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硅外延雾状表面形成机制探究 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 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。 实验 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。 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）??cm，衬底背面包覆有（5000±1000）? 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）??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。 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。