CN109904070B - 一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法。该方法包括以下步骤：(1)在衬底晶圆背封薄膜表面粘贴一层聚四氟乙烯掩蔽蓝膜，该掩蔽蓝膜直径比衬底晶圆直径小0.2‑5mm；(2)将粘贴有掩蔽蓝膜的衬底晶圆放入氢氟酸溶液中去除二氧化硅薄膜；经过表面清洗后再进入酸腐蚀机去除多晶硅薄膜；(3)再次经过表面清洗后进入去膜机去除掩蔽蓝膜，再次经过表面清洗干燥，衬底边缘处理工序完成。采用本发明的方法可以实现衬底边缘的二氧化硅和多晶硅薄膜的去除，使最终衬底留存的背封膜垂直方向上对齐，去除边缘均匀整齐；衬底晶圆表面均匀，损伤少，可以减少或取消边缘抛光加工，降低生产成本，提高工作效率。

Description

一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法

技术领域

本发明涉及一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法，这种方法特别适用于半导体6、8英寸重掺杂衬底材料制备工序，属于半导体材料技术领域。

背景技术

随着半导体技术的发展，硅外延在双极性器件、CMOS等衬底及外延层的厚度和浓度的要求越来越高。通常多是在重掺硅单晶片作为衬底，在化学气相外延过程中，由于高温和浓度梯度的作用，在外延层和衬底的高掺杂区域之间，普遍存在掺杂剂迁移的现象，掺杂剂以气相自掺杂、固相扩散等多种方式进行。

这种现象会影响外延层的载流子分布、电阻率大小及电阻率均匀性，并对将来这一位置的器件造成影响，严重的话会造成器件的成品率和性能的下降。

为了抑制自掺杂的影响，工艺上通常采用在重掺衬底基础上沉积二氧化硅薄膜的方式进行背封处理，在大直径晶圆上，为了自身吸杂的需要，还会采用沉积多晶和二氧化硅薄膜的方式进行背封处理。

通过背封处理后的衬底，虽然可以大大降低自掺杂的发生，但是又会降低外延片边缘外延质量，出现大量缺陷聚集的情况。背封会降低外延时自掺杂的影响，有助于提高外延电阻率方面的性能，但是会降低外延晶格完成完整性方面的性能。为了平衡外延后产品质量，刻意需要将晶圆边缘部分区域背封薄膜去掉，暴露出晶圆衬底层。

在衬底晶圆生产厂，特别是在生产6、8英寸大直径重掺杂晶圆衬底时，经常制造同时长有多晶硅与二氧化硅薄膜的产品，工艺上通常使用氢氟酸(HF)溶液腐蚀掉边缘二氧化硅薄膜，使用边缘抛光方式去除边缘多晶薄膜的处理方法。由于边缘抛光需要使用到边缘抛光机，加工效率比较低，而且长时间边缘抛光消除边缘多晶的时候会改变二氧化硅膜的形状与厚度，容易影响晶圆外延时的产品质量。

所以如何处理衬底边缘，从而有效降低重掺衬底外延时的自掺杂效应，改善外延时候边缘质量，从而得到电阻率均匀性好的完美外延的低缺陷外延片成为各家衬底和外延片厂家都非常关注的核心技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法，适用于同时具有沉积多晶硅和二氧化硅薄膜的大直径晶圆制备工序，以降低晶圆在外延时自掺杂效应，减少边缘损伤，从而提高产品外延后边缘质量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法，包括以下步骤：

(1)在衬底晶圆背封薄膜表面粘贴一层聚四氟乙烯掩蔽蓝膜，该掩蔽蓝膜直径比衬底晶圆直径小0.2-5mm；

(2)将粘贴有掩蔽蓝膜的衬底晶圆放入氢氟酸溶液中去除二氧化硅薄膜；经过表面清洗后再进入酸腐蚀机去除多晶硅薄膜；

(3)再次经过表面清洗后进入去膜机去除掩蔽蓝膜，再次经过表面清洗干燥，衬底边缘处理工序完成。

该方法中的待处理衬底晶圆表面按照加工规范要求分别沉积一定厚度的多晶硅薄膜和二氧化硅薄膜。一般情况下，多晶硅薄膜厚度为0.8-1.2μm，二氧化硅膜为0.4-0.8μm。

