硅外延雾状表面形成机制探究范文

摘要：当前，硅外延片作为制备功率MOS等器件的关键支撑材料，对其表面的结晶质量有愈加严格的要求。硅外延片表面一旦存在雾状缺陷也就意味着晶体完整性遭到破坏，后续在器件工艺流片后将直接导致器件漏电大、软击穿，严重影响产出良率。文章通过对表面形貌和微粗糙度的测定，分析了硅外延片出现雾状缺陷的起因，为后续有效防止该现象再生提供了解决思路。

关键词：硅外延片；表面缺陷；雾状表面；微粗糙度

0引言

如今，随着摩尔定律的不断向前演进，功率MOS器件的特征尺寸正在不断缩小，同时对器件的产出成本、性能和良率要求却在不断提高。因此作为器件结构及关键性能支撑材料的硅外延片，在当期情况下对其表面结晶完整性提出了更高的要求［1］。硅片表面上存在微小的缺陷就意味着晶格的排列完整性遭到破坏，极容易引起后续制备的器件呈现漏电大、软击穿等现象，导致整个晶圆的良率下降。随着半导体晶圆良率的接收标准日趋严格，表面缺陷的指标水平已经成为评价产品水平的重要指标。因此研究硅外延片表面微缺陷的形成机制并找到有效的预防措施在当前具有十分重要的意义。现在，外延片的表面质量的检测手段较为丰富，一般可划分为两类方法：（1）非破坏性检测，如在照度不低于200LUX的强光灯目检或者在干涉显微镜下进行观察；（2）破坏性检测，普遍采用择优腐蚀显示法，用Sirtl（针对<111>晶向的硅片）或Wright（针对<100>晶向的硅片）化学腐蚀液对缺陷进行择优腐蚀，然后在显微镜下观察。硅外延片的表面缺陷包括位错、层错、雾、滑移线、棱锥、沾污等［2］。其中雾缺陷在宏观上是一种存在于外延层表面，因表面的不完整性（如表面蚀坑、表面颗粒、缺陷），而在强光灯下引起散射，呈现出花纹状的图样，故无法呈现出正常外延表面的镜面亮片效果，因此一般被判断为雾片。雾的特征主要包括两种：（1）白色状雾。特点为在强光灯下观察呈弥散雾环或局部雾状，甚至可覆盖外延片整个表面，并且通过RCA湿法清洗不可去除。经过化学腐蚀液处理后目视直接观察或在显微镜下观察一些小的腐蚀坑缺陷，在强光灯下因漫散射作用形成观感上的白雾。后续通过XPS，SIMS等仪器检测可发现这种雾缺陷所在的区域作为金属杂质尤其是重金属杂质的诱陷中心，钠、钾、钙、铝、镁等金属杂质的含量较正常外延片偏多。（2）彩色状雾。特点为已经表面检验合格的硅片在储存一段时间后，再次在强光灯下观察时会发现硅片表面局部或者全部呈现彩色状雾。这种外延片在采用表面扫描仪对其进行颗粒检测时，会发现此时表面颗粒严重超标，这些颗粒在强聚光灯下发生散射，因此呈彩色雾状，这种雾通过RCA湿法清洗一般可去除［3-4］。雾存在的位置往往是晶格缺陷富集的区域，金属杂质易于在晶体中沉淀而成为载流子的复合中心，会使硅晶体中少子寿命严重缩短，造成制备器件发生漏电流增加、软击穿等问题，对器件良率构成严重危害。因此在半导体业界研究克服“雾”缺陷的出现显得尤为迫切。但由于形成雾的因素较多，并且通常会包含多种因素的综合作用，至今还未能提出良好的解决方案，已经成为长期困扰半导体业界的问题。本文描述了实验中发现的外延片表面雾状缺陷的异常现象，通过原子力显微镜、金相显微镜对其进行表面观察以及表面金属含量的分析等对外延片的指标进行了测定，最后分析了表面雾状现象产生的来源并给出了相应的解决办法。

1实验

1.1实验设备

实验中沉积硅外延的设备为意大利LPE公司生产的LPE-3061D平板式外延炉，包括晶盒片架放置区、机械手传递窗、外延生长腔体（石墨基座、石英热壁和钟罩组成）以及尾气系统装置。该外延炉采用高频感应的加热方式，具有维护简单，生产效率高的特点，是目前主流的硅外延片生产设备，实验采用的高纯单圈平板式石墨基座，每炉可同时放置8片150mm或5片200mm硅衬底片进行外延层的生长。

