探析快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度方法.pdf

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1、探析快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度方法陆迪孙向博孔德龙(陕西天宏硅材料有限责任公司，陕西成阳712038)摘要：目的：为了保证单晶硅晶圆的精研与抛光品质，寻找一种快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度的方法。方法：利用氢氟酸溶液对单晶硅损伤层的选择性刻蚀特性对单晶硅亚表面损伤层厚度进行检测，观察分析单晶硅亚表面损伤层厚度与刻蚀时间的关系及其损伤受载荷和速度的影响。结果：随着氢氟酸溶液刻蚀时间的增加，单晶硅亚表面损伤层厚度先快速增加，然后又逐渐趋于平稳，至30分钟后近乎被完全刻蚀。若外加载荷≤单晶硅临界屈

2、服裁荷的1．1倍，则单晶硅亚表面损伤层厚度与刻画速度呈反相关关系；若外加载荷≥单晶硅临界屈服载荷的12．5倍，则单晶硅亚表面损伤层厚度与刻画速度无相关性。结论：该方法是一种经济、简单、有效的快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度的方法，值得在实际作业中推广应用。关键词：快速检测；单晶硅；亚表面损伤；损伤层厚度近年来，随着国家科技的发展，我国在集成电路制造方面也取得了很大的进步，但其中仍旧存在着很多问题。例如，对单晶硅晶圆的高质量超光滑表面加工就一向是业界的一大重要难题。要知道，任何超出限度的损伤都会导致

3、器件的精度下降及性能和寿命降低，因此若想保证单晶硅晶圆的品质，就必须要寻找到一种有效的方法对单晶硅亚表面损伤层厚度进行快速检测。本文主要介绍了一种利用氢氟酸溶液对单晶硅损伤层的选择性刻蚀特性对单晶硅亚表面损伤层厚度进行检测的方法。1实验方法与材料1．1试验方法选用洛阳麦斯克电子材料有限公司所生产的Si(100)作为试验样品，分别在日本精工SPA一400原子力显微镜上进行低载荷和小曲率半径金刚石针尖的划痕试验、在自主研制的多点接触微纳米加工系统中进行大曲率半径金刚石针尖的划痕试验。在试验前先将试验

4、样品置入10％氢氟酸溶液中钝化3分钟以去除其表面的氧化层；试验中先用不同的金刚石针尖以5—12001xm／s的刻画速度在单晶硅表面上制造划痕，然后再将样品置入25℃的10％氢氟酸溶液中进行刻蚀，每次刻蚀完后均采用丙酮、乙醇及去离子水等清洗样品以去除其表面的残余物。为了保障刻蚀时间的合理性，在原子力显微镜上采用氮化硅针尖扫描各时刻划痕的形貌及测量其损伤层厚度，并获得相应的变化关系图。1．2透射电镜样品制备首先采用半径为50纳米的金刚石针尖，以251xN载荷、11xm／s和1000肛m／s两种速度在

5、硅表面进行刻画，制造两条10米长的沟槽状划痕；其次将样品置入10％氢氟酸溶液中刻蚀半小时，刻蚀完后采用丙酮、乙醇及去离子水等清洗样品以去除其表面的残余物；最后再以同样的金刚石针尖、载荷及两种速度在已有沟槽状划痕处刻画两条新的划痕，这样一共就会有两条刻蚀前的划痕和两条刻蚀后的划痕四条划痕，再以聚焦离子束切割法加工出这四条划痕的断面，制备出透射电镜样品。2实验结果2．1单晶硅亚表面损伤层厚度与刻蚀时间的关系随着氢氟酸溶液刻蚀时间的增加，单品硅亚表面损伤层厚度先快速增加，然后又逐渐趋于平稳；而当刻蚀时

6、间达到30分钟后，损伤层厚度保持在60纳米左右，此时损伤区域近乎被完全刻蚀。2．2单晶硅亚表面损伤受载荷和速度的影响若外加载荷≤单晶硅临界屈服载荷的1．1倍，则单晶硅亚表面损伤层厚度与刻画速度呈反相关关系；若外加载荷≥单晶硅临界屈服载荷的12．5倍，则单晶硅亚表面损伤层厚度与刻画速度无相关性。3结语单晶硅材料是半导体集成电路的主要材料，其具有良好的机械性能和物理性能，常被用于制造大规模的集成电路。为了保障集成电路的质量及促进大规模集成电路技术跨入20纳米以下节点，需要对单晶硅材料进行无损加工。然

7、而，由于受制于相关工艺技术和设备条件，目前我国在单晶硅材料无损加工方面仍然与国外存在一定的差距，其中，最难解决的一项问题就是高质量超光滑表面的加工。而为了保证单晶硅晶圆的品质，对单品硅材料表面进行实时检测是必不可少的一道工序。目前，对单晶硅亚表面损伤层厚度的检测主要有截面显微法、x射线衍射法、微区拉曼法及透射电镜法等几种方法，但这些检测方法都存在着不同程度的样品制作复杂、成本昂贵、检测时间长及容易破坏样品等缺点，因此亟需寻找一种更加经济、简单、有效的快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度的方法。氢氟酸溶

8、液是一种对单晶硅损伤层具有选择性刻蚀特性的溶液，因此我们可以利用氢氟酸溶液的这一特性来对单晶硅亚表面损伤层厚度进行检测。该方法不但检测结果精确可靠，并且样品制作比较简单、成本费用比较低廉、检钡0时间比较短，这点远胜于传统的几种检测方法。本次研究结果显示：随着氢氟酸溶液刻蚀时间的增加，单晶硅亚表面损伤层厚度先快速增加，然后又逐渐趋于平稳，至30分钟后近乎被完全刻蚀。若外加载荷≤单晶硅临界屈服载荷的1．1倍，则单晶硅亚表面损伤层厚度与刻画速度呈反相关关系；若外加载荷≥单晶硅临界屈服载荷的12．5倍，