外延雾表面研究及设备改善

今日推荐段路强 2018-11-09 10:12:21
    1 概述
    随着电子器件技术和应用的发展,对硅器件材料提出了越来越高的要求,外延层作为硅器件制造的基础,它的质量和电路元器件的性能息息相关。但是在实际外延层加工过程中,受衬底及外延工艺条件、系统设置等影响,外延后会出现各种外延缺陷,如亮点、角锥体、橘皮、形变、雾状表面等,这些外延缺陷的存在,使晶体排列规律发生改变,晶格不完整,影响自由载流子的寿命,改变器件中的电子俘获率,使器件的放大、频率等性能变坏,造成器件漏电、参数功能异常等,因此生产中对硅外延的微缺陷程度也提出了很高的要求。
    外延雾表面也是由微观缺陷引起的,雾表面实际上是微观缺陷密度大到一定程度(>104/cm2)后的宏观表现。外延层产生微缺陷后,在强光的照射下,因漫散射作用,在外延片表面能观察到的一种白雾状雾斑,我们称之为外延雾缺陷。这种白雾状缺陷有时呈局部雾状,严重时覆盖整个表面。经过化学腐蚀后,在日光灯下目视可见,在显微镜下呈微小的腐蚀坑状。早期的研究认为雾缺陷与外延的衬底片质量有关,衬底片的金属离子沾污以及外延生长过程中的杂质沾污会引起外延的雾状缺陷。但在实际生产中很少会考虑金属离子沾污问题,其他原因也会引起外延的雾表面。
    2 实验分析
    取有发雾的制品与合格制品进行对比:经过TXRF检测,表面金属含量正常,没有异常的表面沾污,说明发雾原因不是金属离子沾污引起的。
    对发雾样片进行Sirtl腐蚀液腐蚀后进行观察,在金相显微镜下观察表面主要是由一些无数的小黑点缺陷(小丘,突起)组成,显微镜下观察表面橘皮现象严重。该形成的发雾状况,用HF清洗处理不能改变状态,说明不是有表面氧化层存在,对该样片用HCl高温(1150℃)刻蚀约1-2u厚度,该发雾仍然存在。说明发雾造成的缺陷不是在表面形成的,而是在生成外延过程中形成的。
    为了验证缺陷是何时出现的,参考实际工艺生产过程进行了分析:一个完整的外延过程主要分为三个阶段:硅片赶气烘烤阶段、氯化氢刻蚀阶段以及外延淀积阶段。试验按照加工顺序分别获得只完成第一阶段样片一枚,完成第一、二阶段的样片一枚,以及完成第一、二、三阶段的样片一枚。取各階段加工完后的制品进行对比,结果发现:硅片在经过氢气赶气烘烤后就出现表面有发雾情况,显微镜下观测为表面橘皮、粗糙。该发雾表面经过氯化氢刻蚀后仍然存在,再经过外延硅淀积后粗糙程度被放大,形成容易观测到的雾状缺陷。
    为了排除衬底片对外延的影响,对衬底样片进行了确认:通过对衬底片进行酸液(HF:HNO3=19:1)腐蚀,以及高温(1100℃)氮气、氧气氧化及处理后,观察表面,硅片表面平整、无异常染色及缺陷点,说明衬底片无异常,发雾不是由于衬底材料引起的。结合以上试验证实:发雾表面来源于氢气烘烤过程中。
    3 原因调查
    理论上来讲氢气对硅片表面是没有腐蚀作用的,经过氢气处理后表面不应该会出现发雾粗糙情况。分析认为:可能与衬底片存在异常氧化有关,有资料证明,在氢气氛围中有少量的氧化层时,在高温状态下,随着时间变长氧化层厚度会逐渐减少,直至消失。但是在高温氢气氛围中有少量氧气存在时,氧分子会优先与硅发生反应,形成氧化层,随着时间变长再逐渐消失。由于氧化没有发生在整个硅片表面上,所以在氧化层消失后会留下小坑状痕迹,形成氧化雾缺陷,在后续外延淀积时会产生大量的微小缺陷,导致外延发雾。
    为了确定氧化层来源进行了设备检测和试验:测定设备泄漏率,结果显示设备无异常泄漏;测定设备终端氮气、氢气中水汽、氧含量均达到使用要求,未见异常。后续再次重复试验发现几个规律:(1)硅片表面均匀的薄氧化
    层在氢气烘烤时会完全消失且对表面不会造成影响;(2)降低氢气烘烤温度、延长烘烤时间可以改善表面发雾情况。结合理论分析,可以确定:造成硅片表面异常的不是氧气造成氧化缺陷,应该为设备加工腔体内的水汽造成的,当设备加热烘烤时,腔体内的水汽缓慢释放并与衬底片中硅元素发生氧化反应,后续过程中二氧化硅再与氢气发生反应,释放氧分子,由于水汽含量没有达到一定量级,使得硅表面氧化不均匀,硅被氧化后的部分出现小坑状表面,形成发雾。
