硅外延片幾何參數(shù)WARP研究

駱紅，譚衛(wèi)東，魏建宇

南京國(guó)盛電子有限公司，江蘇南京，210008

0 引言

隨著中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，硅外延片的需求量大幅增加。而伴隨著應(yīng)用端要求的不斷攀升，集成電路芯片呈現(xiàn)向大尺寸、細(xì)線寬、高精度發(fā)展的趨勢(shì)[1-2]，這對(duì)硅外延片的質(zhì)量提出了更高的要求。在設(shè)備設(shè)計(jì)和測(cè)量的過(guò)程中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)，同時(shí)隨著科技發(fā)展，所涉及的不同領(lǐng)域也在不斷延伸。從整體上來(lái)看，需要進(jìn)一步了解當(dāng)前設(shè)備的具體測(cè)試方法，同時(shí)還要進(jìn)一步研究當(dāng)前整體工作的進(jìn)度以及成果，根據(jù)當(dāng)前的研究分析，進(jìn)一步探討整體的相關(guān)情況。幾何參數(shù)WARP值是硅外延片的重要參數(shù)，是影響光刻的關(guān)鍵指標(biāo)[3]，而針對(duì)外延片WARP值的相關(guān)研究報(bào)告相對(duì)較少。在研究的過(guò)程中，研究的整體框架依然不夠全面。本文主要從襯底及不同背封結(jié)構(gòu)、外延厚度、降溫速率等多個(gè)方面，對(duì)硅外延片WARP展開(kāi)研究分析，進(jìn)一步提升硅外延片的管控質(zhì)量。

1 測(cè)試方法介紹

在對(duì)當(dāng)前硅外延片幾何參數(shù)研究的過(guò)程中，需要進(jìn)一步選擇正確的測(cè)試方法，同時(shí)對(duì)于當(dāng)前的測(cè)試方法做出介紹。通過(guò)正確的測(cè)試方法能夠得到更加精準(zhǔn)的數(shù)值。采用ADE9600測(cè)試設(shè)備對(duì)外延片WARP值進(jìn)行測(cè)試分析。在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，需要根據(jù)當(dāng)前的測(cè)試圖形來(lái)進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前的相關(guān)曲線來(lái)進(jìn)行研究，進(jìn)一步判斷最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的距離，同時(shí)根據(jù)距離的相關(guān)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算的過(guò)程中，需要進(jìn)一步分析平面圖形，同時(shí)確立當(dāng)前中心平面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量來(lái)進(jìn)一步得到兩者之間的距離。計(jì)算方法：被測(cè)物中心平面相對(duì)于中心平面的焦平面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的距離，具體如圖1所示[4]。在彎曲圖形測(cè)試的過(guò)程中，通過(guò)這樣的測(cè)試方法能夠得到更加精準(zhǔn)的數(shù)值，從而能夠?yàn)榻窈蟮难芯刻峁┮欢ǖ臄?shù)據(jù)。

圖1 WARP 測(cè)試示意圖

在生產(chǎn)芯片基材單晶硅片時(shí)，很多情況是重?fù)诫s的硅單晶上外延輕摻層。外延之前，通常都會(huì)在硅片的背面生長(zhǎng)上一層約2000～4000a的低溫氧化層（LTO），即二氧化硅層，這層LTO的目的是降低自動(dòng)摻雜的現(xiàn)象。然而，LTO層會(huì)使得外延片后的硅片的翹曲度大幅增加。一般在生長(zhǎng)LTO層之前的硅片，表面形狀相對(duì)平坦，這樣的正常硅片在生長(zhǎng)完LTO層之后，因?yàn)長(zhǎng)TO層的應(yīng)力，會(huì)造成硅片變成凹形，而影響到最終硅外延片的翹曲度。例如，對(duì)于300mm的大硅片翹曲度超過(guò)國(guó)際常用標(biāo)準(zhǔn)的25μm，有時(shí)甚至超過(guò)45μm，呈現(xiàn)向下凹的形狀，如同一個(gè)盤(pán)子。這樣的翹曲度會(huì)造成在制造芯片時(shí)的良率損失。現(xiàn)有技術(shù)中，為了降低翹曲度，一般需要通過(guò)計(jì)算應(yīng)力，并根據(jù)應(yīng)力大小設(shè)計(jì)硅片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，這樣的方法不僅效率低，而且過(guò)程復(fù)雜，大幅度提高了成本。

