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摘要：當前，硅外延片作為制備功率MOS等器件的關鍵支撐材料，對其表面的結晶質量有愈加嚴格的要求。硅外延片表面一旦存在霧狀缺陷也就意味著晶體完整性遭到破壞，后續在器件工藝流片后將直接導致器件漏電大、軟擊穿，嚴重影響產出良率。文章通過對表面形貌和微粗糙度的測定，分析了硅外延片出現霧狀缺陷的起因，為后續有效防止該現象再生提供了解決思路。

關鍵詞：硅外延片；表面缺陷；霧狀表面；微粗糙度

0引言

如今，隨著摩爾定律的不斷向前演進，功率MOS器件的特征尺寸正在不斷縮小，同時對器件的產出成本、性能和良率要求卻在不斷提高。因此作為器件結構及關鍵性能支撐材料的硅外延片，在當期情況下對其表面結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著晶格的排列完整性遭到破壞，極容易引起后續制備的器件呈現漏電大、軟擊穿等現象，導致整個晶圓的良率下降。隨著半導體晶圓良率的接收標準日趨嚴格，表面缺陷的指標水平已經成為評價產品水平的重要指標。因此研究硅外延片表面微缺陷的形成機制并找到有效的預防措施在當前具有十分重要的意義。現在，外延片的表面質量的檢測手段較為豐富，一般可劃分為兩類方法：（1）非破壞性檢測，如在照度不低于200LUX的強光燈目檢或者在干涉顯微鏡下進行觀察；（2）破壞性檢測，普遍采用擇優腐蝕顯示法，用Sirtl（針對<111>晶向的硅片）或Wright（針對<100>晶向的硅片）化學腐蝕液對缺陷進行擇優腐蝕，然后在顯微鏡下觀察。硅外延片的表面缺陷包括位錯、層錯、霧、滑移線、棱錐、沾污等［2］。其中霧缺陷在宏觀上是一種存在于外延層表面，因表面的不完整性（如表面蝕坑、表面顆粒、缺陷），而在強光燈下引起散射，呈現出花紋狀的圖樣，故無法呈現出正常外延表面的鏡面亮片效果，因此一般被判斷為霧片。霧的特征主要包括兩種：（1）白色狀霧。特點為在強光燈下觀察呈彌散霧環或局部霧狀，甚至可覆蓋外延片整個表面，并且通過RCA濕法清洗不可去除。經過化學腐蝕液處理后目視直接觀察或在顯微鏡下觀察一些小的腐蝕坑缺陷，在強光燈下因漫散射作用形成觀感上的白霧。后續通過XPS，SIMS等儀器檢測可發現這種霧缺陷所在的區域作為金屬雜質尤其是重金屬雜質的誘陷中心，鈉、鉀、鈣、鋁、鎂等金屬雜質的含量較正常外延片偏多。（2）彩色狀霧。特點為已經表面檢驗合格的硅片在儲存一段時間后，再次在強光燈下觀察時會發現硅片表面局部或者全部呈現彩色狀霧。這種外延片在采用表面掃描儀對其進行顆粒檢測時，會發現此時表面顆粒嚴重超標，這些顆粒在強聚光燈下發生散射，因此呈彩色霧狀，這種霧通過RCA濕法清洗一般可去除［3-4］。霧存在的位置往往是晶格缺陷富集的區域，金屬雜質易于在晶體中沉淀而成為載流子的復合中心，會使硅晶體中少子壽命嚴重縮短，造成制備器件發生漏電流增加、軟擊穿等問題，對器件良率構成嚴重危害。因此在半導體業界研究克服“霧”缺陷的出現顯得尤為迫切。但由于形成霧的因素較多，并且通常會包含多種因素的綜合作用，至今還未能提出良好的解決方案，已經成為長期困擾半導體業界的問題。本文描述了實驗中發現的外延片表面霧狀缺陷的異常現象，通過原子力顯微鏡、金相顯微鏡對其進行表面觀察以及表面金屬含量的分析等對外延片的指標進行了測定，最后分析了表面霧狀現象產生的來源并給出了相應的解決辦法。

1實驗

1.1實驗設備

實驗中沉積硅外延的設備為意大利LPE公司生產的LPE-3061D平板式外延爐，包括晶盒片架放置區、機械手傳遞窗、外延生長腔體（石墨基座、石英熱壁和鐘罩組成）以及尾氣系統裝置。該外延爐采用高頻感應的加熱方式，具有維護簡單，生產效率高的特點，是目前主流的硅外延片生產設備，實驗采用的高純單圈平板式石墨基座，每爐可同時放置8片150mm或5片200mm硅襯底片進行外延層的生長。

