摘 要：在外延加工過程中定期檢漏，定期維護，及時監(jiān)控防漏。如果系統(tǒng)漏氣，系統(tǒng)氣密性不良，H2的純化不夠，造成外延系統(tǒng)中的氧含量的增加以及清洗時殘留水印等，會造成嚴重的霧片和微缺陷，嚴重影響器件的性能，所以必須使用專業(yè)檢漏儀器定期對系統(tǒng)進行檢漏，定期對系統(tǒng)進行維護。氣源使用末期也要進行氣源純度的驗證，氣源剩余量不能超出設(shè)定的下限。

　　關(guān)鍵詞：外延片,表面缺陷,云霧狀缺陷

　　本文對金屬及多種雜質(zhì)的存在與硅外延片缺陷的相關(guān)性進行了分析，同時也給出了解決方法。

　　1.在外延加工過程中，受襯底及外延工藝條件，系統(tǒng)設(shè)置等的影響，外延后會出現(xiàn)各種外延缺陷。外延缺陷的存在，使晶體排列規(guī)律發(fā)生改變，晶格不完整，造成器件漏電，功能異常。

　　按照外延缺陷在外延層的位置可分為兩大類：一類是在表面的外延缺陷，也叫宏觀缺陷，一般都可以通過強光燈目視及金相顯微鏡看到，如亮點，塌邊，角體錐，圓錐體、月牙、魚尾、橘皮，霧狀表面等;另一類是存在外延層內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)缺陷，也叫微觀缺陷，如層錯、滑移線、位錯、高阻夾層等。

　　其中霧狀表面是一種存在于外延層表面，呈現(xiàn)霧狀的晶體缺陷。經(jīng)過化學腐蝕顯示后目視直接觀察到，如果在顯微鏡下觀察則是一些小的腐蝕坑缺陷。霧狀表面是因為腐蝕坑的漫散射作用，在強光燈下觀察缺陷呈白霧狀，這種缺陷在外延表面有時呈彌散狀，有時呈局部霧斑，嚴重時覆蓋外延片整個表面。<111>面上，這些缺陷呈淺正三角形平底坑，或呈V形或棒形，常見尺寸為0.1-0.8微米，稱為霧點。用離子探針分析有霧狀缺陷的外延片，發(fā)現(xiàn)所含雜質(zhì)有鈉，鉀，鈣，鋁，鎂，氧，碳等.早有通過SIMS的研究論證了重金屬雜質(zhì)和微缺陷在硅片中的特性和分布規(guī)律為：金屬雜質(zhì)常處在硅單晶的界面3-4微米的范圍內(nèi)，又集中在表層和晶格缺陷處等，因為缺陷位置可以形成金屬雜質(zhì)的誘陷中心，另外金屬離子尤其是重金屬離子是深能級雜質(zhì)，它能復合硅單晶中的電子，空穴，使晶體中少子壽命嚴重減小，漏電流增加。這些金屬雜質(zhì)在硅中有很大的擴散系數(shù)，由于擴散系數(shù)大，當硅單晶片在高溫下反復加工時，雜質(zhì)會進入硅片內(nèi)部，使器件漏電流增大，PN結(jié)軟擊穿，特別是雙極型器件E-C問題，材料電阻率會發(fā)生變化。 再有，這些金屬雜質(zhì)極易在晶體中的缺陷處沉淀，在沉淀周圍產(chǎn)生應力是產(chǎn)生PN結(jié)漏電流大，軟擊穿的主要原因之一。

　　2.下面來分析一下這些霧狀缺陷中雜質(zhì)的來源，硅外延片中的雜質(zhì)來源于多種渠道，硅外延片使用的襯底即硅單晶片切片、磨片、拋過程中的沾污，其余工序中也可能帶入;硅外延淀積過程中的雜質(zhì)污染。

　　2.1硅單晶制備過程中磨削過程是金屬雜質(zhì)沾污的一個重要原因，磨削過程中可能帶入鈉，鎂，鈣，等金屬離子，還有磨盤上的鐵離子在研磨過程中可能會吸附在加工材料的表面，在后續(xù)外延過程中會帶入反應室。所以采用在磨削溶液中加入螯合劑，螯合劑能與不穩(wěn)定的金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物從而去除金屬離子。 2.2外延過程中引入雜質(zhì)及解決方法：

　　2.2.1外延用襯底吸雜：在襯底背面淀積一層多晶硅然后覆蓋一層SIO2背封層，或者進行背損處理，以阻擋外延系統(tǒng)及基座的雜質(zhì)沾污，另一方面有效地吸除金屬雜質(zhì)。襯底自身高溫揮發(fā)出來的雜質(zhì)會在背面多晶，背損區(qū)域被誘陷。

　　2.2.2使用高純度的氣源，氣源使用初期應該先檢漏再趕氣充分，后通過工藝驗證合格，比如測試硅本征電阻率，擴散長度，金屬含量測試等。在外延加工過程中定期檢漏，定期維護，及時監(jiān)控防漏。如果系統(tǒng)漏氣，系統(tǒng)氣密性不良，H2的純化不夠，造成外延系統(tǒng)中的氧含量的增加以及清洗時殘留水印等，會造成嚴重的霧片和微缺陷，嚴重影響器件的性能，所以必須使用專業(yè)檢漏儀器定期對系統(tǒng)進行檢漏，定期對系統(tǒng)進行維護。氣源使用末期也要進行氣源純度的驗證，氣源剩余量不能超出設(shè)定的下限。

