重掺<100>硅单晶抛光片条纹状起伏缺陷研究王云彪，张为才，武永超，陈亚楠（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）摘 要：重掺<100>硅单晶片抛光后经微分干涉显微镜观测，抛光片边缘区域存在条纹状起伏缺陷。
通过分析条纹状起伏缺陷与重掺硅单晶中杂质的分布状况和<100>晶面本身腐蚀特性的关系，阐述了条纹状起伏缺陷形成的机理。
通过工艺试验，对比了不同工艺条件下抛光片表面微观形貌状况，分析了抛光过程中各工艺条件对表面条纹起伏缺陷的影响，采用3步抛光工艺，得到了表面平整和一致性好的抛光片表面，抛光片边缘无条纹起伏缺陷。
关键词：条纹起伏缺陷；微观形貌；抛光片中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1001-3474（2012）05-0312-04Research of Striped Rolling Defects on Heavily Doped <100> Polished Silicon WafersWANG Yun-biao, ZHANG Wei-cai, WU Yong-chao, CHEN Ya-nan(No.46 Research Institute of CETC, Tianjin 300220, China)Abstract: Using differential interference contrast microscope observed striped rolling defects on the edge regions of Heavily doped < 100 > polished silicon wafers. Expounded the formation mechanism of the stripe rolling defects by analyzing the relationship between stripe rolling defects and the impurities distribution in heavily doped silicon crystal and the surface corrosion characteristics of <100> crystal orientation. Compared the surface microtopography with different polishing process conditions, researched the influence of polishing process conditions on surface striped rolling defects. Got polished silicon wafers with highly smooth surface, good consistency and no edge stripe rolling defects using three steps polishing process,.Keywords: Stripe rolling defects; Microtopography; Polished wafers Document Code: A Article ID: 1001-3474(2012)05-0312-04随着半导体工艺技术的不断进步，微机械与微电子电路对硅单晶衬底片的要求越来越高[1,2]。
这不仅体现在宏观几何参数的高精度，对于微观表面形貌也有了更高的要求。
微分干涉显微镜在半导体加工中的应用，使在线监测抛光片微观表面形貌起伏成为可能，有力地促进了硅抛光片加工工艺技术的进步。
重掺单晶由于拉晶过程中杂质的分凝效应[3]，极容易出现杂质条纹。
杂质条纹的出现，并不会影响晶体的电参数和使用情况，但是却对晶体的加工带来了新的困难，尤其是重掺单晶在经过化学机械抛作者简介：王云彪（1982- ），男，工程师，主要研究方向为半导体材料的抛光和清洗。
光过程中，杂质富集区的腐蚀速率与其他区域不一致，抛光过程中化学作用大于机械作用，从而在晶片表面形成和杂质条纹形状一致的凹凸起伏，这种表面的微观凹凸起伏对于<100>晶向重掺硅单晶抛光片尤为明显。
<100>晶向硅片化学腐蚀速率相对较快，特别是当电阻率达到10-3 Ω·cm甚至更低时，硅片边缘与中心区域的腐蚀速率差异明显，抛光片表面靠近边缘区形成的类似杂质条纹状的凹凸起伏更加严重，这种微观的起伏会引起外延后边缘的条纹及光刻工艺中的图形失真，从而对产品的成品率和质量产生严重影响，必须加以消除。
本文主要通过对比不同工艺条件下抛光后的硅片表面状况，分析了抛光工艺过程中条纹状起伏缺陷产生的机理及各工艺参数对条纹起伏程度的影响，适当调整工艺参数，实现了<100>重掺硅单晶抛光片加工。
1 缺陷检测我们采用SPM-19抛光机对10 cm P型<100>硅单晶片进行了抛光，单晶电阻率（2～4）×10-3 Ω·cm，径向电阻率不均匀性≤10%，浅杂质条纹。
抛光工艺条件：抛光布：SUBA600平布；抛光液：φ（MAZIN SR330）∶φ（水）=1∶20；压力：32.0 MPa；转速：55/110 r/min；抛光液流量：1.5 L/min；温度：抛光液25 ℃，抛光布40 ℃。