在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，需要一套全新的方式和方法，從而進(jìn)一步降低成本、簡(jiǎn)化程序，從而能夠通過(guò)這樣的方式提高整體的質(zhì)量和效率，更加精準(zhǔn)地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)硅外延片幾何參數(shù)測(cè)量的方式能夠更加精準(zhǔn)地獲得數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，本研究提供了一種降低調(diào)取度的測(cè)試方法，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前的研究進(jìn)一步獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)硅外延片制備的方法來(lái)進(jìn)行研究，可以將硅片基材研磨為弧形，然后再進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程進(jìn)行更加精準(zhǔn)的計(jì)算。采用ADE9600測(cè)試設(shè)備對(duì)外延片WARP值進(jìn)行測(cè)試分析。

2 研究工作及成果

在研究的過(guò)程中，需要進(jìn)一步了解當(dāng)前材料的整體情況，同時(shí)根據(jù)材料的尺寸以及結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行分析獲得相關(guān)成果。在選擇襯底的過(guò)程中，可以選取以下三種規(guī)格的襯底。襯底一和襯底二經(jīng)過(guò)高溫外延后，WARP值相應(yīng)變差，而襯底三經(jīng)過(guò)高溫外延后，WARP值有明顯改善。同時(shí)根據(jù)不同的情況來(lái)進(jìn)行分析，尤其是在不同條件下，需要加工到不同程度，在加工的過(guò)程中根據(jù)不同的厚度要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)經(jīng)過(guò)一系列加工手段來(lái)進(jìn)一步獲得樣本。從整體上來(lái)看，其質(zhì)量有了明顯的提升，隨著外延厚度的不斷增加，其數(shù)值均有一定程度的提高。同時(shí)通過(guò)對(duì)不同外延厚度的相關(guān)數(shù)值變化來(lái)進(jìn)行分析，進(jìn)一步得出相關(guān)結(jié)論。

2.1 外延厚度對(duì)WARP值的影響分析

選取三種規(guī)格的襯底，在相同的生長(zhǎng)條件下加工不同厚度的外延片，然后測(cè)試對(duì)應(yīng)的WARP值，結(jié)果如圖2所示。襯底一和襯底二經(jīng)過(guò)高溫外延后，WARP值相應(yīng)變差，而襯底三經(jīng)過(guò)高溫外延后，WARP值有明顯改善。隨著外延厚度的增加，襯底一和襯底三的WARP值均有一定程度的改善趨勢(shì)；而襯底二的WARP值基本保持在一定的水平程度。在選擇三種不同類(lèi)型襯底的過(guò)程中，需要根據(jù)當(dāng)前的不同尺寸來(lái)進(jìn)行分析，同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的研究特點(diǎn)來(lái)獲得厚度的差異性，根據(jù)不同外延厚度對(duì)應(yīng)數(shù)字的變化來(lái)進(jìn)行匯總，在數(shù)據(jù)獲得的過(guò)程中，將相關(guān)數(shù)據(jù)以及不同外延厚度對(duì)應(yīng)的數(shù)字變化以圖片的形式呈現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)折線圖來(lái)進(jìn)一步得出當(dāng)前不同變化的情況，從而能夠得出相關(guān)結(jié)論，在研究的過(guò)程中進(jìn)一步獲得彎曲程度的情況，同時(shí)在分析的過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前不同的條件一一對(duì)應(yīng)，從而能夠得出相關(guān)結(jié)論。