在该方法中，在衬底晶圆背封薄膜表面粘贴一层聚四氟乙烯(PTFE)掩蔽蓝膜，该掩蔽蓝膜在随后的加工过程中保护下层的二氧化硅、多晶硅和衬底材料。所述的PTFE掩蔽蓝膜直径比衬底晶圆直径小0.2-5mm，用来实现薄膜去除宽度0.1-2.5mm。

在所述步骤(2)中，去除二氧化硅薄膜用的氢氟酸溶液浓度为20-50％，优选为40-50％。去除多晶硅薄膜用的酸液为硝酸、氢氟酸和冰醋酸的混合酸，其中硝酸与氢氟酸的体积比为2-8.3，冰醋酸与氢氟酸的体积比为0.9-3。在腐蚀过程中酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度范围为22-40℃。

所述表面清洗过程所用清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶0.5-2∶5-10，工作温度范围为16-30℃，优选为22-26℃。

去除掩蔽蓝膜所用去膜剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶0.5-2∶5-10，工作温度范围为45-70℃，优选为55-65℃。

在本发明中，清洗剂与去膜剂的成分相同，在行业内称为SC-1(或1号液)，是比较常用的清洗用化学试剂。

在本发明中借用此种化学试剂作为处理介质，作为清洗剂时为常温是利用其对硅片表面的清洁作用，处理后的晶圆表面亲水，方便后工序加工。此时常温试剂即可达到预期效果，不需要对试剂进行额外加温处理，所以优选温度为常温22-26度。温度偏低时，处理速度过慢，降低加工效率；温度过高时，会影响掩蔽膜效果，改变晶圆边缘效果。

作为去膜剂使用时，是利用试剂在高温时使掩蔽膜失效从晶圆表面脱离，同时试剂与晶圆表面均匀接触，达到清洁的目的，本发明中利用试剂在高温段的特性，达到去除掩蔽膜的目的，所以优选温度为55-65℃。温度偏低会降低去膜速度慢，温度过低的时候去膜作用就消失了，达不到去膜的目的；温度过高时去膜速度快，但是温度偏高会造成试剂挥发加快，温度过高时成分过度挥发后，成分配比错误会造成晶圆表面不均匀，造成花片，严重影响产品收率。

在本发明的方法中，去除多晶硅薄膜用的酸腐蚀机的腐蚀加工过程为全自动过程，酸腐蚀机的腐蚀槽底部呈倒梯形，腐蚀槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，腐蚀槽内部设有辅助腐蚀的气体鼓泡管；腐蚀过程中载具带动晶圆旋转，晶圆本体的转速为10-45rpm，载具有上下、左右方向运动，各自方向上运动速度为5-60mm/min。

本发明的优点在于：

采用本发明的方法可以实现衬底边缘的二氧化硅和多晶硅薄膜的去除，使最终衬底留存的背封膜垂直方向上对齐，去除边缘均匀整齐，从而能够改善外延后的电阻率特性，得到完美的外延晶体。

采用本发明的方法得到的衬底晶圆表面均匀，损伤少，可以减少或取消边缘抛光加工，降低生产成本，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为在本发明的加工效果示意图。

图3为采用传统工艺处理的样片检验测试结果。

图4为采用本发明实施例的方法处理的样片检验测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

如图1、2所示，在待处理晶圆衬底腐蚀后的表面上分别沉积一定厚度的多晶硅和二氧化硅薄膜，为了改善外延后的电阻率特性和得到完美的外延晶体，需要将晶圆衬底边缘部分背封薄膜去除。

