硅外延片背面邊緣異常黑斑原因分析及研究

彭永純，邊 娜

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

外延片的電參數、缺陷及均勻性與器件關鍵參數直接相關，進而決定了器件的成品率[1]。為了更大程度地提高材料使用率，客戶對外延片的邊緣提出了更高的要求，邊緣缺陷少便成為其中一項重要隱含要求。類似外延片邊緣經常出現的霧缺陷[2]及滑移線等受到了較強關注，與此同時，邊緣其他異常現象也引起關注。本文介紹的背面邊緣黑斑現象則為邊緣檢驗發現的一類異常。

1 問題來源

檢驗員在進行外延片表面及背面檢驗過程中發現硅外延片背面邊緣異常。異常區域在日光燈下為黑色斑塊，如圖1所示，在強光燈下則反射白光，如圖2所示，似異物沾污。

圖1 日光燈下的異常片Fig.1 Abnormal wafer under daylight

圖2 強光燈下的異常片Fig.2 Abnormal wafer under highlight

2 原因分析及結果判定

2.1 異物沾污

首先，由于外延生產中所使用吸筆和頂筆等非破壞性檢測無法感受到異物的存在，將異常外延片進行水洗及酸洗，判定是否為可清洗沾污導致。經清洗原黑斑無變化，未被清洗掉，證明該異常為非水洗及酸洗可清除的異物。

其次，考慮此黑斑是否為沾污導致，采用破壞性方法嘗試，使用小刀在黑斑處反復刮蹭，發現黑斑無法經機械方式去除。

經過以上實驗，結論為此黑斑非異物沾污導致。

2.2 晶棒原生缺陷

根據GB/T 14142—1993《硅外延層晶體完整性檢驗方法 腐蝕法》[3]對外延片進行腐蝕，并在金相顯微鏡下觀察缺陷，圖像如圖3所示，并未發現硅單晶缺陷。結論為此黑斑非晶棒原生缺陷。

圖3 腐蝕后的金相顯微鏡下的異常片Fig.3 Abnormal wafer under OM after etching

2.3 硅單晶襯底片加工缺陷

由于前期發現的異常片為顧客來料加工襯底片，全檢剩余襯底片并未發現類似外延片黑斑異常，重復檢驗襯底邊緣，強光燈下發現對應外延黑斑位置處的襯底邊緣有白絲，但僅在邊緣，并未出現在背面，且日光燈下觀察不到。隨即檢驗其他廠家襯底片，也發現有類似白絲，使用此類襯底片產出的外延片并未出現背面黑斑現象，且均檢驗合格無其他異常。

2.4 原因再探索

自從此異常片發現后，便要求檢驗員全數檢驗外延片背面。后期又出現了同樣的異常片，表現為不同襯底片，相同位置、相同形態，但黑斑大小稍有不同，經過反復觀察發現，黑斑均出現在背面邊緣背封層去邊處，止于背封處，初步懷疑與襯底片倒角工藝[2]有關。

經過與襯底加工廠家溝通，還原倒角工序，發現在襯底倒角過程中，倒角砂輪從起點到終點有可能存在過度研磨的現象，且過度研磨的位置與黑斑出現的位置一致。進一步確定了此現象與襯底片倒角工藝有關。

重復在金相顯微鏡下觀察異常位置，發現異常處并不平滑，而是呈現出腐蝕狀。若為倒角過度研磨導致，異常處不應有此腐蝕狀出現，故此問題的根本原因仍需繼續調查。

由于出現此異常片的數量較小，無法統計出現規律，我們將留存的測試片背面針對相同位置進行整盒檢驗，各外延爐均取相同數量的測試片進行檢驗，出現黑斑的數量如表1所示。

表1 各外延爐異常片統計Tab.1 Amount of abnormal wafers of different EPI equipment

以上可知，外延爐3無此類異常出現。對比各外延爐工藝，結合腐蝕狀邊緣的現象，發現外延爐1及外延爐2的工藝中均包含HCL拋光工藝，而外延爐3的工藝中不含有HCL拋光。

結合襯底片倒角邊過度研磨及外延工藝中HCL的介入，過度研磨的區域與其他區域的腐蝕速率及吸硅速率不同，便會在燈光下出現表面顏色的不同，并出現在顯微鏡下觀察到的腐蝕狀的邊緣。另外，由于HCL與SiO2不反應，故黑斑只出現在去邊處。

3 結 論

外延片邊緣異常黑斑產生需要具備兩個條件：襯底片倒角過度研磨及外延工藝中存在HCL拋光。但需注意的是，此黑斑只存在于去邊處，對器件工藝不會產生影響。