上海有色金属  2015, Vol. 36 Issue (2): 75-78   PDF    
引用本文
方正华. 6英寸重掺Sb衬底外延后表面异常解决[J]. 上海有色金属, 2015, 36(2): 75-78.
FANG Zhenghua. Epi Defects Solving for 6″ Heavy-doped Sb Substrate[J]. Shanghai Nonferrous Metals, 2015, 36(2): 75-78.
6英寸重掺Sb衬底外延后表面异常解决
方正华    
上海合晶硅材料有限公司, 上海 201617
收稿日期: 2014-07-03;
作者简介：方正华(1976—),女,工程师,主要从事硅材料基板与外延的研究.E-mail:guojunlai@hotmail.com
摘要：6英寸Sb(锑)基板是国内半导体分立器件使用的主力材料,此材料主要供客户外延使用.但近期某司的基板在外延后出现表面类似气泡状的缺陷,此缺陷异常,无法抛光去除.文章主要研究此外延缺陷与硅晶体的关系,通过试验分析此异常缺陷出现的原因,找到解决的方法.
关键词： 基板    外延    气泡状缺陷    外延缺陷    硅晶体    
Epi Defects Solving for 6″ Heavy-doped Sb Substrate
FANG Zhenghua    
Waferworks(Shanghai) Corp., Shanghai 201617, China
Abstract: The 6 inch Sb wafer is the dominating substrate for Discrete Device used for EPI.Bubble-liked defects on this kind of substrate after EPI can not be removed by polishing.Through the experimental analysis of root cause of defects,the paper aims to examine the relationship between EPI defects and silicon crystal so as to find the possible solution.
Key words: substrate    epitaxy    bubble-liked defects    EPI defects    silicon crystal    
0 引 言

目前全球6英寸(15.24 cm)以下集成电路和分立器件生产线快速向中国转移,国外主要硅片供应商减少或停止了6英寸及以下硅片的生产.在这一市场背景下,我国半导体硅材料行业实现了从4英寸到6英寸的产业升级,6英寸重掺Sb衬底也一跃成为主力材料.此产品外延后的缺陷的解决,也关系着6英寸衬底技术能力的提升.6英寸重掺Sb衬底,外延厚度约50 μm,外延炉台:LPE 2061,外延后表面出现类似气泡异常,以边缘居多,严重的硅片甚至为整片出现气泡,异常比例约10%,如图 1所示.

图 1 异常硅片表面金属检测 Fig.1 Surface metal detection
1 问题分析 1.1 异常片分析

(1) 确认此外延异常是否为表面金属沾污.分别采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪[1](ICP-MS,Agilent 7500CS)和全反射X-射线荧光光谱仪(TXRF,S2 PICOFOX)对异常外延片表面进行分析.从图 2的检测数据判断,异常外延片表面金属检测均符合规范(Spec:＜5×1010 atom/cm2).

图 2 异常硅片表面金属检测 Fig.2 Surface metal detection of defected wafer

(2) 表面异常分析(显微镜及腐蚀分析).图 3为异常外延片经表面颗粒仪分析的结果.从图 3中可以看出,表面泡泡异常,均连成线状,与表面滑移线方向一致.

图 3 颗粒仪分析异常形貌 Fig.3 Abnormal pattern by tencor

异常外延片去除外延层后,经Wright液腐蚀5 min,硅片表面仍可见滑移线,如图 4所示.此异常现象在硅片边缘处最严重,越往中心异常越少;异常图形与滑移线相似,边缘严重,往中心逐渐减少;去除外延层后,经Wright液腐蚀5 min后,在滑移线位置可发现有明显的位错.

图 4 异常片腐蚀分析 Fig.4 Etching analysis of abnormal wafer
1.2 产品制备流程分析

图 5为产品制备流程.从图 5可见,硅片加工过程产生的缺陷可于后道目检、显微镜抽检及机检检出.但查此异常批次过程检验结果,未见有异常.

图 5 产品制备流程图 Fig.5 Flow chart of product preparation

表 1为资料中显示的晶棒数据分析.从表 1中可以看出,异常批次全部处于晶棒尾段.尾部氧含量中,边缘氧含量明显偏低(见图 6晶棒氧含量分布).怀疑是晶棒尾部氧含量偏低,硅片强度不够[2],外延后高温引发的滑移线造成.

表 1 晶棒数据分析 Tab. 1 Data analysis of ingot

图 6 晶棒氧含量分布 Fig.6 Oxygen profile of ingot
2 试验验证

取异常批次、同一晶棒的头、中、尾做不同外延温度的验证,以验证外延后泡泡出现的原因.外延炉台:LPE2061,试验条件见表 2.

表 2 试验条件 Tab. 2 Experiment conditions

(1) 外延温度为1 090℃时,条件1,异常抛光片外延后仍可见明显泡泡异常;条件2和3,未见泡泡异常;条件4,晶棒尾段部分,仍可见泡泡异常,且泡泡伴随滑移线在硅片表面12点位置清晰可见.如图 7所示.

图 7 显微镜分析(LPE2061,1 090℃) Fig.7 OM analysis(LPE2061,1 090℃)

(2) 外延温度为1 120℃时,条件1,异常抛光片外延后仍可见明显泡泡异常,但有些微改善;条件2和3,仍未见泡泡异常;条件4,晶棒尾段部分,仍可见泡泡异常,且泡泡伴随滑移线在硅片表面12点位置可见.如图 8所示.

图 8 显微镜分析(LPE2061,1 120℃) Fig.8 OM analysis(LPE2061,1 120℃)

(3) 外延温度为1 150℃时,条件1,异常抛光片外延后仍可见泡泡异常,但程度明显改善;条件2和3,仍未见泡泡异常;条件4,晶棒尾段部分,仍可见泡泡异常,且泡泡伴随滑移线在硅片表面12点位置轻微可见.如图 9所示.

图 9 显微镜分析(LPE2061,1 150℃) Fig.9 OM analysis(LPE2061,1 150℃)
3 结 论

从试验数据分析可知,晶棒尾段在外延后容易产生类似泡泡异常,且此泡泡沿着滑移线方向产生.氧含量可以增强晶片的强度[3],但6英寸Sb衬底,因为本身晶棒氧含量较低,晶棒尾段氧含量更低,整片晶片中又以边缘为最低.结合此次试验数据看,外延后的泡泡应该是晶棒尾段氧含量低造成的.

参考文献
[1] 阙端麟,陈修治.硅材料科学与技术[M].杭州:浙江大学出版社,2000,402.
[2] Baliga B J,ed.,Epitaxial Silicon Technology[M].Orlando:Academic Press,1986.
[3] Smith F W,Ghidini G.Reaction of oxygen with Si(111)and(100):critical conditions for the growth of SiO2[J].Journal of the Electrochemical Society,1982,129(6):1300-1306.