國(guó)產(chǎn)硅片錐形缺陷的改善方法

陸振杰 李杰 郎玉紅

摘 ?要： 針對(duì)某國(guó)產(chǎn)硅片在驗(yàn)證過(guò)程中的錐形缺陷，通過(guò)優(yōu)化拉晶和制作工藝中的等待時(shí)間管控，減少硅片的缺陷，提升硅片的質(zhì)量.

關(guān)鍵詞： 國(guó)產(chǎn)硅片; 錐形缺陷; 硅片磨邊; 等待時(shí)間

中圖分類號(hào)： TN 47 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ? ?文章編號(hào)： 1000-5137（2020）04-0483-04

Abstract： The cone defects in the verification of domestic silicon wafer were focused and studied in the paper.By optimizing the control of the waiting time in pulling and producing during the silicon wafers process，the cone defects of silicon wafers were reduced and the quality of silicon wafer was greatly improved.

Key words： domestic silicon wafer; cone defect; silicon wafer edging; waiting time

0 ?引 ?言

硅片，又稱晶圓，是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料.硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中.硅晶圓的制造有三大步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型[1].晶圓的制造屬于 “航天級(jí)”的尖端技術(shù)，難度系數(shù)較大.目前全球能制造高純度電子級(jí)硅的企業(yè)不足100家，由于布局早、產(chǎn)業(yè)鏈成熟，信越半導(dǎo)體、盛高、環(huán)球晶圓、世創(chuàng)、LG（現(xiàn)已更名為SK）等晶圓企業(yè)幾乎承擔(dān)了全球80%的晶圓供應(yīng)量，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其是在大尺寸的晶圓生產(chǎn)上，且晶圓市場(chǎng)長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)[2].

國(guó)產(chǎn)硅片的研發(fā)和制造起步較晚，但進(jìn)度很快.近幾年，中國(guó)大陸在晶圓生產(chǎn)上，逐步形成了長(zhǎng)三角、中西部為核心，輻射周邊區(qū)域的局面，目前很多企業(yè)都具備8英寸晶圓的生產(chǎn)能力，但12英寸晶圓的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟.隨著國(guó)家02專項(xiàng)的推進(jìn)，國(guó)產(chǎn)硅片勢(shì)必會(huì)在硅片產(chǎn)業(yè)中扎實(shí)發(fā)展.

錐形缺陷是硅片驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題.錐形缺陷顆粒大小在100 nm左右，在微米級(jí)節(jié)點(diǎn)工藝中，其幾乎不會(huì)造成良率損失，但在納米等級(jí)的工藝節(jié)點(diǎn)中，小尺寸顆粒的殘留會(huì)干擾后續(xù)的刻蝕工藝，在溝槽中形成很多顆粒缺陷，可能直接影響芯片的良率，干擾缺陷偵測(cè)過(guò)程.

本文作者就硅片在晶圓制造過(guò)程中出現(xiàn)的錐形缺陷，通過(guò)對(duì)晶圓制備中的磨邊清洗工藝的等待時(shí)間的研究，發(fā)現(xiàn)清洗工藝的等待時(shí)間會(huì)影響后續(xù)錐形缺陷的產(chǎn)生，提出了一種提前偵測(cè)異常硅片的監(jiān)控方法.

1 ?錐形缺陷發(fā)生機(jī)理

1.1 ?錐形缺陷產(chǎn)生的影響因素分析

實(shí)際生產(chǎn)中，并非所有硅片都存在錐形缺陷現(xiàn)象.通過(guò)對(duì)比正常和異常硅片在工藝機(jī)臺(tái)和工藝時(shí)間的收斂性發(fā)現(xiàn)，即硅片在顆粒檢測(cè)機(jī)臺(tái)上（與水平面平行入射）模式（DCN）下，去邊1 mm的顆粒數(shù)量（參數(shù)DCNLLS）與錐形缺陷存在較強(qiáng)相關(guān)性，如圖1所示.

硅片出廠前都需要對(duì)表面的顆粒項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，顆粒檢測(cè)機(jī)入射光源模式有兩種：與水平面有20°夾角斜入射（DCO）及與DCN模式，如圖2（a），2（b）所示[3].傳統(tǒng)硅片關(guān)鍵參數(shù)項(xiàng)目中的顆粒檢查一般采用DCO模式，去邊3 mm，靠近邊緣（邊緣小于3 mm）的顆粒往往被忽略，如圖2（c）所示.

部分正常硅片的DCNLLS可能與異常硅片的DCNLLS數(shù)量相當(dāng)，所以錐形缺陷的產(chǎn)生存在其他的影響因素.因此，將其他可能影響錐形缺陷產(chǎn)生的因素，包括：生產(chǎn)時(shí)間、DCN水平、晶棒位置、拉晶機(jī)臺(tái)和硅片表面粗糙度（是否有環(huán)形分布），綜合在一起，分批次進(jìn)行（試驗(yàn)設(shè)計(jì)）測(cè)試，如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示#09，#11，#24硅片的錐形缺陷明顯，其中，#11，#24硅片的DCNLLS較低，同時(shí)呈現(xiàn)出錐形缺陷，對(duì)比其他硅片發(fā)現(xiàn)這2片硅片的磨邊工藝時(shí)間較長(zhǎng)，而#09硅片的磨邊工藝時(shí)間同樣較長(zhǎng)，所以認(rèn)為磨邊工藝時(shí)間也是錐形缺陷產(chǎn)生的一個(gè)影響因素.

