二氧化硅工藝中顆粒污染的解決方案

楊旭敏，施國(guó)勇

（1.上海交通大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200240；2.中芯國(guó)際集成電路制造（上海）有限公司，上海 201203）

1 引言

有效控制半導(dǎo)體制造工藝中的顆粒污染是一個(gè)長(zhǎng)期的問(wèn)題。本文從應(yīng)用角度出發(fā)，提供了一種可較好控制爐管APCVD二氧化硅工藝中顆粒污染的方法。

2 爐管二氧化硅工藝的顆粒污染問(wèn)題分析

2.1 二氧化硅工藝介紹

二氧化硅制備工藝通常在等同常壓的條件下在反應(yīng)腔體內(nèi)通入反應(yīng)氣體氧氣和催化劑（H2，DCE）來(lái)生成二氧化硅，反應(yīng)溫度一般為920～1 150 ℃，見(jiàn)圖1。

圖1 TEL Alpha-8SE立式爐管示意圖

二氧化硅的工藝有三種方式：干氧氧化，濕氧氧化，催化劑氧化。

干氧氧化 Si（固體）+O2（氣體）→SiO2，此過(guò)程為干氧，無(wú)任何催化劑。

濕氧氧化是在干氧氧化的基礎(chǔ)上通入氫氣（H2），在點(diǎn)火裝置的作用下使氫氣和氧氣反應(yīng)生成水蒸汽，同時(shí)通入的氧氣過(guò)量在硅表面進(jìn)行氧化反應(yīng)。它的優(yōu)點(diǎn)是具有比干氧氧化高得多的氧化速率。濕氧氧化具有較高速率的基本原理是，與氧相比水有更高的擴(kuò)散系數(shù)和比氧大得多的溶解度（亨利常數(shù)）。但也存在缺點(diǎn)，即氧化層的密度較低。因此，濕氧的典型應(yīng)用是需要厚氧化層而且不承受任何重大電應(yīng)力的時(shí)候[1]。

催化劑氧化是在熱氧化的環(huán)境下通入干分子氧加少量（1%～3%）鹵素，最普遍的是氯[2]。使用這種混合氣體有幾種理由。大多數(shù)重金屬原子與Cl2反應(yīng)生成揮發(fā)性的（即氣態(tài)的）金屬氯化物。一般認(rèn)為金屬污染物來(lái)源于加熱部件和氧化使用的熔融石英氣流管周圍的絕緣層，雜質(zhì)擴(kuò)散穿過(guò)擴(kuò)散爐壁并可能滲入正在生長(zhǎng)的氧化層。氯有不斷清潔含有這些雜質(zhì)的環(huán)境氣體的功效。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在氯、氧氣中生長(zhǎng)的氧化層不但雜質(zhì)少，而且與下面的硅之間的界面也更好。在O2、Cl2混合氣體中的氧化速率比在純氧中高。如果O2中的HCl的濃度達(dá)到3%，則線性速率系數(shù)將大一倍[3]。

因此，在半導(dǎo)體工藝中，二氧化硅的制備主要以DCE（二氯乙烯）為催化劑的氧化方式。

2.2 二氧化硅工藝中顆粒污染的分析

為了進(jìn)一步澄清二氧化硅生產(chǎn)工藝中顆粒污染的本質(zhì)，工程師仔細(xì)研究了晶圓上顆粒污染的分布圖（圖2），發(fā)現(xiàn)顆粒污染主要分布在晶圓的周圍。在電子顯微鏡下分析這些顆粒的形態(tài)（圖3），可以很清楚地看到這些顆粒類型是一些圓形顆粒物，而利用EDX進(jìn)行成份分析，結(jié)果則顯示這些顆粒的主要成分是碳元素、氧元素和硅元素。

圖2 顆粒分布圖

根據(jù)對(duì)顆粒污染的初步分析，認(rèn)為這些顆粒的來(lái)源主要有以下幾種可能：反應(yīng)氣體的輸送管路，尾氣排放管路的回灌，晶圓傳送路徑，以及作為催化劑的DCE。具體哪種原因產(chǎn)生此類顆粒物并在反應(yīng)時(shí)附著于晶圓的表面則需要進(jìn)一步探討。

