硅外延片生產(chǎn)中工藝缺陷
——滑移線的成因分析和控制措施

徐衛(wèi)東，肖 健，何 晶

（南京國盛電子有限公司 江蘇南京 211111）

0 引 言

硅外延簡單地說，就是在單晶硅片上生長上一層相對較薄的單晶硅層。一般來說，硅外延是在重?fù)诫s（低電阻率）的襯底上生長一層輕摻雜（高電阻率）單晶硅層，即摻入的雜質(zhì)和硅源沉淀在襯底表面形成外延層。化學(xué)反應(yīng)方程式為：SiHCl3（v）+H2（v）=Si（s）+HCl（v）（1 000～1 200 ℃）。

在硅外延反應(yīng)中，H2的作用主要是作為還原劑和載氣（稀釋氣體），反應(yīng)主要在硅片表面進(jìn)行，如圖1所示。在此過程中，由于腔體溫度分布不均（有時候是溫度過高）產(chǎn)生應(yīng)力，而襯底的表面微損部位會使這種應(yīng)力聚積，導(dǎo)致硅片所受的應(yīng)力總值超出了硅片所能承受的應(yīng)力極限，從而產(chǎn)生外延缺陷，稱之為滑移線，如圖2所示。

圖2 滑移線Fig.2 Slip line

滑移線是硅外延片生產(chǎn)中常見的一種缺陷，它會對硅片的質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，如果滑移線太大，會導(dǎo)致硅片厚度不均勻、表面粗糙度增加，進(jìn)而影響外延片質(zhì)量和電性能。因此，了解滑移線的產(chǎn)生機(jī)理和消除滑移線是硅外延片生產(chǎn)中的一個重要任務(wù)。

1 滑移線的具體表現(xiàn)和產(chǎn)生因素

通過大量的實驗分析可知，在硅外延片生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生外延滑移線的因素是多方面的［1］。滑移線產(chǎn)生于硅外延片生長過程和升降溫過程中，片內(nèi)某些點的應(yīng)力總值大于外界臨界應(yīng)力總值，在生長過程中伴隨著生長應(yīng)力（機(jī)械應(yīng)力）、升降溫過程帶有熱應(yīng)力、襯底在基座片槽各處受熱的不均勻而產(chǎn)生［2］。

硅外延片生產(chǎn)中滑移線的出現(xiàn)方向和襯底晶向相關(guān)。實驗表明，<100>晶向襯底的滑移線呈正交方向，如圖3所示；而<111>晶向的襯底的滑移線之間呈60°夾角，如圖4所示。

圖3 <100>晶向硅片上的滑移線Fig.3 Slip lines on <100> crystalline silicon wafer

圖4 <111>晶向硅片上的滑移線Fig.4 Slip lines on <111> crystalline silicon wafer

實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，<111>晶向的襯底相比<100>晶向的襯底更容易產(chǎn)生滑移線。

依據(jù)多年的生產(chǎn)運行經(jīng)驗，ASM2000設(shè)備產(chǎn)生滑移線的主要因素一般有如下幾個：①硅外延片生長前升溫過快；②氣腐和淀積溫度過高；③腔體溫度分布不均勻；④生長速率太快；⑤襯底邊沿的倒角處理不當(dāng)；⑥襯底表面有損傷；⑦石墨基座本身問題；⑧其他外界環(huán)境不達(dá)標(biāo)。

2 解決滑移線的一般措施

依據(jù)滑移線產(chǎn)生的幾種主要因素，總結(jié)歸納最大影響因子為硅片襯底、石墨基座、溫度控制。

因素一：硅片襯底因素。由于加工缺陷，導(dǎo)致襯底容易產(chǎn)生滑移線，排查時，可以優(yōu)先選擇更換襯底驗證，操作簡單，出結(jié)果快。通過更換不同批次的襯底驗證，沒有滑移線就證明襯底異常；依然有滑移線就證明不是襯底原因?qū)е拢梢岳^續(xù)驗證其他因素。

目前，襯底在加工過程中已經(jīng)引入了邊緣倒角拋光工藝步驟，隨著邊緣拋光工藝技術(shù)的成熟，襯底端引入的機(jī)械應(yīng)力已得到明顯改善［3］。

因素二：石墨基座因素。在驗證過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)滑移線始終固定在一個位置時，就可以旋轉(zhuǎn)基座180°后再次驗證，假如滑移線出現(xiàn)位置跟隨基座變化，那就是石墨基座異常導(dǎo)熱不均勻?qū)е鹿杵a(chǎn)生滑移線，這種情況一般只能通過維護(hù)更換基座來解決。

目前，在基座上挖圓柱形的凹槽會導(dǎo)致基座上的特定溫度分布，用這個溫度分布去補(bǔ)償平行基座上硅片的溫度分布是有效的。經(jīng)過補(bǔ)償之后，硅片的溫度比較均勻，應(yīng)力可以降到臨界值以下，有效抑制了外延過程中晶片的滑移或位錯運動［4］。

