF酸中将SiO2背封层去除，这时的WARP值和BOW值都翻倍提高。

本文认为TTV变化与应力关系不大，关键是WARP和BOW和应力变化有较大的关联。为了便于对WARP和BOW随工艺的变化进行对比，特绘制了图6和图7。

图6 相同批次样品3、4、5阶段翘曲度变化

图6为3、4.、5三个阶段的WARP测量值变化对比结果（单位为μm）。1为具有背封层的衬底抛光片翘曲度测量结果；2为同批次衬底抛光片经过外延生长后的翘曲度测量值；3为外延片洗掉背封层后的翘曲度测量值。

图7为3、4.、5三个阶段的BOW测量值变化对比结果（单位为μm）。1为具有背封层的衬底抛光片弯曲度测量结果；2为同批次衬底抛光片经过外延生长后的弯曲度测量值；3为外延片洗掉背封层后的弯曲度测量值。从图7中可以确认，4阶段到5阶段晶片弯曲度的增量也要远高于3阶段到4阶段弯曲度的增量。

图7 相同批次样品3、4、5阶段弯曲度变化

背封层和外延层的生长对晶片产生的应力属于外界材料生长都可以产生应力，是引起晶片形变，出现弯曲翘曲的明显变化主要原因。根据热膨胀理论，如果两个热膨胀系数（CTE）不同的物体结合在一起，在以后的加热过程中，由于两种材料以不同的速率膨胀导致他们彼此推拉，因而产生应力，由于CTE不匹配产生的应力会使硅片弯曲，如图8所示。

图8 两种材料组合由于CTE不同引起的形变示意图[1]

背封材料为 SiO2，衬底材料为Si，SiO2的热膨胀系数是 5.6×10-7/K，Si的热膨胀系数是 3×10-6/K，所以SiO2/Si组合会出现图8（c）的弯曲现象。因为生长本身就是加热过程，所以淀积膜的生长过程就会伴随产生晶片的形变，就出现了背封后晶片的WARP、BOW明显增大的现象。当经过背封后的衬底片再进行外延生长工艺时，外延片的WARP和BOW又有所减小，本人认为产生原因主要有两种，一种是气相沉积法生长会有凹处择优生长的趋势，另一种是重掺单晶和清掺单晶的CTE差距导致双淀积膜产生的晶片形变相互抵消。

去掉背封层后的测量结果显示弯曲度和翘曲度都有了成倍的增加，说明后一种的可能性比较大，外延生长后翘曲度的表面好转仅仅是多种力相互作用的结果。

通过测试结果，我们认为P/P+外延片的内应力主要产生在背损背封以及外延生长两个工艺，而且两个工艺内应力共同起作用后，会表现出翘曲度变好，弯曲度变化不明显的表象，而内部产生的形变能量并没有削弱，因此当将一方全部去除后，几何参数会急剧变差。

3 结 论

研究结果表明，随着加工的进行，晶片的TTV、WARP、BOW测量值有逐渐增大的趋势，也就是应力随着加工的进行有逐渐累积的趋势。背封后的晶片，由于SiO2和Si的热膨胀系数差异，WARP和BOW的测量值增大明显，但是经过外延生长工艺后会表现出翘曲度变好，弯曲度变化不明显的表象，主要原因是双淀积膜产生的晶片形变相互作用，出现了抵消现象。故将一方全部去除后，几何参数又急剧变差。根据研究结果，我们认为影响P/P+外延片的内应力的关键因素为背损背封以及外延生长两个工艺的应力累积，必须在关键工艺上采取严格的控制措施，才能解决器件制备过程中基片的形变现象。

[1]Michael Quirk，Julian Serda，半导体制造技术，电子工业出版社，P93-94。