圖3 顆粒SEM分析照片

首先，我們從相對(duì)簡(jiǎn)單的方向入手即晶圓的傳送路徑。利用一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)晶圓做反復(fù)的傳送測(cè)試，并對(duì)傳送前后的顆粒數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)比。得到的數(shù)據(jù)顯示傳送的前后基本無(wú)差異。因此，這個(gè)原因被排除。

對(duì)于尾氣排放管路的回灌，由于直接與廠務(wù)的廢氣處理系統(tǒng)相連接，這是最有可能的顆粒污染來(lái)源。為此制訂詳細(xì)的測(cè)試細(xì)節(jié)，并初步安排了應(yīng)對(duì)措施。實(shí)驗(yàn)分為兩步，第一步利用設(shè)備本身的尾氣排放控制系統(tǒng)來(lái)做回灌，并做顆粒污染的檢測(cè)；第二步直接從廠務(wù)端堵住尾氣排放，增大尾氣回灌的量。但是通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，回灌對(duì)顆粒物增加的影響并沒(méi)有想象的那么嚴(yán)重，只有少量的增加。

（1）實(shí)際條件：反應(yīng)氣體流量不變，反應(yīng)腔內(nèi)壓力控制為-50 Pa（相對(duì)于大氣壓）；

（2）實(shí)驗(yàn)一：反應(yīng)氣體流量不變，反應(yīng)腔內(nèi)壓力控制為-100 Pa（相對(duì)于大氣壓）；

（3）實(shí)驗(yàn)二：反應(yīng)氣體流量不變，反應(yīng)腔內(nèi)壓力控制為-150 Pa（相對(duì)于大氣壓）；

（4）實(shí)驗(yàn)三：反應(yīng)氣體流量不變，反應(yīng)腔內(nèi)壓力控制為-200 Pa（相對(duì)于大氣壓）。

表1 反應(yīng)腔內(nèi)在不同壓力情況下，開關(guān)控壓閥回灌實(shí)驗(yàn)的顆粒增加數(shù)

作為催化劑的DCE來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)流量的不同設(shè)定，比較顆粒污染是否有明顯的增加。得到的數(shù)據(jù)顯示，DCE的流量在一定范圍內(nèi)基本不影響顆粒物的數(shù)量。

（1）實(shí)驗(yàn)一：DCE的流量為0.235 slm不變，O2的流量為9 slm；

（2）實(shí)驗(yàn)二：DCE的流量為0.235 slm不變，O2的流量為8 slm；

（3）實(shí)驗(yàn)三：DCE的流量為0.235 slm不變，O2的流量為7 slm；

（4）實(shí)驗(yàn)四：DCE的流量為0.235 slm不變，O2的流量為6 slm；

（5）實(shí)驗(yàn)五：DCE的流量為0.300 slm不變，O2的流量為10 slm；

（6）實(shí)驗(yàn)六：DCE的流量為0.400 slm不變，O2的流量為10 slm；

（7）實(shí)驗(yàn)七：DCE的流量為0.500 slm不變，O2的流量為10 slm。

表2 在不同反應(yīng)氣體流量下，顆粒的增加數(shù)量

那么反應(yīng)氣體的輸送管路是否就是顆粒污染的主要來(lái)源呢？我們根據(jù)工藝過(guò)程中所通入的氣體，對(duì)各個(gè)氣體管路進(jìn)行分別測(cè)試。

工藝中其他氣體有N2、O2，管路有3個(gè)，具體的參與氣體如圖4所示。

圖4 工藝設(shè)備氣體控制管路圖

我們對(duì)此都做了詳細(xì)分析并制定了實(shí)驗(yàn)：

（1）實(shí)驗(yàn)一：修改工藝程式，整個(gè)工藝過(guò)程中只通入經(jīng)過(guò)N12的N2；

（2）實(shí)驗(yàn)二：整個(gè)工藝過(guò)程中只通入經(jīng)過(guò)O12的O2；

（3）實(shí)驗(yàn)三：整個(gè)工藝過(guò)程中只通入經(jīng)過(guò)NS的N2。

通過(guò)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，工程師確信通過(guò)NS管路進(jìn)入反應(yīng)腔的N2是氧化工藝中顆粒污染的來(lái)源。

