外延參數(shù)穩(wěn)定性控制方法

王海紅，高 翔

（上海先進(jìn)半導(dǎo)體有限公司, 上海 200233）

1 引言

在單晶襯底上生長(zhǎng)一層單晶薄層的工藝，稱為外延（Epitaxis）。該詞按字母是由兩個(gè)希臘單詞（意義為“在上面的”epi和意義為“有序的”taxis）拼寫而成，其意思為在一個(gè)晶體襯底上生成結(jié)晶薄層的方法。新生單晶層是按襯底晶向生長(zhǎng)的，并可根據(jù)需要控制其導(dǎo)電類型、電阻率和厚度等，且這些參數(shù)不依賴于襯底片中的雜質(zhì)種類和摻雜水平[1]。

硅外延工藝是眾多器件研制中必須的工藝之一，外延層質(zhì)量的好壞直接影響到器件的性能、成品率和可靠性，由于器件有源區(qū)幾乎都制作在外延層中，因此外延層的質(zhì)量更是關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。外延工藝要求外延層厚度和電阻率均勻性要好，批量生產(chǎn)時(shí)要求外延參數(shù)的穩(wěn)定性、均勻性和可重復(fù)性都能得到較好的控制。

外延厚度主要由外延爐結(jié)構(gòu)、主氣流分布、外延淀積溫度、硅源濃度等共同決定[3]。外延電阻率主要由每爐的主摻雜質(zhì)、外延爐系統(tǒng)自摻雜、外延片的固態(tài)外擴(kuò)散、氣相自摻雜等共同決定[4]。

2 問題

芯片代工廠在外延生產(chǎn)時(shí)的常規(guī)方法是每累積淀積一定的外延厚度時(shí)須刻蝕掉基座上的硅并包一層本征硅，以消除淀積在基座上的硅對(duì)外延參數(shù)的影響，桶式爐工藝的基座刻蝕還有防止基座過臟而掉片的作用。實(shí)際生產(chǎn)過程中我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)刻蝕基座后的第1爐外延參數(shù)突變，主要表現(xiàn)為外延厚度或電阻值突變，但刻蝕基座后的第2爐外延參數(shù)又恢復(fù)正常，為避免外延參數(shù)異常對(duì)產(chǎn)品良率的影響，多年來公司的桶式爐每次刻蝕基座后都是空做一爐再工藝產(chǎn)品，但刻蝕基座加空爐占用的時(shí)間對(duì)產(chǎn)能影響很大（如圖1所示）。

圖1 優(yōu)化程序前刻蝕基座對(duì)產(chǎn)能的影響

因空爐浪費(fèi)了大量的氣體、陪片、人工等成本，且對(duì)產(chǎn)能影響較大，部門成立了課題小組進(jìn)行改進(jìn)。

3 外延厚度穩(wěn)定性控制

3.1 外延厚度異?，F(xiàn)象

3.1.1 部分產(chǎn)品在機(jī)臺(tái)刻蝕基座后第1爐外延厚度偏厚

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分產(chǎn)品在刻蝕基座后的第1爐外延厚度偏厚的現(xiàn)象。圖2所示為某一產(chǎn)品連續(xù)多爐的外延厚度數(shù)據(jù)（每列縱向的5點(diǎn)表示此爐片內(nèi)5點(diǎn)數(shù)據(jù)，最下列1～36表示爐次），從數(shù)據(jù)上看刻蝕后第1爐外延厚度偏厚。

圖2 刻蝕基座后的第1爐外延厚度偏厚

3.1.2 部分產(chǎn)品在機(jī)臺(tái)刻蝕基座后第1爐外延厚度偏薄

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，除了上述刻蝕基座后第一爐外延厚度偏厚的現(xiàn)象，還會(huì)發(fā)生部分產(chǎn)品在刻蝕基座后的第1爐外延厚度偏薄的現(xiàn)象。圖3所示為某一產(chǎn)品連續(xù)多爐的外延厚度數(shù)據(jù)（每列縱向的5點(diǎn)表示此爐片內(nèi)5點(diǎn)數(shù)據(jù)），從數(shù)據(jù)上看刻蝕后第1爐厚度略偏薄。

圖3 刻蝕基座后的第1爐外延厚度偏薄

我們收集了從同一機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的不同規(guī)格的各種產(chǎn)品的在線數(shù)據(jù)，不同規(guī)格的產(chǎn)品在同一機(jī)臺(tái)所采用的程序不同。從異常分布來看，似乎基座刻蝕后第一爐厚度偏厚或偏薄現(xiàn)象只與某種產(chǎn)品有相關(guān)性，而在該機(jī)臺(tái)上工藝的部分其他產(chǎn)品厚度則無異常，將該產(chǎn)品放在其他機(jī)臺(tái)上工藝時(shí)則發(fā)現(xiàn)刻蝕后第一爐的厚度正常，該機(jī)臺(tái)與其他機(jī)臺(tái)的區(qū)別是所采用的程序不同。從結(jié)果來看，程序應(yīng)該是造成基座刻蝕后第一爐厚度異常的主要原因。

3.2 分析并解決

統(tǒng)計(jì)并分析了歷年來出現(xiàn)異常的各爐次，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工藝程序在淀積時(shí)的氫氣流量與刻蝕基座程序在淀積時(shí)的氫氣流量有較大差異時(shí)，刻蝕基座后的第1爐外延厚度會(huì)突變。