1.2襯底材料

為滿足功率MOS器件對所需外延片的參數要求，本實驗選用（150±0.2）mm摻As的硅單晶襯底進行外延生長。襯底材料晶向為<100>±0.5，導電類型為N型，厚度為（400±25）μm，電阻率為（0.01~0.02）Ώ•cm，襯底背面包覆有（5000±1000）Å的SiO2背封層。實驗所需制備的外延層厚度為（40±2）μm，電阻率為（10±2）Ώ•cm，不均勻性要求≤3%，外延層缺陷要求位錯密度≤100個/cm2，層錯密度≤1個/cm2，表面質量要求無滑移線、霧、劃道、沾污、橘皮、崩邊等晶體缺陷。

1.3外延工藝

SiHCl3作為硅外延生長原料，純度為4N，常溫下為液態。H2既是參與反應的氣體，還起到了攜帶SiHCl3氣體的作用，純度為6N。采用H2鼓泡的形式將液態SiHCl3轉化為氣態引入反應生長腔體。磷烷氣體純度為50×10-6，作為外延生長的摻雜源，用于控制外延層的摻雜質量分數。

2結果與討論

2.1表面形貌分析

每爐產出的外延片全部進行表面質量的檢驗。方法為在光照度高于200LUX的白色強光燈下直接目檢，檢驗結果發現表面正常的外延片的特點為光亮如鏡，異常的外延片正面均呈現滿布藍綠色霧狀現象，屬于表面異常。對異常外延片先采用常規RCA濕法清洗后，重新在強光燈下檢驗，觀察結果仍為霧狀表面，這表明該缺陷不可通過RCA濕法清洗去除，對表面正常外延片（1#）和異常表面（2#）的外延片在MX51型金相顯微鏡下觀測，表面形貌如圖2所示，可見表面正常的外延片對應的觀察圖樣比較光滑平整，而表面異常的外延片對應的觀察圖樣則呈現明顯較大的表面粗糙現象，結晶質量相對較差。

2.2金屬雜質分析

外延生長腔體或氣路管道內的金屬雜質的引入通常會造成結晶質量的不佳，往往對外延“霧狀表面”的形成起到催化作用。因此需要分析外延霧狀現象的產生是否與表面金屬沾污有關。采用Agilent7500CS電感耦合等離子體原子發射光譜儀（Induc⁃tivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry，ICP-MS）對表面霧狀的外延片以及表面正常的外延片同時進行金屬雜質分析，結果如表1所示。異常的霧狀外延片和正常外延片的表面金屬檢測指標均符合規范要求（Spec：<5×E10atom/cm2）［3］。因此可以判斷霧狀現象的產生原因與金屬雜質無關。

2.3表面微粗糙度分析

實驗利用美國布魯克公司的DimensionEdge原子力顯微鏡（AFM）對正常表面的硅外延片（1#），霧狀表面的硅外延片（2#）的進行三維形貌分析，掃描范圍為10μm×10μm，結果由圖3所示。正常的外延表面相對平整，其高低起伏小且變化平緩，平均面微粗糙度Ra值僅為0.074nm，霧狀外延片表面呈現明顯的高低起伏且變化較陡的島狀結構，平均面微粗糙度Ra達到0.272nm。基于上述測試結果，可認為本實驗發現的藍綠色的霧狀外延表面高低起伏的特征將是造成霧狀觀感的主要原因。這種表面特征將會造成入射光在外延表面的漫反射，引起觀感上的霧狀缺陷。為了進一步查明霧產生的原因，分析了硅外延沉積過程中的各工藝環節，包括在H2中的高溫烘焙、HCl對表面的氣相拋光以及外延生長過程，在各個過程后即對外延片進行表面檢驗，結果發現襯底表面在通過H2高溫烘焙后，在強光燈下觀察發現表面無法呈現鏡面亮片的效果,即意味著H2高溫烘焙的工序后由于硅表面自然氧化層刻蝕速率的不一致造成了襯底的表面粗糙度增大，進而導致后續沉積的外延表面微粗糙度的增大［4］。該現象為解決外延表面的霧狀現象提供了方法，因此通過在外延生長工序前減少襯底的粗糙度有望解決這一問題。本實驗通過將H2烘焙的流量由初始設定的100slm提高至150slm，在生長外延后再用強光燈下檢驗，未再發現霧狀現象，因此可以判定當H2流量的升高保證了硅表面氧化層刻蝕的一致性，降低了襯底的表面粗糙程度，保證了外延后的表面光亮如鏡。

3結語

本文通過實驗發現外延后表面出現霧狀缺陷并非僅僅源于通常認為的金屬雜質污染問題，本實驗中觀察的現象認為霧的觀感主要源自外延片表面較大的微粗糙度，造成強光燈下光線在外延表面的散射現象。該現象產生的原因與H2高溫烘焙的工藝設定條件密切相關，當增大H2的流量可以保證刻蝕氧化層速率的一致性，降低表面的微粗糙度，實現外延片表面質量的提高。

作者：周幸 單位：中國電子科技集團公司第四十六研究所