　　2.2.3外延基座及鐘罩，石英配件等必須處理充分，在外延前對以上設(shè)備工裝進行高溫烘烤，刻蝕處理，以去除其上疏松的多晶硅可能吸附的空氣中之金屬等多種雜質(zhì)，尤其是在進行工裝更換之后，高溫烘烤和刻蝕基座和鐘罩是非常有必要的。一般經(jīng)過幾個CYCLE的高溫，HCL刻蝕過程，系統(tǒng)中的雜質(zhì)及輕金屬就可以隨著帶出反應室。存在于基座，鐘罩及系統(tǒng)中的輕金屬在HCL刻蝕時的反應如下：

　　金屬+SIC→金屬硅化物+C

　　金屬硅化物+HCL →金屬氯化物+SICL4

　　輕金屬被HCL 腐蝕后形成易揮發(fā)的金屬氯化物，而被帶出反應室，最終不易造成金屬沾污。

　　但是重金屬雜質(zhì)質(zhì)量大，且物質(zhì)在氣相中的擴散系數(shù)大體上與其物質(zhì)的分子量成正比，因而較難擴散出滯留層面帶出反應室外，仍有一部分金屬雜質(zhì)存留在滯留層內(nèi)或又重新吸附在拋光后的硅片表面，進而在外延生長時進入外延層。反應如下：

　　SIC+HCL+金屬→SICL4+CXHY+金屬。

　　重金屬在HCl和SIC的反應中充當了催化劑，對“霧”的形成主要起了催化劑的作用，這些金屬會一直留在基座，鐘罩及系統(tǒng)內(nèi)，而不能被帶出反應室。所以采用高溫BAKE,氣源變流量進行解吸過程，即采用比外延溫度高出50度-100度的高溫，氣源流量變流量循環(huán)6個周期。高溫會使基座，鐘罩，襯底等石英舟的雜質(zhì)揮發(fā)，從而減少自摻雜效應，高溫變流量會使反應腔內(nèi)的氣體滯流層由靜態(tài)變化到動態(tài)，會有效的解吸掉這些重金屬雜質(zhì)，并排除反應室。然后再按照正常外延的工藝設(shè)定進行生產(chǎn)。解吸工藝大大減低了缺陷密度，從而為大規(guī)模集成電路提供優(yōu)質(zhì)表面的襯底。

　　2.2.4硅單晶片在外延之前氣相拋光充分，在外延生長前氣相拋光時，將吸附在硅片表面的有害雜質(zhì)和損傷層去掉。

　　硅單晶表面存在著未飽和鍵，根據(jù)朗格繆爾吸附理論，這種剩余鍵力使硅表面存在力場。這種力場將和與之接觸的物質(zhì)分子，原子，離子等進行類似化學反應的作用，并放出熱量。 所以雜質(zhì)污染很容易吸附在硅片表面，不容易去除，所以在外延加工過程中高溫 H2 BAKE襯底片，使其內(nèi)部雜質(zhì)得到揮發(fā)，離開襯底表面，從而減少缺陷的進一步延伸。

　　2.2.5操作工具的雜質(zhì)沾污：如真空筆接觸基座;系統(tǒng)鐘罩，石英配件在清洗過程中碰觸到金屬制品，操作人員徒手部分觸碰到等從而造成系統(tǒng)的沾污。

　　2.2.6量產(chǎn)設(shè)備的工裝維護和維修時不能采用實驗和調(diào)試用的工裝，避免交叉雜質(zhì)沾污。比如調(diào)試設(shè)備使用的基座不能用在量產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)中。

　　2.2.7外延工藝溫度不能太低，溫度太低會造成拋光不充分，氣源反應不充分，造成表面霧狀缺陷。

　　2.2.8 硅片在清洗和存放過程中，雖然試劑和存放環(huán)境是超凈的，但由于表面力場的存在，會將周圍和流過表面氣體中的超微量雜質(zhì)吸附于表面，從而滿足硅片表面不飽和鍵的吸附。所用使用SC1 SC2 去除表面雜質(zhì)沾污和金屬沾污。尤其是SC2對金屬離子去除有很好的效果，其中H2O2的加入有效抑制了金屬的沉淀。

　　通過各個環(huán)節(jié)工藝的改進可使硅片表面缺陷降低3-4個數(shù)量級，達到亮片效果。

　　3.結(jié)論：外延霧狀缺陷嚴重影響到產(chǎn)品的成品率及器件性能。金屬及雜質(zhì)沾污是霧狀缺陷形成的主要原因。單晶制備過程、外延加工過程雜質(zhì)及金屬沾污不可避免。磨削液中加入螯合劑，硅片清洗通過SC1 SC2，外延加工工藝溫度的正確設(shè)定、襯底預備處理充分、氣源的正確使用對去除硅片表面金屬及其余雜質(zhì)沾污效果明顯。

　　參考文獻：

　　[1] 黃樹新.均勻摻雜硅外延層電阻率的電容測量法[J] .浙江大學學報，1984,18(4)：101-107.

　　[2] 劉大力.300mmSi外延片表面顆粒缺陷的研究[J]. 稀有金屬，2012,36(3)：446-449

　　[3] Severin, P. J., and Poodt, G. J.,“ Capacitance-Voltage Measurements with a Mercury-Silicon Diode,” Journal of The Electrochemical Society, Vol 119, 1972, pp. 1384–1388.