硅晶圓的晶向偏離度測定方法探索

□鄭 捷 曹 孜 趙而敬 蔡麗艷 安瑞陽 蘇 冰 何 宇 路一辰

一、引言

隨著半導體加工愈加精密，硅晶圓襯底參數的要求也愈趨于嚴格。一般硅晶圓襯底的晶向偏離的要求為±0.5°到±1°之間。由于晶向偏離度可能對后續的外延[1]等工序產生影響，部分廠家對晶向偏離度提出了更加嚴格的要求。由于后續加工對晶向的影響甚微，對經過線切割加工而成的晶圓的晶向的測量就可以得到出廠需要的晶向參數。

二、晶向偏離度的測定方法

半導體單晶晶向的測定方法一般分為兩種：X射線衍射法定向法和光圖定向法[2]。另外，賈陳平提出了一種通過對晶圓的預刻蝕加工而準確找到晶向方位，為的是加工MEMS器件[3]，不在本文的論述之內。目前硅單晶晶的圓晶向一般采取X光測試儀進行測定。根據布拉格定律，入射光線與接收光線呈2θ角時，會得到衍射最大值。對于晶向為<100>的硅單晶，θ角為34°36′，而<111>的硅單晶為14°14′。

三、晶向偏離度測定

經過簡化也可以為：

經過簡化也可以為：

需要注意的是，晶圓法線方向、目標晶向和實際晶向是空間關系，晶圓法線方向與目標晶向的夾角和晶圓法線方向與實際晶向的夾角不一定是在同一平面。有人在實際運用過程中將這兩個夾角的數值相減作為晶向偏離度，這是不對的。例如有n=4的晶圓，目標值與實測值如表1中所示。

表1 晶圓晶向的目標值和實測值

經過簡化也可以為：

需要注意的是，由于參考面與晶向偏離方向不平行，晶圓沿Z軸旋轉180°的情況下會導致晶向在空間上發生變化，如圖1所示。為保持產品的一致性，在完成切割的后續加工過程中，不得將晶圓正反面隨意翻轉。其他兩種方式則不存在這種狀況。

翻轉前 翻轉后圖1 平行于參考面看，翻轉前晶向指向右上方，翻轉后晶向指向右下方

四、結語

第一，正晶向在偏離度不超過5°的情況下，可以通過直接對水平和垂直的偏離度進行擬合，得到晶向偏離度。SEMI標準和國家標準中均對正晶向晶圓晶向偏離度的測定有過明確的闡述。第二，在生產中會遇到一些目標晶向與晶圓法線方向不一致的情況，這種情況下需要將目標晶向在水平和垂直參考面的方向上進行分解，然后分別和晶圓的水平、垂直偏離度進行計算后再進行擬合運算。第三，由于SEMI標準和國家標準沒有提及目標晶向與晶圓法線方向不一致情況下的測定方法，在實際生產過程中可能出現由于理解不同導致計算方法錯誤的情況，這點需要特別注意。