硅晶圆的晶向偏离度测定方法探索

□郑 捷 曹 孜 赵而敬 蔡丽艳 安瑞阳 苏 冰 何 宇 路一辰

一、引言

随着半导体加工愈加精密，硅晶圆衬底参数的要求也愈趋于严格。一般硅晶圆衬底的晶向偏离的要求为±0.5°到±1°之间。由于晶向偏离度可能对后续的外延[1]等工序产生影响，部分厂家对晶向偏离度提出了更加严格的要求。由于后续加工对晶向的影响甚微，对经过线切割加工而成的晶圆的晶向的测量就可以得到出厂需要的晶向参数。

二、晶向偏离度的测定方法

半导体单晶晶向的测定方法一般分为两种：X射线衍射法定向法和光图定向法[2]。另外，贾陈平提出了一种通过对晶圆的预刻蚀加工而准确找到晶向方位，为的是加工MEMS器件[3]，不在本文的论述之内。目前硅单晶晶的圆晶向一般采取X光测试仪进行测定。根据布拉格定律，入射光线与接收光线呈2θ角时，会得到衍射最大值。对于晶向为<100>的硅单晶，θ角为34°36′，而<111>的硅单晶为14°14′。

三、晶向偏离度测定

经过简化也可以为：

经过简化也可以为：

需要注意的是，晶圆法线方向、目标晶向和实际晶向是空间关系，晶圆法线方向与目标晶向的夹角和晶圆法线方向与实际晶向的夹角不一定是在同一平面。有人在实际运用过程中将这两个夹角的数值相减作为晶向偏离度，这是不对的。例如有n=4的晶圆，目标值与实测值如表1中所示。

表1 晶圆晶向的目标值和实测值

经过简化也可以为：

需要注意的是，由于参考面与晶向偏离方向不平行，晶圆沿Z轴旋转180°的情况下会导致晶向在空间上发生变化，如图1所示。为保持产品的一致性，在完成切割的后续加工过程中，不得将晶圆正反面随意翻转。其他两种方式则不存在这种状况。

翻转前 翻转后图1 平行于参考面看，翻转前晶向指向右上方，翻转后晶向指向右下方

四、结语

第一，正晶向在偏离度不超过5°的情况下，可以通过直接对水平和垂直的偏离度进行拟合，得到晶向偏离度。SEMI标准和国家标准中均对正晶向晶圆晶向偏离度的测定有过明确的阐述。第二，在生产中会遇到一些目标晶向与晶圆法线方向不一致的情况，这种情况下需要将目标晶向在水平和垂直参考面的方向上进行分解，然后分别和晶圆的水平、垂直偏离度进行计算后再进行拟合运算。第三，由于SEMI标准和国家标准没有提及目标晶向与晶圆法线方向不一致情况下的测定方法，在实际生产过程中可能出现由于理解不同导致计算方法错误的情况，这点需要特别注意。