1.2衬底材料

为满足功率MOS器件对所需外延片的参数要求，本实验选用（150±0.2）mm掺As的硅单晶衬底进行外延生长。衬底材料晶向为<100>±0.5，导电类型为N型，厚度为（400±25）μm，电阻率为（0.01~0.02）Ώ•cm，衬底背面包覆有（5000±1000）Å的SiO2背封层。实验所需制备的外延层厚度为（40±2）μm，电阻率为（10±2）Ώ•cm，不均匀性要求≤3%，外延层缺陷要求位错密度≤100个/cm2，层错密度≤1个/cm2，表面质量要求无滑移线、雾、划道、沾污、橘皮、崩边等晶体缺陷。

1.3外延工艺

SiHCl3作为硅外延生长原料，纯度为4N，常温下为液态。H2既是参与反应的气体，还起到了携带SiHCl3气体的作用，纯度为6N。采用H2鼓泡的形式将液态SiHCl3转化为气态引入反应生长腔体。磷烷气体纯度为50×10-6，作为外延生长的掺杂源，用于控制外延层的掺杂质量分数。

2结果与讨论

2.1表面形貌分析

每炉产出的外延片全部进行表面质量的检验。方法为在光照度高于200LUX的白色强光灯下直接目检，检验结果发现表面正常的外延片的特点为光亮如镜，异常的外延片正面均呈现满布蓝绿色雾状现象，属于表面异常。对异常外延片先采用常规RCA湿法清洗后，重新在强光灯下检验，观察结果仍为雾状表面，这表明该缺陷不可通过RCA湿法清洗去除，对表面正常外延片（1#）和异常表面（2#）的外延片在MX51型金相显微镜下观测，表面形貌如图2所示，可见表面正常的外延片对应的观察图样比较光滑平整，而表面异常的外延片对应的观察图样则呈现明显较大的表面粗糙现象，结晶质量相对较差。

2.2金属杂质分析

外延生长腔体或气路管道内的金属杂质的引入通常会造成结晶质量的不佳，往往对外延“雾状表面”的形成起到催化作用。因此需要分析外延雾状现象的产生是否与表面金属沾污有关。采用Agilent7500CS电感耦合等离子体原子发射光谱仪（Induc⁃tivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry，ICP-MS）对表面雾状的外延片以及表面正常的外延片同时进行金属杂质分析，结果如表1所示。异常的雾状外延片和正常外延片的表面金属检测指标均符合规范要求（Spec：<5×E10atom/cm2）［3］。因此可以判断雾状现象的产生原因与金属杂质无关。

2.3表面微粗糙度分析

实验利用美国布鲁克公司的DimensionEdge原子力显微镜（AFM）对正常表面的硅外延片（1#），雾状表面的硅外延片（2#）的进行三维形貌分析，扫描范围为10μm×10μm，结果由图3所示。正常的外延表面相对平整，其高低起伏小且变化平缓，平均面微粗糙度Ra值仅为0.074nm，雾状外延片表面呈现明显的高低起伏且变化较陡的岛状结构，平均面微粗糙度Ra达到0.272nm。基于上述测试结果，可认为本实验发现的蓝绿色的雾状外延表面高低起伏的特征将是造成雾状观感的主要原因。这种表面特征将会造成入射光在外延表面的漫反射，引起观感上的雾状缺陷。为了进一步查明雾产生的原因，分析了硅外延沉积过程中的各工艺环节，包括在H2中的高温烘焙、HCl对表面的气相抛光以及外延生长过程，在各个过程后即对外延片进行表面检验，结果发现衬底表面在通过H2高温烘焙后，在强光灯下观察发现表面无法呈现镜面亮片的效果,即意味着H2高温烘焙的工序后由于硅表面自然氧化层刻蚀速率的不一致造成了衬底的表面粗糙度增大，进而导致后续沉积的外延表面微粗糙度的增大［4］。该现象为解决外延表面的雾状现象提供了方法，因此通过在外延生长工序前减少衬底的粗糙度有望解决这一问题。本实验通过将H2烘焙的流量由初始设定的100slm提高至150slm，在生长外延后再用强光灯下检验，未再发现雾状现象，因此可以判定当H2流量的升高保证了硅表面氧化层刻蚀的一致性，降低了衬底的表面粗糙程度，保证了外延后的表面光亮如镜。

3结语

本文通过实验发现外延后表面出现雾状缺陷并非仅仅源于通常认为的金属杂质污染问题，本实验中观察的现象认为雾的观感主要源自外延片表面较大的微粗糙度，造成强光灯下光线在外延表面的散射现象。该现象产生的原因与H2高温烘焙的工艺设定条件密切相关，当增大H2的流量可以保证刻蚀氧化层速率的一致性，降低表面的微粗糙度，实现外延片表面质量的提高。

作者：周幸 单位：中国电子科技集团公司第四十六研究所