圖2 不同外延厚度對(duì)應(yīng)WARP 值的變化

2.2 襯底對(duì)外延片WARP值的影響分析

同樣選取兩種規(guī)格的襯底，先安排對(duì)襯底片做WARP測(cè)試，然后經(jīng)過(guò)外延后，再次監(jiān)控WARP值。襯底一WARP值越好，經(jīng)過(guò)高溫外延后，反而越差；襯底二WARP經(jīng)過(guò)高溫后無(wú)明顯對(duì)應(yīng)性。在實(shí)際監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，根據(jù)圖片顯示來(lái)與當(dāng)前數(shù)值進(jìn)行對(duì)應(yīng)。從整體上來(lái)看，在不同數(shù)字的影響之下，都會(huì)得出不同的結(jié)果。在彎曲程度分析的過(guò)程中，根據(jù)當(dāng)前的數(shù)字來(lái)進(jìn)行研究，從而能夠得出相關(guān)結(jié)論。從整體上來(lái)看，襯底對(duì)外延片WARP值的影響分析進(jìn)一步證明了當(dāng)前理論的正確性。

2.3 降溫速率對(duì)外延片WARP值的影響分析

在測(cè)試的過(guò)程中，根據(jù)延緩降溫速率來(lái)進(jìn)一步分析當(dāng)前數(shù)字的變化情況，同時(shí)根據(jù)條件一和條件二的差異性來(lái)進(jìn)一步分析當(dāng)前的情況，在研究的過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前的降溫程度以及不同環(huán)境變化來(lái)進(jìn)行探討，兩種條件對(duì)應(yīng)的溫度以及功率曲線繪制成圖片，同時(shí)，在分析的過(guò)程中進(jìn)一步得出當(dāng)前數(shù)字變化的相關(guān)因素。

選取襯底三，采用不同的降溫速率條件進(jìn)行外延。條件一是在高溫外延結(jié)束后，30s內(nèi)機(jī)臺(tái)功率降至40kW，之后不再通電流，進(jìn)行降溫，溫度降至750℃耗時(shí) 170s；條件二是在高溫外延結(jié)束后，420s內(nèi)機(jī)臺(tái)功率降至40kW，之后功率依舊保持40kW，持續(xù)300s，溫度降至750℃耗時(shí)740s。

在獲得相關(guān)數(shù)字之后，進(jìn)一步將數(shù)字以可視化的圖片形式來(lái)呈現(xiàn)。通過(guò)當(dāng)前數(shù)字的變化，根據(jù)不同降溫速率條件下的數(shù)值變化來(lái)進(jìn)行研究，尤其是條件一和條件二有差異性，使兩者所表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的差異性，根據(jù)當(dāng)前的速率對(duì)外延片數(shù)值分析，進(jìn)一步得出結(jié)論。從數(shù)值結(jié)果分析得出：延緩降溫速率對(duì)外延片WARP值呈負(fù)向作用，但影響程度有限。

3 結(jié)語(yǔ)

由于單晶硅、SiO2、多晶硅的熱膨脹系數(shù)不同，不同背封結(jié)構(gòu)襯底對(duì)外延片WARP值的影響也不相同。其中有Poly背封的襯底經(jīng)過(guò)高溫外延后，WARP值有一定改善，隨著外延厚度的增加，WARP值也逐漸變好。而LTO背封襯底經(jīng)過(guò)高溫外延后，WARP值會(huì)變差，隨著外延厚度的增加，WARP值基本穩(wěn)定。另外，慢速降溫對(duì)外延片WARP值呈負(fù)向作用，但影響程度有限。在今后研究的過(guò)程中，需要進(jìn)一步對(duì)當(dāng)前領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的研究，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前我國(guó)半導(dǎo)體硅片發(fā)展的具體情況，探討出更加創(chuàng)新的測(cè)試方法，從而能夠更好地適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，滿足不同行業(yè)的需求。