1.2 ?錐形缺陷產(chǎn)生的影響因素驗(yàn)證

錐形缺陷一般形成于干法刻蝕之后，在干法刻蝕過(guò)程中，因硅片中的金屬離子擴(kuò)散游走而形成的金屬硅化物會(huì)附在硅片表面，形成掩模層，影響刻蝕的完成度，最終造成錐形缺陷[4].金屬離子越多，越活躍，形成錐形缺陷的數(shù)量就越多，而硅片的DCNLLS數(shù)量和磨邊工藝時(shí)間都會(huì)影響硅片邊緣金屬的活躍度（圖4）.

一般來(lái)說(shuō)12英寸硅片的拉晶操作采用直拉單晶提拉法[4]，在熱場(chǎng)、磁場(chǎng)以及硅湯液界面環(huán)境的影響下，在硅片的邊緣形成大量氧的沉淀物，這些沉淀物在后續(xù)高溫工藝（1 000 ℃以上）中會(huì)形成Bulk Micro Defect（BMD），通過(guò)經(jīng)典BMD測(cè)試方法[5]，對(duì)晶棒進(jìn)行3 h，780 ℃和16 h，1 000 ℃的高溫退火，切割成硅片，測(cè)試BMD密度，發(fā)現(xiàn)異常硅片的BMD尺寸沒(méi)有明顯變化，但其邊緣處BMD的密度比正常硅片更大.

將多晶硅原料放入石英坩堝中，加熱融化后，用一根籽晶拉直，拉晶過(guò)程中，過(guò)多的BMD會(huì)破環(huán)硅的體心結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致層錯(cuò)[6]，這些層錯(cuò)是金屬離子擴(kuò)散的天然管道，更有利于金屬離子的擴(kuò)散.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證磨邊工藝時(shí)間對(duì)硅片邊緣金屬的影響.正常情況下，磨邊工藝時(shí)間小于1.5 h，沒(méi)有空閑等待時(shí)間，將樣本硅片分成4組，每組2片硅片，磨邊工藝空閑等待的時(shí)間分別是0，1，2和3 h，測(cè)試硅片的金屬離子濃度.結(jié)果顯示，隨著空閑等待時(shí)間的增加，金屬離子（Fe/Ni）的數(shù)量有明顯增加.

綜上所述，當(dāng)硅片邊緣的DCNLLS偏高或者磨邊工藝的空閑等待時(shí)間較長(zhǎng)，都會(huì)導(dǎo)致錐形缺陷的產(chǎn)生.基于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為硅片的DCNLLS和磨邊工藝的空閑等待時(shí)間劃定一個(gè)安全范圍，當(dāng)DCNLLS小于20顆，且磨邊工藝時(shí)間小于1.5 h（沒(méi)有空閑等待時(shí)間）時(shí)，硅片不會(huì)發(fā)生錐形缺陷.

2 錐形缺陷改善方法

2.1 ?DCNLLS管控方法

通過(guò)和國(guó)產(chǎn)硅片廠商合作，最終鎖定一個(gè)關(guān)鍵的拉晶參數(shù)X（處于技術(shù)保護(hù)需要，不能說(shuō)明具體的參數(shù)名稱），X和硅片的DCNLLS數(shù)量有很強(qiáng)的相關(guān)性，通過(guò)優(yōu)化X的設(shè)定，最終達(dá)到對(duì)DCNLLS數(shù)量的合理管控.

由于DCNLLS在晶錠方向有固定的趨勢(shì)分布，表現(xiàn)為晶棒頂部位置較低，晶棒底部位置較高，只需要對(duì)晶錠切割后的Block頭尾2片硅片進(jìn)行DCNLLS測(cè)試，就可以確定該Block硅片是否符合要求（圖5）.

2.2 ?磨邊工藝空閑等待時(shí)間管控方法

將樣本硅片分為2批次同時(shí)作業(yè)，磨邊單批工藝時(shí)間是0.75 h.單批次作業(yè)時(shí)，每片硅片的作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)0.75 h;2批次作業(yè)時(shí)，每片硅片的作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)1.50 h.按此作業(yè)流程，短期內(nèi)，硅片作業(yè)時(shí)間少于1.50 h，待參數(shù)監(jiān)控等系統(tǒng)成熟后，可管控每片硅片實(shí)際工藝時(shí)間，確保其工藝時(shí)間都小于0.75 h.

3 結(jié) ?論

本文主要針對(duì)在國(guó)產(chǎn)硅片推進(jìn)過(guò)程中的錐形缺陷問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防和改善.通過(guò)和國(guó)產(chǎn)硅片廠商的合作，對(duì)比正常和異常的硅片，并比較了硅片生產(chǎn)工藝機(jī)臺(tái)和生產(chǎn)工藝時(shí)間的收斂性.通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響錐形缺陷產(chǎn)生兩大主要因素為：DCNLLS數(shù)量和磨邊工藝的空閑等待時(shí)間.從機(jī)理上，解釋了金屬離子導(dǎo)致錐形缺陷產(chǎn)生的過(guò)程，并通過(guò)有效的監(jiān)控手段，發(fā)現(xiàn)和解決錐形缺陷，防止錐形缺陷的再次發(fā)生.

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（責(zé)任編輯：包震宇）