一种硅片跨工序应力场预匹配的研磨方法、中间态硅片及成品抛光硅片衬底与流程

本发明涉及半导体材料制造，具体涉及一种硅片跨工序应力场预匹配的研磨方法、中间态硅片及成品抛光硅片衬底。

背景技术：

1、在用于功率半导体器件的重掺杂n+型单晶硅衬底的制造流程中，通常需要在硅片背面通过低压化学气相沉积（lpcvd）工艺生长一层多晶硅（poly-si）膜层，以形成具有吸除金属杂质功能的背面多晶硅背封层。

2、然而，lpcvd工艺通常在高温环境下进行，多晶硅成膜过程中积聚的膜层热应力与内在应力（主要表现为强烈的膜层内张应力）单侧作用于硅片衬底，会导致硅衬底在出炉降温后发生严重的几何畸变，表现为整片翘曲度（warp）和弯曲度（bow）严重超标。翘曲度超标的硅片在后道加工中易引发真空吸附失效、碎片以及光刻对焦错位，制约了产品加工良率的提升。

3、针对上述形变问题，传统的调平方案存在明显的局限性：一方面，若在lpcvd工序后采用高温退火等被动方式释放应力，不仅增加了工艺步骤与制造成本，还极易在硅片中引入二次晶格缺陷；另一方面，若试图通过改变lpcvd沉积温度来调控应力，温度的变化会导致多晶硅晶粒尺寸发生变异，进而影响多晶硅层的背封吸杂效果，且该方法对应力的实际调控范围十分有限。

4、在硅衬底前道加工流程中，研磨后的硅片在进入lpcvd工序前，必须经历化学腐蚀以及化学机械拋光工序。化学腐蚀旨在剥离研磨留下的微裂纹畸变区，而单面抛光工序则会去除硅片正面的机械损伤层及微观形貌特征，使其表现为镜面。这意味着，如果前道研磨工序仅仅依赖双面非对称的损伤层深度或微观纹理来制造反向预翘曲，该非对称的微观特征在经历抛光去除后就会从正面消失，导致预设的翘曲形变量严重衰减甚至失效。真正能够跨越抛光剥离工序、并在lpcvd成膜前稳定存续的，只能是研磨工序中在硅片背面制造出来的宏观面型差异，例如几何起伏或不对称厚度分布。因此，如何在粗加工研磨阶段摆脱对易失稳表面微观特征的依赖，利用背面特定的宏观面型差异作为稳定的应力与形变载体，并在最前端建立跨工序前馈式形变预补偿控制，是半导体硅衬底制造领域亟待解决的核心技术难题。

5、为此，我们提出了一种硅片跨工序应力场预匹配的研磨方法、中间态硅片及成品抛光硅片衬底。

技术实现思路

1、本技术提供了一种硅片跨工序应力场预匹配的研磨方法、中间态硅片及成品抛光硅片衬底，以至少解决现有技术中重掺杂n+型硅衬底在lpcvd沉积多晶硅后因应力不平衡导致的翘曲恶化问题，以及前道研磨工序所制造的微观特征在后道化学腐蚀和单面抛光中丧失而无法跨越工序稳定存续的问题。

2、第一方面，本技术提供了一种硅片跨工序应力场预匹配的研磨方法，包括以下步骤：

3、s1：建立不同工艺下沉积多晶硅膜厚、沉积温度对目标衬底翘曲变化量和弯曲变化量影响的经验模型；

4、s2：根据所需加工的poly-si薄膜参数，结合所述经验模型，获取lpcvd生长多晶硅膜层在目标衬底上产生的翘曲、弯曲变化量和引起的硅片变形方向；

5、s3：根据所述翘曲、弯曲变化量和引起的硅片变形方向，并结合所述目标衬底研磨加工前的初始的翘曲度，计算出前道研磨工序所需引入的反向形变补偿量，以及对应的调控指标，其中，所述调控指标包括宏观面型差异指标和微观纹理特征指标；

6、s4：将所述目标衬底置于双面研磨机的行星盘中，其中，所述行星盘包括上盘和下盘，所述下盘表面设有弹性缓冲减摩层，且所述上盘为刚性研磨盘；

7、s5：在单侧加压状态下启动研磨，利用所述弹性缓冲减摩层与所述刚性研磨盘对硅片进行非对称研磨，在硅片上表面制造第一面型/纹理特征，在硅片下表面制造第二面型/纹理特征，使硅片双面形成满足所述调控指标且具有预设差异的微观纹理特征与宏观面型差异，其中，在硅片背面形成的宏观面型差异为背面特定面型差异；

8、s6：对研磨后的所述衬底依次进行化学腐蚀、lpcvd多晶硅薄膜沉积和单面化学机械抛光；其中，利用所述单面化学机械抛光剥离所述衬底正面的所述第一形貌特征与机械损伤层，并将所述衬底的总厚度变化量（）优化至预设目标范围，同时完整留存所述背面形成的特定宏观面型差异；在所述lpcvd多晶硅薄膜沉积过程中，利用留存的特定宏观面型差异载有的反向预翘曲形态，与多晶硅膜层积聚的成膜本征应力进行动态匹配与应力抵消，使最终成品硅片恢复至目标平整度。