硅片抛光后经清洗检验合格片进行表面分析，分别通过WM-7S表面分析仪和Tropel Ultrasort平整度测试仪对抛光片的表面雾值和几何参数进行了测试，如图1和图2所示。
从图1中可以看出抛光片表面雾值很低，均匀性很好；从图2中可以看出，抛光片几何参数较好，数据分布并无规律可循。
图1 抛光片表面雾值测试图图2 抛光片几何参数测试图（单位：μm）我们将上述抛光片用OLYMPUS BX51M微分干涉显微镜进行表面观察发现，从抛光片边缘开始到距边缘1 cm～2 cm范围内，出现了如图3所示的条纹状起伏，表面起伏呈现类似背面杂质条纹状的环形。
当这种起伏较浅时，很难用肉眼直接观测到。
我们通过上面雾值与几何参数测试，并没有发现此类缺陷。
因此，这是一类微观缺陷，起伏程度＜1 μｍ。
同一片抛光片，我们观测抛光片中心区域微观表面，如图4所示，中心区域表面平坦，无起伏缺陷。
这说明在抛光加工过程中，硅片边缘与中心区域所处的状态是不一致的。
图3 抛光片边缘微观形貌 图4 抛光片中心微观形貌2 缺陷机理分析硅片抛光是一种化学和机械过程。
在抛光加工中，硅片表面与抛光液中碱的化学腐蚀反应生成可溶性的硅酸盐，通过细而柔软和带有负电荷的SiO 2胶粒（粒度常为50 nm～70 nm）的吸附作用和与抛光布（衬垫）间的机械摩擦作用及时去除反应物。
化学腐蚀和机械摩擦两种作用互相连续、交替和循环进行。
当达到化学、机械作用的平衡时，便可获得最佳的光亮“镜面”。
碱性二氧化硅胶体化学机械抛光技术综合了化学抛光无损伤和机械抛光易获平整、光亮表面的特点[4]。
硅片在抛光过程中，中心平坦，边缘出现条纹状起伏，说明边缘的化学作用强于机械作用，由于局部化学腐蚀较快，从而产生缺陷，缺陷具体情况与晶体本身的状况和抛光工艺条件有关。
2.1 晶体本身影响在硅片抛光过程中，并不是所有晶片都出现这种条纹状起伏缺陷，只是对于<100>晶向重掺硅片才有可能出现。
我们对不同晶向、电阻率及导电类型的硅片，在相同工艺条件下抛光后观察表面状况，具体状况见表1。
表1 不同类型晶片抛光后表面状况对比表由此可以看出，抛光片表面出现条纹状起伏，与晶片本身的晶向和电阻率关系很大。
当晶体电阻率>10-2Ω·cm时，无论晶片电阻率大小和晶向，在相同抛光工艺条件下，抛光片表面微观形貌平整；当晶体电阻率达到10-3Ω·cm量级甚至更低时，<111>晶向硅片表面平整，<100>晶向硅片表面出现条纹状凹凸起伏，与晶体的N、P型无关。
表面条纹状起伏只出现在电阻率达到10-3Ω·cm 量级甚至更低的<100>晶向硅片表面，主要是因为杂质条纹和<100>面腐蚀速率造成的。
在拉制电阻率更低的单晶时，需要掺入更多的杂质，由于不同元素的分凝系数不同，在晶体边缘便会产生杂质条纹。
杂质条纹区域晶格失配和应力较大，抛光时化学腐蚀速率相对较快。
另一方面，<100>晶面原子价键密度大[5]，腐蚀速率相对<111>面快，晶片边缘接触抛光液较多，相对中心区域很容易产生腐蚀速率差，杂质条纹区域也集中在边缘，两者叠加就产生了条纹状起伏缺陷。
因此，单晶本身的性质对后续加工起着重要的影响，尤其是重掺硅单晶中，杂质的均匀分布不仅影响硅单晶电阻率的均匀性，也是决定抛光片表面是否产生边缘条纹起伏的主要因素。
2.2 抛光工艺影响2.2.1 工艺试验抛光工艺决定着抛光片表面质量的优劣，适宜的抛光工艺条件可以有效降低不同晶向、掺杂剂、电阻率及杂质分布所带来的影响，从而加工出表面质量高度一致的硅抛光片。
抛光布、抛光液配比及抛光液流量是抛光工艺条件的主要组成部分，在本文中，我们主要围绕这三项抛光工艺条件开展试验，具体情况见表2。
表2 不同工艺条件抛光试验表2.2.2 结果分析2.2.2.1 抛光布对表面影响由试验1-3可以看出，采用格布抛光后，硅抛光片表面条纹变浅，采用SUBA800格布后，表面条纹非常浅。
这是因为，在抛光过程中，抛光盘与抛光布由于压力作用紧密结合在一起，抛光盘与抛光布间留给抛光液传导的缝隙很小，一般为几十到几百伏，尤其是当硅片厚度较薄或采用抛光垫抛光时，抛光液传导的缝隙会更小，再加上抛光盘高速旋转的离心力作用，使得抛光液很难在抛光布上均匀分布，大量抛光液在抛光盘边缘富集。
抛光液在抛光盘边缘的富集使得硅片边缘总是接触大量的抛光液而中心区域接触的抛光液较少，造成边缘与中心区域腐蚀速率的差异，在杂质富集区产生条纹起伏。
采用格布抛光，抛光液通过表面的沟槽传导的抛光布的各个区域，减小了硅片不同区域因为接触抛光液多少产生的腐蚀速率差。
与SUBA600相比，SUBA800抛光布硬度由邵氏硬度80提高到83，压缩比由4.2%降低到3.3%，因此，采用SUBA800抛光，硅片的塌边更小，表面一致性更好，但是随着硬度的增加，抛光片表面粗糙程度变大。
2.2.2.2 抛光液配比对表面的影响由试验4-7可以看出，抛光液浓度过高或过低，抛光后表面都会产生不同程度的条纹起伏。
当抛光液配比为1∶10时，抛光液的pH值很高，抛光过程的化学反应速率很快，抛光去除速率高达1.2 μm/min，杂质富集区相对其他地方腐蚀速率较快，抛光后表面条纹起伏明显，粗糙度大，如图5所示。