3 解決二氧化硅工藝中顆粒的方案

根據(jù)以上的分析結(jié)果，工程師采用了如下的解決方案：對(duì)seal N2的流量閥進(jìn)行定期清潔，根據(jù)得到的顆粒污染情況，并對(duì)清潔時(shí)間進(jìn)行了評(píng)估。但是顆粒污染的情況沒(méi)有從根本上得到解決。既然從設(shè)備本身上得不到徹底解決，那么只有嘗試在制程工藝上來(lái)繼續(xù)進(jìn)行改善。在仔細(xì)研究了制程工藝后，發(fā)現(xiàn)在晶舟進(jìn)入反應(yīng)腔后seal N2才會(huì)打開，而seal N2又是顆粒污染的來(lái)源。那么如果在晶舟進(jìn)入反應(yīng)腔之前seal N2打開，再讓晶舟進(jìn)入反應(yīng)腔，顆粒污染就可能會(huì)被尾氣處理系統(tǒng)排走，而不會(huì)附著于晶圓表面。

表3 通入不同氣體，顆粒增加數(shù)量

據(jù)此可以得出結(jié)論，seal N2打開一定時(shí)間后，顆粒的增加就會(huì)不斷減少，最終穩(wěn)定幾乎無(wú)增加。因此，通過(guò)修改制程工藝，在晶舟進(jìn)入反應(yīng)腔之前seal N2先打開4 min，使管路中的污染可以經(jīng)由尾氣處理系統(tǒng)排走。這就避免了在后續(xù)工藝中生成尖峰和層錯(cuò)，因?yàn)楸砻骖w粒的缺陷極易產(chǎn)生該問(wèn)題[4]。

4 結(jié)論

利用制程工藝上的步驟差異，同時(shí)在對(duì)產(chǎn)品良率無(wú)影響的情況下，對(duì)工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)來(lái)降低顆粒污染。再對(duì)seal N2的流量閥進(jìn)行定期清潔，盡量使反應(yīng)腔不受到污染。這樣seal N2氣體管產(chǎn)生的顆粒污染物會(huì)在晶舟進(jìn)入反應(yīng)腔之前通過(guò)尾氣排放系統(tǒng)排走，不會(huì)對(duì)反應(yīng)腔有污染，從而在根本上解決了二氧化硅工藝中顆粒污染的問(wèn)題。在大規(guī)模集成電路的制造中，成品率損失的75%是由顆粒引起的，因此工廠對(duì)于顆粒的檢查、控制和減少極為重視[5]。在經(jīng)過(guò)改良后的生產(chǎn)過(guò)程中，大量的數(shù)據(jù)顯示顆粒污染物的總數(shù)成功地從9.01顆降到1.64顆。這也從側(cè)面減少了設(shè)備停機(jī)檢查的時(shí)間。該方案的成功既提高了機(jī)臺(tái)的性能，又降低了機(jī)臺(tái)的使用率，還大幅度提高了產(chǎn)品的良率，可以說(shuō)是半導(dǎo)體工藝的又一步提升。

表4 Seal N2打開的時(shí)間與顆粒增加的對(duì)比

[1]Stephen A.Campbell.微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.1.

[2]R S Ronen,P H Robinson.Hydrogen Chloride and Chlorine Gettering:An Effective Technique for Improving Performance of Silicon Device [M].J Electrochem.Soc,1972.

[3]D W Hess,B E Deal.Kinetics of Thermal Oxidation of Silicon in O2/HCl Mixtures [M].J Electrochem.soc,1977.

[4]M J Stowell in Epitaxial Growth,Part B J W Matthews.New York: Academic Press,1975.

[5]T Hattori Contamination Control: Problem and Prospects Solid State Technol.1990.