1. 引言
目前半導(dǎo)體IC產(chǎn)業(yè)進(jìn)入大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時(shí)代，集成電路的特征向著納米尺寸發(fā)展，這就要求集成電路用表面質(zhì)量越來越高的單晶硅片或者外延硅片，表面如有加工過程的機(jī)械損傷等，會(huì)造成外延表面的缺陷或者層錯(cuò)，這也會(huì)給后續(xù)器件加工帶來良率損失。根據(jù)目前硅片加工技術(shù)看，拋光襯底或者外延襯底表面粗糙度基本在納米級(jí)別，微電子技術(shù)從微米級(jí)進(jìn)入到納米級(jí)，甚至到14或者7 nm級(jí)別，對硅片表面的微粗糙度或者顆粒的特征粒徑尺寸要求越來越小 ，150 mm或者200 mm重?fù)絾尉L外延后，需要嚴(yán)格管控表面顆粒和缺陷水平，如果顆粒過多，會(huì)造成外延缺陷，影響產(chǎn)品成品率和表層質(zhì)量，一般要求硅片顆粒小于特征線寬的三分之一。通常情況下，由于襯底原因或者外延原因造成的外延層霧狀缺陷，通過清洗的方式是去除不掉的，所以一般會(huì)考慮襯底或者外延工藝改進(jìn)。有些學(xué)者也利用原子力顯微鏡進(jìn)行微觀分析霧狀微觀形態(tài)，霧狀區(qū)域起伏較大 。對于影響外延片表面顆粒質(zhì)量的，我們需要從襯底片表面和外延反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探討，襯底表面粗糙度增大，會(huì)嚴(yán)重影響外延片的表面質(zhì)量 ，同時(shí)外延工藝中合適氣體的選擇使用也會(huì)進(jìn)一步提高外延片表面的質(zhì)量。
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本文發(fā)現(xiàn)部分拋光硅片在外延后出現(xiàn)0.12 um顆粒聚集分布現(xiàn)象，外延爐同爐其他批次外延后均未發(fā)現(xiàn)有類似現(xiàn)象。為解決此類問題，我們對拋光片襯底微粗糙度進(jìn)行分析，并外延驗(yàn)證。
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2. 實(shí)驗(yàn)部分
實(shí)驗(yàn)樣品為150 mm重?fù)?/span>As硅片，厚度675 ± 15 um，晶向<111>，電阻率2~4 mohcm，本實(shí)驗(yàn)通過硅拋光機(jī)將硅片拋光，然后使用清洗機(jī)經(jīng)過SC1和SC2清洗干燥；利用KAL Tencor SP1測試表面顆粒；然后進(jìn)行外延生長，生長溫度1100℃，外延厚度50~60 um；外延后利用SP1測試表面顆粒分析。
拋光片利用NiKon eclipse L200N顯微鏡測試表面形貌，利用NEW VieW8000系列非接觸3D表面輪廓儀測試表面形貌和粗糙度。
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3. 結(jié)論與分析
3.1. 外延后小顆粒微缺陷形成機(jī)理的探討
單晶經(jīng)過線切割，倒角，研磨，腐蝕、LTO (低溫氧化硅薄膜)薄膜，拋光，清洗后，制成拋光硅片，拋光硅片會(huì)經(jīng)過參數(shù)，顆粒等檢測，顆粒檢測中的haze能夠體現(xiàn)表面的粗糙程度。由于制成硅片的晶體硅在高溫結(jié)晶過程中，會(huì)有各種微小缺陷，比如COP (單晶原生缺陷)，硅片經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光后，這種原生缺陷，以及拋光微粗糙都會(huì)在硅片表面體現(xiàn)，同時(shí)表面硅原子與空氣中氧氣反應(yīng)，生產(chǎn)表面自然氧化膜。如圖1，硅片表面相對粗糙，自然氧化膜生長分布不均勻，在COP以及微粗糙度大的區(qū)域，裸露硅原子和外界氧鍵合形成硅表面的自然氧化層。
這種表面微粗糙的硅片，在外延過程高溫條件下H2和表面氧化層SiO2反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如下：
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根據(jù)上面反應(yīng)公式看，高溫下SiO2和H2反應(yīng)，表面氧化物去除，最后形成Si-H鍵，但是表面存在微粗糙，以及COP內(nèi)部未反應(yīng)區(qū)域，會(huì)有殘留Si-O，經(jīng)過H2高溫處理后，微粗糙度大的區(qū)域以及COP密度高的區(qū)域，在外延過程中，會(huì)產(chǎn)生表面小顆粒等微缺陷，如果表面粗糙程度足夠大，甚至?xí)a(chǎn)生pit，以及外延橘皮等現(xiàn)象。
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3.2. 表面小顆粒微缺陷探測分析
表面顆粒檢測儀KLA Tencor SP1利用Normal模式進(jìn)行外延表面測試，發(fā)現(xiàn)0.12 um大小的顆粒較多，然而利用Oblique模式測試不能探測到，在SP1探測模式里面Normal模式屬于直射激光光散射檢測，而Oblique模式屬于斜入射激光散射檢測，對于表面微粗糙程度高的硅片，垂直入射激光檢測方式更能體現(xiàn)外延小顆粒微缺陷分布。
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3.3. 表面微觀形貌對外延表面的影響
外延溫度1100℃，外延50 um，經(jīng)過外延后，外延片表面利用Normal模式進(jìn)行外延表面測試，發(fā)現(xiàn)硅片表面0.12 um顆粒較多，分布在中心和邊緣位置。拋光工藝經(jīng)過改善后，重新拋光硅片，再次經(jīng)過外延后，外延片表面0.12 um顆粒明顯減少，同時(shí)利用顯微鏡觀察拋光片表面，硅片表面平坦，。可見拋光片表面粗糙程度對外延后的0.12 um小顆粒有較大影響。
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