    经过对设备的研究分析,可以确定腔体内水汽来源主要是由于设备自身系统吸潮造成:由于系统的金属冷却壁附近的多晶硅生成物较疏松,在设备腔体打开时与外部环境接触,极易吸收环境中的水分子,导致金属冷却壁表面以及多晶硅生成物中含水量较高。在设备加热时释放出水汽和硅片表面发生反应,生成氧化层,进而导致硅片表面发雾。
    4 改善思路
    为了减少外延表面发雾情况,有以下两种解决方式:一种是尽量降低水汽对硅片的影响,通过增加低温烘烤时间、增加赶气时气体流量可以有效降低腔体内水汽的含量,减少后续对硅片的影响。但是增加的时间要很长,一般至少需要增加30-40分钟以上,影响设备加工效率。另一种方法是减少腔体部件对水汽的吸收,可以通过减少腔体与外部环境的接触时间和空间来完成。
    通过对设备的结构进行分析发现,设备腔体容易吸潮的部分主要集中在以下几个地方,如图1所示:Seal plate 上密封板,Gas ring气环内侧,Bell jar钟罩内壁, Susceptor石墨基座上,Quartz purge baffle石英导流盘以及Quartz hanger石英吊杆上。在设备正常加工时,减少制品装取片的时间来减少水汽吸附量是不现实的,如果能够隔离设备容易吸潮的部分和外部环境接触,则可以了起到改善水汽吸附的问题。
    为了减少这些部位的水汽吸附量,可以通过降低这些区域的水汽含量来实现。可以通过增加吹扫干燥氮气来减少接触区域的水汽含量,如能够做到如图2所示的效果,在基座升起时对基座周围及密封板区域进行氮气氛围的保护(如图2所示),达到隔绝外部环境气体的目的,应该可以达到想要的效果。
    随后经过增加吹气管路,在设备基座升起时人为对设备周边进行氮气吹扫,再次进行试验时,发现发雾改善效果明显。但是人工吹扫氮气的设备兼容性比较差,不适合设备实际使用,为了能够满足设备自动化需求,需对设备进行部分优化。
    5 设备优化实施
    外延系统的供气气路图,如图3:设备在加工制品状态时,Rot H2反应气体经过PV17阀,从图上圆圈区域进入设备,气体从下气环向上穿过密封板(Seal plate)分成5路支流气体进入反应系统,如果能够在腔体打开时通过该管路进行氮气吹扫,则可以起到部分氮气保护的目的。
    改造实施时需增加一路氮气管路和一个三通气动控制阀以及一个24V电磁阀。控制逻辑关系如图4:通过信号检测盖板位置,盖板位置处于打开时,吹扫氮气开启,否则氮气处于关闭状态。检测信号可以采用监控CLAMS UP状态的系统内部信号(DO 4B的信号),当CLAMS均处于开启状态时,说明腔体处于开启状态(DO 4B为高电平24V),此时电磁阀接通并控制气动阀开启,开启氮气吹扫状态,当盖板关闭时,CLAMS关闭,氮气吹扫结束,设备恢复原来状态。
    改造后气路图如下:增加PV49阀,以及Purge N2管路,在设备加工时PV49处于氮气关闭状态使通过PV17阀的气体能够正常通过,在设备开启状态时,关闭PV17的气体管路,打开Purge管路的氮气,开启设备自动氮气吹洗功能。
    需要注意的是:PV49阀的驱动气体压力控制,一般控制在30 PSI左右,使PV49气动阀阀处于半开启状态,压力过大时PV49将处于全开状态,此时气环进气口哪里将没有氮气吹扫气体出来,影响氮气吹扫保护效果,压力过小时PV49将处于关闭状态,不能进行氮气保护。
    6 结束语
    通过该改造后,设备能够在腔体开启时完成自动氮气保护的功能,几个容易吸潮的区域都将处于干燥氮气的环境内,能有效减少设备腔体打开时的水汽吸收量。经确认改造后设备自动运行状态良好,经过重复试验后未有表面发雾现象发生,说明通过氮气保护后确实能有效改善设备腔体吸收水汽的问题,减少外延雾缺陷的发生。
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