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发表论文正确认识硅外延表面雾缺陷的原因及解

  摘 要:在外延加工过程中定期检漏,定期维护,及时监控防漏。如果系统漏气,系统气密性不良,H2的纯化不够,造成外延系统中的氧含量的增加以及清洗时残留水印等,会造成严重的雾片和微缺陷,严重影响器件的性能,所以必须使用专业检漏仪器定期对系统进行检漏,定期对系统进行维护。气源使用末期也要进行气源纯度的验证,气源剩余量不能超出设定的下限。

  关键词:外延片,表面缺陷,云雾状缺陷

  本文对金属及多种杂质的存在与硅外延片缺陷的相关性进行了分析,同时也给出了解决方法。

  1.在外延加工过程中,受衬底及外延工艺条件,系统设置等的影响,外延后会出现各种外延缺陷。外延缺陷的存在,使晶体排列规律发生改变,晶格不完整,造成器件漏电,功能异常。

  按照外延缺陷在外延层的位置可分为两大类:一类是在表面的外延缺陷,也叫宏观缺陷,一般都可以通过强光灯目视及金相显微镜看到,如亮点,塌边,角体锥,圆锥体、月牙、鱼尾、橘皮,雾状表面等;另一类是存在外延层内部的晶格结构缺陷,也叫微观缺陷,如层错、滑移线、位错、高阻夹层等。

  其中雾状表面是一种存在于外延层表面,呈现雾状的晶体缺陷。经过化学腐蚀显示后目视直接观察到,如果在显微镜下观察则是一些小的腐蚀坑缺陷。雾状表面是因为腐蚀坑的漫散射作用,在强光灯下观察缺陷呈白雾状,这种缺陷在外延表面有时呈弥散状,有时呈局部雾斑,严重时覆盖外延片整个表面。<111>面上,这些缺陷呈浅正三角形平底坑,或呈V形或棒形,常见尺寸为0.1-0.8微米,称为雾点。用离子探针分析有雾状缺陷的外延片,发现所含杂质有钠,钾,钙,铝,镁,氧,碳等.早有通过SIMS的研究论证了重金属杂质和微缺陷在硅片中的特性和分布规律为:金属杂质常处在硅单晶的界面3-4微米的范围内,又集中在表层和晶格缺陷处等,因为缺陷位置可以形成金属杂质的诱陷中心,另外金属离子尤其是重金属离子是深能级杂质,它能复合硅单晶中的电子,空穴,使晶体中少子寿命严重减小,漏电流增加。这些金属杂质在硅中有很大的扩散系数,由于扩散系数大,当硅单晶片在高温下反复加工时,杂质会进入硅片内部,使器件漏电流增大,PN结软击穿,特别是双极型器件E-C问题,材料电阻率会发生变化。 再有,这些金属杂质极易在晶体中的缺陷处沉淀,在沉淀周围产生应力是产生PN结漏电流大,软击穿的主要原因之一。

  2.下面来分析一下这些雾状缺陷中杂质的来源,硅外延片中的杂质来源于多种渠道,硅外延片使用的衬底即硅单晶片切片、磨片、抛过程中的沾污,其余工序中也可能带入;硅外延淀积过程中的杂质污染。

  2.1硅单晶制备过程中磨削过程是金属杂质沾污的一个重要原因,磨削过程中可能带入钠,镁,钙,等金属离子,还有磨盘上的铁离子在研磨过程中可能会吸附在加工材料的表面,在后续外延过程中会带入反应室。所以采用在磨削溶液中加入螯合剂,螯合剂能与不稳定的金属离子形成稳定的螯合物从而去除金属离子。 2.2外延过程中引入杂质及解决方法:

  2.2.1外延用衬底吸杂:在衬底背面淀积一层多晶硅然后覆盖一层SIO2背封层,或者进行背损处理,以阻挡外延系统及基座的杂质沾污,另一方面有效地吸除金属杂质。衬底自身高温挥发出来的杂质会在背面多晶,背损区域被诱陷。