當(dāng)工藝程序淀積時(shí)主氫（HM）流量遠(yuǎn)小于刻蝕基座程序時(shí)，刻蝕后的第1爐外延厚度會(huì)偏厚。當(dāng)工藝程序淀積時(shí)主氫（HM）流量遠(yuǎn)大于刻蝕基座程序時(shí)，刻蝕后的第1爐外延厚度會(huì)偏薄。

表1 程序優(yōu)化前的氫氣流量對(duì)比

為此優(yōu)化刻蝕基座程序，將刻蝕程序中淀積這一步的氫氣流量改成與將要工藝的外延產(chǎn)品程序一致。

表2 程序優(yōu)化后的氫氣流量對(duì)比

優(yōu)化后取得了明顯的效果，經(jīng)在多機(jī)臺(tái)驗(yàn)證刻蝕基座后外延厚度都恢復(fù)了正常。

4 外延電阻率穩(wěn)定性控制

4.1 外延電阻率異常現(xiàn)象

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，少數(shù)機(jī)臺(tái)刻蝕基座后的第1爐外延電阻率偏高，未發(fā)現(xiàn)有機(jī)臺(tái)刻蝕基座后電阻率有明顯偏小的現(xiàn)象。

圖5為某一產(chǎn)品連續(xù)多爐的外延電阻率數(shù)據(jù)（每列縱向的5點(diǎn)表示此爐片內(nèi)5點(diǎn)數(shù)據(jù)），從數(shù)據(jù)上看刻蝕后第1爐電阻率偏高。

圖4 程序優(yōu)化后刻蝕基座后的第1爐外延厚度正常

圖5 刻蝕基座后的第1爐外延電阻率偏高

從收集到的現(xiàn)象上看，異常只按機(jī)臺(tái)分布，與產(chǎn)品規(guī)格和種類無關(guān)，同一機(jī)臺(tái)所工藝的所有產(chǎn)品在機(jī)臺(tái)刻蝕基座后第1爐外延電阻率都異常，設(shè)備工程師對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行多次檢修未找到導(dǎo)致異常的原因。

4.2 分析并解決

因?yàn)樽畛醯目涛g基座是通過基座的刻蝕再包一層本征硅，反應(yīng)爐內(nèi)原本的剩余摻雜氣體通過趕氣基本被排到腔外。同時(shí)基座上包了一層本征硅，改變了反應(yīng)腔內(nèi)的氣氛，減少了外延爐內(nèi)的系統(tǒng)摻雜，從而使得刻蝕基座后第1爐電阻率偏高。

因刻蝕基座后的第2爐外延電阻率正常，設(shè)想如能將刻蝕后的第1爐合并到刻蝕基座程序中可能會(huì)有相同的效果，為此嘗試了在刻蝕程序中基座包硅后又增加一步淀積（淀積時(shí)的溫度及各流量與將要工藝的程序完全相同）。

優(yōu)化后取得了明顯的效果，使用優(yōu)化的程序后刻蝕基座后第1爐外延電阻率恢復(fù)正常。

圖6 優(yōu)化程序后刻蝕基座后的第1爐外延電阻率正常

表3 程序優(yōu)化前后淀積時(shí)對(duì)比

因多了一步淀積及淀積前的預(yù)處理，優(yōu)化后的刻蝕基座程序比原程序增加了約0.4～1 h（視將要工藝的程序而定），對(duì)產(chǎn)能還是有一定的影響。通過不斷地嘗試、驗(yàn)證及優(yōu)化，在確保相同效果的前提下最終優(yōu)化后的刻蝕基座程序只比未優(yōu)化的程序多了10 min。

5 效果

通過優(yōu)化基座刻蝕程序，解決了刻蝕后第1爐在線參數(shù)異常的問題，避免了產(chǎn)能、氣體、陪片、人工等成本的浪費(fèi)，約提升桶式爐產(chǎn)能10.6 %，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也大大緩解了公司外延產(chǎn)能緊缺的壓力。

優(yōu)化程序后刻蝕基座對(duì)公司主要產(chǎn)品產(chǎn)能的影響如圖7所示。

6 結(jié)論

調(diào)整刻蝕基座程序中淀積時(shí)的氫氣流量，使之保持與將要工藝的程序中淀積時(shí)的氫氣流量一致，解決了桶式爐外延厚度突變的問題。在刻蝕基座程序中本征包硅后再增加一步淀積（第2步淀積時(shí)溫度及各流量設(shè)置須與將要工藝的程序設(shè)置成完全一致）解決了桶式爐外延電阻率突變的問題。通過優(yōu)化基座刻蝕程序，平均產(chǎn)能提升約10.6%。

圖7 優(yōu)化程序前后刻蝕基座對(duì)產(chǎn)能影響的對(duì)比

[1] 劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.微電子技術(shù)工程——材料、工藝與測(cè)試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.83-146.

[2] 劉學(xué)如.硅外延層電阻率測(cè)量值一致性研究[J].微電子學(xué)，1996（3）：198-200.

[3] 劉玉嶺，申勇，韓毅.硅外延層厚度一致性的實(shí)驗(yàn)研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1983（1）：23-29.

[4] 朱麗娜，閔靖.硅外延片中的雜質(zhì)控制[J].上海有色金屬，2003（1）：32-38.