在衬底晶圆背封薄膜表面粘贴一层PTFE(聚四氟乙烯)蓝膜，蓝膜作为掩蔽膜在随后的加工过程中保护下层的二氧化硅、多晶硅薄膜和衬底材料，需要去除的薄膜裸露出来。

粘贴了掩蔽蓝膜的待处理晶圆放入氢氟酸溶液中，氢氟酸与二氧化硅发生化学反应，裸露的二氧化硅薄膜被腐蚀去除，被掩蔽膜保护的部分及腐蚀掉的二氧化硅薄膜下层的多晶硅薄膜不与氢氟酸发生反应而被保留下来。

为防止表层残留的化学试剂污染造成表面花片，影响腐蚀片产品收率，需要在经过表面清洗后再进入下一道工序。

经过表面清洗后的待加工衬底晶圆进入酸腐蚀机进行酸腐蚀去除多晶硅薄膜工序，腐蚀剂为硝酸、氢氟酸与冰醋酸配成的混合酸，混合酸可以与硅发生化学反应，衬底层上裸露的多晶硅被腐蚀去除，腐蚀机的腐蚀工艺条件如混合酸配比、腐蚀温度、旋转平移运行速度等腐蚀条件经过试验验证，可以做到腐蚀后的衬底表面均匀，不会造成腐蚀花片，影响腐蚀片产品收率。

再次经过表面清洗后进入去膜机，去膜机中高温化学试剂能够使掩蔽蓝膜失去附着能力，与衬底晶圆表面分离。达到去除掩蔽蓝膜的目的，再次经过表面清洗干燥后可以进入正常检验工序，衬底边缘处理工作完成。

实施例

以下为一种产品的加工过程作为实施例，对一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法做简要说明。

衬底晶圆直径为200mm，衬底表层依次沉积平均厚度0.8μm的多晶硅薄膜和0.6μm的二氧化硅薄膜，用户要求晶圆边缘薄膜去除平均宽度0.3mm。

为了实现用户要求，申请人选用本发明的边缘处理方法，工艺加工过程中选用掩蔽蓝膜直径为199.4mm。

首先，在完成晶圆表面清洗后，在晶圆背表面依次生长多晶硅薄膜和二氧化硅薄膜，此时晶圆背表面全部被薄膜层包裹。

第二步，在晶圆背表面粘贴掩蔽蓝膜，由于掩蔽蓝膜直径小于晶圆直径，则掩蔽蓝膜边缘外的部分薄膜层就是需要用本发明的方法处理的部分。

第三步，将粘贴了掩蔽蓝膜的晶圆完全浸没于温度24℃，浓度为30％的氢氟酸溶液中5min，溶液中的氢氟酸与二氧化硅发生化学反应被去除，经过大量纯水冲洗后去二氧化硅膜加工完成。

第四步，将去除了边缘二氧化硅薄膜的晶圆进入表面清洗机，清洗机内部清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液。典型配置氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶1.5∶8，工作温度范围为23℃。经过清洗，晶圆表面被清洗干净，表面均匀无沾污。

第五步，经过表面清洗的晶圆，进入酸腐蚀机。在酸腐蚀酸液为硝酸、醋酸、氢氟酸配置的混合试剂，典型的配比硝酸、醋酸、氢氟酸之间的体积比为：硝酸∶氢氟酸＝6，醋酸∶氢氟酸＝2；腐蚀剂循环速度为100L/min，晶圆在腐蚀过程中腐蚀剂工作温度设定为27℃。粘贴掩蔽蓝膜的晶圆在酸腐蚀试剂中，多晶硅薄膜与化学试剂发生化学反应被全部去除。

第六步，晶圆再次进入表面清洗机。清洗机内部清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液。典型配置氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶1.5∶8，工作温度范围为23℃。经过清洗，晶圆表面被清洗干净，表面均匀无沾污。