  2.2.2使用高纯度的气源,气源使用初期应该先检漏再赶气充分,后通过工艺验证合格,比如测试硅本征电阻率,扩散长度,金属含量测试等。在外延加工过程中定期检漏,定期维护,及时监控防漏。如果系统漏气,系统气密性不良,H2的纯化不够,造成外延系统中的氧含量的增加以及清洗时残留水印等,会造成严重的雾片和微缺陷,严重影响器件的性能,所以必须使用专业检漏仪器定期对系统进行检漏,定期对系统进行维护。气源使用末期也要进行气源纯度的验证,气源剩余量不能超出设定的下限。

  2.2.3外延基座及钟罩,石英配件等必须处理充分,在外延前对以上设备工装进行高温烘烤,刻蚀处理,以去除其上疏松的多晶硅可能吸附的空气中之金属等多种杂质,尤其是在进行工装更换之后,高温烘烤和刻蚀基座和钟罩是非常有必要的。一般经过几个CYCLE的高温,HCL刻蚀过程,系统中的杂质及轻金属就可以随着带出反应室。存在于基座,钟罩及系统中的轻金属在HCL刻蚀时的反应如下:

  金属+SIC→金属硅化物+C

  金属硅化物+HCL →金属氯化物+SICL4

  轻金属被HCL 腐蚀后形成易挥发的金属氯化物,而被带出反应室,最终不易造成金属沾污。

  但是重金属杂质质量大,且物质在气相中的扩散系数大体上与其物质的分子量成正比,因而较难扩散出滞留层面带出反应室外,仍有一部分金属杂质存留在滞留层内或又重新吸附在抛光后的硅片表面,进而在外延生长时进入外延层。反应如下:

  SIC+HCL+金属→SICL4+CXHY+金属。

  重金属在HCl和SIC的反应中充当了催化剂,对“雾”的形成主要起了催化剂的作用,这些金属会一直留在基座,钟罩及系统内,而不能被带出反应室。所以采用高温BAKE,气源变流量进行解吸过程,即采用比外延温度高出50度-100度的高温,气源流量变流量循环6个周期。高温会使基座,钟罩,衬底等石英舟的杂质挥发,从而减少自掺杂效应,高温变流量会使反应腔内的气体滞流层由静态变化到动态,会有效的解吸掉这些重金属杂质,并排除反应室。然后再按照正常外延的工艺设定进行生产。解吸工艺大大减低了缺陷密度,从而为大规模集成电路提供优质表面的衬底。

  2.2.4硅单晶片在外延之前气相抛光充分,在外延生长前气相抛光时,将吸附在硅片表面的有害杂质和损伤层去掉。

  硅单晶表面存在着未饱和键,根据朗格缪尔吸附理论,这种剩余键力使硅表面存在力场。这种力场将和与之接触的物质分子,原子,离子等进行类似化学反应的作用,并放出热量。 所以杂质污染很容易吸附在硅片表面,不容易去除,所以在外延加工过程中高温 H2 BAKE衬底片,使其内部杂质得到挥发,离开衬底表面,从而减少缺陷的进一步延伸。

  2.2.5操作工具的杂质沾污:如真空笔接触基座;系统钟罩,石英配件在清洗过程中碰触到金属制品,操作人员徒手部分触碰到等从而造成系统的沾污。

  2.2.6量产设备的工装维护和维修时不能采用实验和调试用的工装,避免交叉杂质沾污。比如调试设备使用的基座不能用在量产设备系统中。

  2.2.7外延工艺温度不能太低,温度太低会造成抛光不充分,气源反应不充分,造成表面雾状缺陷。

  2.2.8 硅片在清洗和存放过程中,虽然试剂和存放环境是超净的,但由于表面力场的存在,会将周围和流过表面气体中的超微量杂质吸附于表面,从而满足硅片表面不饱和键的吸附。所用使用SC1 SC2 去除表面杂质沾污和金属沾污。尤其是SC2对金属离子去除有很好的效果,其中H2O2的加入有效抑制了金属的沉淀。

  通过各个环节工艺的改进可使硅片表面缺陷降低3-4个数量级,达到亮片效果。

  3.结论:外延雾状缺陷严重影响到产品的成品率及器件性能。金属及杂质沾污是雾状缺陷形成的主要原因。单晶制备过程、外延加工过程杂质及金属沾污不可避免。磨削液中加入螯合剂,硅片清洗通过SC1 SC2,外延加工工艺温度的正确设定、衬底预备处理充分、气源的正确使用对去除硅片表面金属及其余杂质沾污效果明显。

  参考文献:

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