因素三：溫度控制因素，排除其他相關(guān)因素的影響，在外延生長過程中的溫場差異已經(jīng)成為外延片表面滑移線產(chǎn)生的主要因素。

要了解溫場的分布情況，首先需要通過一片注入片來觀察溫場的實際分布情況，如圖5所示。

圖5 注入片內(nèi)測試點Fig.5 Test points in wafer

依據(jù)測試結(jié)果，調(diào)整offset參數(shù)，由于ASM2000機(jī)臺有4個溫區(qū)，閉環(huán)加熱系統(tǒng)各自獨立，改變其中一個溫區(qū)的溫度會影響其相鄰溫區(qū)的加熱功率。如提高側(cè)面溫區(qū)offset，其余溫區(qū)offset設(shè)置不變，相應(yīng)的側(cè)面溫區(qū)加熱功率升高，其余3個溫區(qū)的加熱功率會隨之降低，而此時外延爐溫度變化會與offset參數(shù)變化對應(yīng)［5］。

調(diào)整措施：根據(jù)滑移線出現(xiàn)的位置，一般通過兩片注入片，在4個溫區(qū)中優(yōu)先更改滑移線出現(xiàn)的溫區(qū)offset，一片溫區(qū)offset減溫度，另一片溫區(qū)offset加溫度，觀察哪一片滑移線加重和減輕，往滑移線減輕的那一片參數(shù)靠攏設(shè)置，直到滑移線消失。

3 解決滑移線不穩(wěn)定的一般措施

實際生產(chǎn)中會發(fā)現(xiàn)，通過以上方法調(diào)整滑移線消失了，但在正常生產(chǎn)運行一段時間后，監(jiān)控陪片或正片發(fā)現(xiàn)滑移線又會出現(xiàn)。出現(xiàn)這種情況一般有2種原因：①設(shè)備備件臨近壽命；②溫度波動大。

排查原因①：檢查燈管和點光源燈絲是否老化嚴(yán)重，燈絲支撐架是否已經(jīng)有脫落的跡象，燈絲加熱不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致滑移線再次出現(xiàn)；其次，還需要檢查鍍金板的反射狀態(tài)，以及鍍金層是否變色模糊甚至掉金；再次，針對152.4 mm襯底和203.2 mm襯底的不同加工情況，檢查鐘罩兩側(cè)反射鍍金板位置是否放置正確。

排查原因②：在ASM 2000溫控系統(tǒng)中，按照被控對象實時數(shù)據(jù)采集的信息與給定值比較產(chǎn)生的誤差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的就是PID控制系統(tǒng)。

PID控制算法通過誤差信號控制被控量，而控制器本身就是比例、積分、微分3個過程的疊加。比例P環(huán)節(jié)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，積分I環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分D的作用是使系統(tǒng)的振蕩減輕。PID 3個參數(shù)的設(shè)定是PID控制器設(shè)計的核心。在程序編寫過程中，一般只能設(shè)定一個大概的數(shù)值，需要在系統(tǒng)運行時通過觀察溫度波動情況，并反復(fù)調(diào)試來確定最佳值。在調(diào)試階段，程序員能隨時記錄和修改參數(shù)。PID系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)是一個十分復(fù)雜且值得深入研究的問題，如圖6所示，上方曲線為系統(tǒng)在PID作用下的響應(yīng)曲線。在PID溫度控制中，所追求的最佳控制效果是在盡量小的超調(diào)量前提下，盡量快速達(dá)到最大響應(yīng)時間，且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小、穩(wěn)定性高。

圖6 PID作用下的響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve under PID action

4 結(jié) 論

本文闡述了滑移線形成的機(jī)理，其主要是硅外延片在加熱處理過程中受到不均勻的溫度分布影響而在表面出現(xiàn)的一種工藝缺陷。對于滑移線的出現(xiàn)，最可能與之相關(guān)的有三大因素，分別為襯底、基座和溫度控制，為此，一一提出解決措施。對于不穩(wěn)定出現(xiàn)的滑移線，提供了2個主要影響因素，即備件質(zhì)量和PID調(diào)整。

在消除硅外延片滑移線缺陷過程中，應(yīng)抓住主要因素排查：平時加強(qiáng)備件管理，以保證備件的可靠性；建立多個標(biāo)準(zhǔn)化項目［6］，包括燈管管理、基座管理、溫度PID調(diào)整管理等。

在硅外延片生產(chǎn)中，滑移線會影響外延層的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。因此，研究滑移線產(chǎn)生的機(jī)理和有效的控制處理方法是必要的。通過研究滑移線的成因和控制方法，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，避免其對產(chǎn)品性能和制造過程產(chǎn)生不良影響，推動半導(dǎo)體材料的高質(zhì)量創(chuàng)新發(fā)展。