[发明专利]一种单晶硅表面划痕损伤层厚度的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶硅表面划痕损伤层厚度的检测方法。

背景技术

从半导体集成电路发明以来，单晶硅材料以其丰富的资源，优异的物理和化学性质及与微电子集成电路工艺良好的兼容性，成为制造微纳机电系统的主要材料。因此，基于单晶硅的微纳加工研究备受关注。

目前，由于半导体产品高集成度和高性能化的快速发展，对单晶硅加工表面的质量提出前所未有的要求。例如，随着大规模集成电路的线宽不断下降，并向结构立体化和布线多层化方向发展，要求大尺寸晶片表面具有纳米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度，而且同时需要保证很高的表面/亚表面完整性。传统的表面平坦化技术，如热流法、选择性淀积、低压CVD、等离子增强CVD等，都属于局部平坦化技术，不能做到全局平坦化。1990年IBM公司率先提出CMP(chemical mechanical polishing，化学机械抛光)全局平坦化技术，并于1991年成功应用于64M的DRAM生产中。之后，CMP得到快速发展。目前的研究表明，CMP抛光技术是保证单晶硅晶圆最终获得纳米级超光滑表面的最有效方法。

然而，目前在晶圆CMP抛光过程中，受人为操作、工艺、加工设备等众多因素的影响，往往会造成材料表面出现如微划痕、微裂纹、位错、表面缺陷等损伤。这些损伤部位与其它区域有着不同的物理化学性能，损伤层过厚往往会增加后续工艺的难度甚至直接导致器件的报废。因此，对于单晶硅材料表面/亚表面损伤层厚度的检测和评估是实际应用过程中急需解决的关键问题。

目前对单晶硅材料表面/亚表面损伤层的检测技术主要有：X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)。

X射线衍射(XRD)：此方法利用X射线以一定角度照射到硅片表面时会发生衍射现象，衍射条纹的位置会因为经过晶格间距的不同而发生变化，再通过对比有无残余应力时晶格间距的变化值，即可计算出残余应力大小并算出损伤层厚度。X射线衍射法只能测量材料表面一定深度内综合应力，不同种类X射线测得同一样品同一区域的残余应力存在很大差异，因此，此种方法所测出的单晶硅材料表面/亚表面损伤层厚度误差较大。

透射电镜(TEM)：利用透射电镜分辨率高的特性(可达0.2nm)，对晶格结构直接成像，此方法适合分析晶格缺陷，能够直接观察缺陷的形态、分析缺陷的成分等。然而投射电镜使用电子束作光源，而电子束穿透力很弱，因此样品需制成厚度约50纳米左右的超薄切片。这使得样品制作过程变得非常复杂和漫长。

综上所述，现有的单晶硅材料表面/亚表面的损伤厚度的探测方法均不同程度地存在着探测精度差和样品制作困难等缺陷，亟需发展操作简便的高精度损伤探测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种单晶硅表面划痕损伤层厚度的检测方法，该方法可方便地检测出化学机械抛光后的单晶硅表面/亚表面损伤层厚度进行，其制样检测过程简单、检测时间短、所需样本材料小、检测成本低且结果精确、直观。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：在化学机械抛光法抛光后的单晶硅晶圆上切取出2mm×2mm至5mm×5mm的单晶硅样品，使用原子力显微镜对单晶硅样品进行扫描，得到单晶硅样品表面的三维形貌，并测出单晶硅样品表面的三维形貌中的凹陷深度；

B、将单晶硅样品放置于质量分数为15-25％的HF溶液中刻蚀20-40分钟，取出单晶硅样品并用丙酮、酒精依次清洗后，再使用原子力显微镜进行扫描，得到刻蚀后的单晶硅样品表面的三维形貌，测出该单晶硅样品表面的三维形貌中的凹陷深度；

C、将B步得到的单晶硅样品表面的三维形貌中的凹陷深度与A步得到的单晶硅样品表面的三维形貌中对应位置处的凹陷深度相减，得到刻蚀后凹陷深度增加值；该凹陷深度增加值即为单晶硅表面划痕损伤层厚度。

本发明的过程和机理是：从化学机械抛光法抛光后的晶圆上切下样片，并由原子力显微镜扫描，得到单晶硅样品表面的三维形貌，并测出其中的凹陷深度，这个凹陷深度即为单晶硅在抛光时的划痕深度。再用HF溶液对单晶硅样品刻蚀20-40分钟，划痕损伤部位会被完全腐蚀掉，再使用原子力显微镜进行扫描，得到刻蚀后的单晶硅样品表面的三维形貌及刻蚀后的凹陷深度；刻蚀后的凹陷深度减去刻蚀前对应的凹陷深度即为抛光时单晶硅的损伤层的厚度。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

一、只需从化学机械抛光法抛光所得的单晶硅晶圆上切取2mm×2mm至5mm×5mm的小片即可作为检测样本，其制样简单、所需样本材料小。