9、可选地，所述步骤s1中，基于经验模型计算所述初始翘曲变化量和弯曲变化量，所述经验模型满足以下关系式：

10、；

11、；

12、式中，所需加工的多晶硅薄膜厚度，取值范围为 300nm~1000nm；为lpcvd的沉积温度，取值范围为 580~670℃；为自然对数的底数；为形变标定系数；为方向标定因数；为热弛豫敏感系数；

13、所述经验模型中的系数、及，通过采集单晶硅标准样本在多组不同lpcvd沉积条件下的厚度、温度以及沉积前后的翘曲变化量与弯曲变化量，进行多元非线性数据拟合标定而确定。

14、可选地，在所述步骤s2中，通过所述弯曲变化量的正负判定硅片的最终变形方向：

15、当  > 0时，判定硅片形变方向为向正面凸起；

16、当  < 0时，判定硅片形变方向为向背面凹陷。

17、可选地，在所述步骤s3中，所需引入的反向形变补偿量中，目标弯曲补偿量满足前馈对冲关系式：

18、。

19、可选地，在所述步骤s3中，计算所述调控指标时，定量引入了由所述第二面型特征引起的背面宏观面型差异对硅片整体反向形变补偿量的贡献权重。

20、可选地，所述预设差异的微观纹理特征及宏观面型差异包括：硅片双面特定的表面粗糙度，以及由背面宏观局部厚度变化或几何起伏形成的面型不对称度。

21、可选地，在所述步骤s5中，通过调节所述双面研磨机的总研磨压力、研磨时间、行星盘公转与自转速度比、研磨液ph值或研磨液磨料固含量中的一种或多种工艺参数，来定量调控所述背面特定面型差异的几何变量；

22、其中，所述工艺参数的调节范围具体限定为：总研磨压力为5kpa~25kpa，研磨时间为120s～600s，研磨液的ph值为8~11。

23、可选地，所述弹性缓冲减摩层为含有微孔结构的树脂垫或聚氨酯垫，其厚度为2.0~15.0mm，其硬度shore d小于70，其表面开设有网格状微结构沟槽201；

24、且所述弹性缓冲减摩层上贯穿设置有多个流体通孔，用以引导研磨液穿过所述弹性缓冲减摩层并均匀渗透至所述目标衬底的双面接触界面。

25、可选地，在所述步骤s5的非对称研磨过程中，所述弹性缓冲减摩层受压形变并温和包裹所述目标衬底的下表面，使硅片下表面的微观真实接触面积大于上表面与所述刚性研磨盘的接触面积，从而使下表面的有效加工压强低于上表面的有效加工压强，以在硅片下表面诱导形成起主导形变作用的所述背面特定面型差异。

26、可选地，所述步骤s5中，通过非对称研磨在硅片背面制造的特定面型差异予以留存，用以维持所述反向形变补偿量所需的预翘曲形态；

27、在所述步骤s6中，经历所述单面抛光工序后，硅片正面的机械损伤层及微观纹理特征被剥离消除。

28、可选地，在所述lpcvd沉积过程中，所述多晶硅膜层产生的成膜应力与留存的所述背面特定面型差异进行动态匹配与应力抵消。

29、第二方面，本技术提供了一种中间态研磨硅片，其根据上述第一方面所提供的方法加工而成，以及，

30、所述硅片在进入所述单面抛光工序前，具有符合所述调控指标的非对称微观形貌与背面特定面型差异；其中，所述背面特定面型差异载有的预翘曲形态在经后续化学腐蚀和单面抛光后依然稳定存续。

31、可选地，所述中间态研磨硅片在进入所述单面抛光工序前，其正面具有第一面型/纹理特征，背面具有第二面型/纹理特征，且翘曲度值的绝对值大于20µm。

32、第三方面，本技术提供了一种成品抛光硅片衬底，其根据上述第一方面所提供的方法加工而成，以及，

33、所述成品抛光硅片衬底经所述单面抛光工序后，其正面无微观加工痕迹，其背面在多晶硅poly-si膜层与硅衬底的交界处，残留有一层厚度小于1.0µm的残余损伤层；其中，所述残余损伤层与留存的所述背面特定面型差异共同作用，与poly-si膜层的成膜内应力达成机械平衡，使得所述成品抛光硅片衬底的整片翘曲度的绝对值控制在10µm以内。

34、可选地，所述成品抛光硅片衬底经所述单面抛光工序后，其正面无微观加工痕迹，其背面在多晶硅poly-si膜层与硅衬底的交界处残留有一层厚度小于1.0µm的残余损伤层。

35、相比于相关技术，本技术提供的硅片跨工序应力场预匹配的研磨方法、中间态硅片及成品抛光硅片衬底至少具有以下技术效果：

36、通过建立经验模型在前道研磨阶段实施跨工序前馈式应力预匹配控制，摆脱了传统方案中后道被动调平的局限性，在加工前端即主动计算出反向形变补偿量，实现形变的前馈预补偿。利用双面研磨机原有的单侧加压结构，仅通过更换下盘弹性缓冲减摩层即实现了非对称应力场的定制定量调控，不引入额外的退火工序，操作简单，工艺成本低，具有良好的工业可行性。通过在硅片背面制造出在历经化学腐蚀和单面抛光后仍然稳定留存的背面特定面型差异，解决了重掺杂n+型硅衬底在lpcvd沉积多晶硅后因应力不平衡导致的翘曲恶化问题，将成品抛光硅片衬底的整片翘曲度稳定控制在10µm以内，满足后道敏感功率器件的高精度加工要求。

37、本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。