第七步，此时的衬底晶圆已经去除了边缘薄膜，需要去除掩蔽蓝膜。晶圆进入去膜机，去膜机使用去膜剂为为氨水、双氧水和水的混合溶液。典型配置氨水、双氧水、水之间的体积比为1∶1.5∶8，去膜时工作温度设定为60℃。在高温溶液中，掩蔽蓝膜粘附性失效，从晶圆表面脱落。去膜剂在去除掩蔽蓝膜的同时对衬底表层进行清洗，掩蔽蓝膜全部脱落后，晶圆经过大量纯水冲洗后从去膜机中取出。至此整个衬底边缘处理工作完成。

对比本实施例处理的晶圆与使用传统边缘抛光工艺处理的晶圆边缘质量。传统边抛处理晶圆，抛光去除边缘多晶的时候会使表层二氧化硅边缘变薄，直径变小，造成边缘背封能力下降。采用本发明的方法处理晶圆，工作效率高，晶圆表面保留多晶硅和二氧化硅薄膜边缘垂直对齐，消除二氧化硅薄膜变薄现象，边缘去除干净整齐，边缘损伤小。

用户进行外延加工后会使用边缘质量检测仪对晶圆边缘进行电特性检验，检测仪会将电特性参数以曲线表示出来，曲线左段为正常背封区域，曲线右段为暴露的衬底区域，倾斜的曲线为过渡区域。理论上完美曲线为台阶状的折线，但实际测试中，要求过渡区域越窄越好。

如图3和图4所示，为采用传统工艺与本发明的方法处理的样片测试曲线的对比。通过对比测试结果可以发现，采用本发明的方法处理的样品过渡区明显变窄，证明采用本发明的方法处理后的晶圆边缘特性有明显改进，能够提高用户端产品收率。

目前本发明的方法已经通过用户的重复验证，开始批量向用户供货，证明本发明的实用价值。

Claims (7)

1.一种大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，该方法中的待处理衬底晶圆表面沉积有多晶硅薄膜和二氧化硅薄膜，该方法包括以下步骤：

(1)在衬底晶圆背封薄膜表面粘贴一层聚四氟乙烯掩蔽蓝膜，该掩蔽蓝膜直径比衬底晶圆直径小0.2-5mm；

(2)将粘贴有掩蔽蓝膜的衬底晶圆放入氢氟酸溶液中去除二氧化硅薄膜；经过表面清洗后再进入酸腐蚀机去除多晶硅薄膜；去除二氧化硅薄膜用的氢氟酸溶液浓度为20-50％；去除多晶硅薄膜用的酸液为硝酸、氢氟酸和冰醋酸的混合酸，其中硝酸与氢氟酸的体积比为2-8.3，冰醋酸与氢氟酸的体积比为0.9-3；

(3)再次经过表面清洗后进入去膜机去除掩蔽蓝膜，再次经过表面清洗干燥，衬底边缘处理工序完成。

2.根据权利要求1所述的大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，在腐蚀过程中酸液循环的流量为50-300L/min；酸液的温度范围为22-40℃。

3.根据权利要求1所述的大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，所述表面清洗过程所用清洗剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1:0.5-2:5-10，工作温度范围为16-30℃。

4.根据权利要求3所述的大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，所述工作温度范围为22-26℃。

5.根据权利要求1所述的大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，去除掩蔽蓝膜所用去膜剂为氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水、水之间的体积比为1:0.5-2:5-10，工作温度范围为45-70℃。

6.根据权利要求5所述的大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，所述工作温度范围为55-65℃。

7.根据权利要求1所述的大直径晶圆的衬底边缘处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中，去除多晶硅薄膜用的酸腐蚀机的腐蚀加工过程为全自动过程，酸腐蚀机的腐蚀槽底部呈倒梯形，腐蚀槽的底部设有与酸液循环进液管连接的酸液循环弥散管，腐蚀槽内部设有辅助腐蚀的气体鼓泡管；腐蚀过程中载具带动晶圆旋转，晶圆本体的转速为10-45rpm，载具有上下、左右方向运动，各自方向上运动速度为5-60mm/min。

Images