简介概要

掺杂剂对200 mm重掺杂硅片APCVD工艺前表面颗粒的影响

来源期刊：稀有金属2019年第6期

论文作者：韩萍曲翔周旗钢肖清华刘斌何宇

文章页码：668 - 672

关键词：颗粒;存放时间;重掺硅片;常压化学气相沉积;

摘要：在重掺硅衬底片背封过程中,硅片表面颗粒的尺寸和数量将会极大的影响到沉积薄膜的质量,并影响硅片几何特征的形成。主要针对不同掺杂剂的200 mm重掺衬底硅片在进行常压化学气相沉积（atmospheric-pressure chemical vapor deposition, APCVD）生长SiO₂薄膜前的颗粒沾污开展研究。将经过相同清洗及干燥工艺处理的硅片放置于有风机过滤机组（fan filter unit, FFU）存在的百级环境中,利用表面激光扫描方法对硅片表面粒径在0.3～0.5μm范围的颗粒进行测试,分析重掺衬底硅片表面颗粒随存放时间的增长情况。结果表明:在有FFU存在的百级环境中,随存放时间的延长:（1）同种掺杂剂硅片表面颗粒呈增长趋势,且粒径小的颗粒增长幅度较大;（2）不同掺杂剂硅片中,相比于重掺As, Sb的硅片,重掺B硅片表面颗粒的增长速度最快,而其他两种掺杂剂硅片表面颗粒增长速度相对较缓且差别不大。

网络首发时间: 2018-06-11 13:38

稀有金属 2019,43(06),668-672 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17120022

掺杂剂对200 mm重掺杂硅片APCVD工艺前表面颗粒的影响

韩萍曲翔周旗钢肖清华刘斌何宇

北京有色金属研究总院

有研半导体材料有限公司

摘要：

在重掺硅衬底片背封过程中, 硅片表面颗粒的尺寸和数量将会极大的影响到沉积薄膜的质量, 并影响硅片几何特征的形成。主要针对不同掺杂剂的200 mm重掺衬底硅片在进行常压化学气相沉积 (atmospheric-pressure chemical vapor deposition, APCVD) 生长SiO₂薄膜前的颗粒沾污开展研究。将经过相同清洗及干燥工艺处理的硅片放置于有风机过滤机组 (fan filter unit, FFU) 存在的百级环境中, 利用表面激光扫描方法对硅片表面粒径在0.3～0.5μm范围的颗粒进行测试, 分析重掺衬底硅片表面颗粒随存放时间的增长情况。结果表明:在有FFU存在的百级环境中, 随存放时间的延长: (1) 同种掺杂剂硅片表面颗粒呈增长趋势, 且粒径小的颗粒增长幅度较大; (2) 不同掺杂剂硅片中, 相比于重掺As, Sb的硅片, 重掺B硅片表面颗粒的增长速度最快, 而其他两种掺杂剂硅片表面颗粒增长速度相对较缓且差别不大。

关键词：

颗粒;存放时间;重掺硅片;常压化学气相沉积;

中图分类号： TN304.055

作者简介：韩萍 (1991-) , 女, 河北邢台人, 硕士, 研究方向:硅片表面清洗, E-mail:HanPing1214@163.com;*周旗钢, 教授;电话:010-82087080;E-mail:zhouqigang@grinm.com;

收稿日期：2017-12-18

基金：国家科技重大专项项目 (2010ZX02302001) 资助;

Surface Particles of 200 mm Heavily Doped Silicon Wafer before APCVD Process with Dopants

Han Ping Qu Xiang Zhou Qigang Xiao Qinghua Liu Bin He Yu

General Research Institute for Nonferrous Metals

GRINM Semiconductor Materials Co., Ltd.

Abstract：

In the back-seal process of the heavily doped silicon wafers, the size and amount of particles on the surface had a great influence on the quality of the deposited films and the geometry formation of the silicon wafer. The particle contamination of 200 mm heavily doped silicon wafers with different dopants before the SiO₂ film growth under the condition of atmospheric-pressure chemical vapor deposition (APCVD) was studied. After the same cleaning and drying process, the silicon wafers were placed in class 100 environment with a fan filter unit (FFU) , and then surface particles with size in rage of 0.3～0.5 μm were tested by surface laser scanning and the effects of storage time on the amounts of surface particles on heavily doped silicon wafers were analyzed. The results showed under class 100 environment where a FFU existed, with the prolonging of storage time: (1) the particles on the surface of silicon wafers with the same dopant showed an increasing trend, particularly the smaller ones increasing more quickly; (2) in the silicon wafers with different dopants, compared to the heavily As doped and the heavily Sb doped silicon wafers, the surface particles on the heavily B doped silicon wafers increased the fastest, while the growth rate of the surface particles of the other two dopants silicon wafers was relatively slow and the difference was not significant.

Keyword：

particles; heavily doped silicon; storage time; atmospheric-pressure chemical vapor deposition (APCVD) ;

Received： 2017-12-18

200 mm重掺硅片作为主要衬底材料之一, 广泛应用于0.25 μm及以下线宽集成电路领域 ^[1,2] 。在重掺硅衬底片背封沉积薄膜过程中, 颗粒作为一种常见污染物沾污于硅片表面, 其大小、数量、成分以及在硅片表面的分布均会影响沉积薄膜的质量, 同时也会影响到衬底硅片的几何特征的形成及电学性质的稳定 ^[3] 。本文主要研究背封前百级环境中, 硅片表面尺寸在0.3～0.5 μm范围的颗粒数量与存放时间的关系, 以此为实际生产提供数据支持。

本文中硅片表面主要接触的环境是清洗溶液, 清洗设备和干燥设备, 以及百级环境, 因此涉及的颗粒的种类主要包括硅渣、尘埃、细菌、聚合物等。颗粒在硅片表面时刻进行吸附和脱附的过程, 当吸附大于脱附时硅片表面的颗粒将呈现数量增长的趋势, 如图1所示。研究发现完成常压化学气相沉积 (APCVD) 沉积SiO₂薄膜的衬底硅片, 沉积薄膜表面存在大小不同白色点状物, 导致薄膜不均匀, 使其良率下降。高丹和佟丽英 ^[4] 研究表明, 在沉积薄膜表面, 利用扫描电子显微镜 (SEM) 可以观察到不同大小的白色点状物, 并通过二次离子质谱 (SIMS) 定位选取某一白色点状物, 对其组成成分进行分析, 结果显示其成分组成主要是Si和O元素。据此可推测白色点状物的存在是由于进行APCVD前硅片表面存在颗粒, 沉积薄膜时SiO₂易在颗粒周围聚集沉积所致。而不同尺寸的颗粒会间接导致形成的白色点状物的尺寸大小。

实际生产过程中, 衬底硅片APCVD背封沉积SiO₂薄膜前会完成一次清洗, 在该清洗完成的短时间内硅片表面存在的颗粒粒径较小, 且数量也处于较小的范围, 因此对于背封膜质量的影响相对较小。在实际硅片加工过程中, 由于生产调度等因素的影响, 硅片可能不会及时送至下道工序进行加工, 而会存放于有风机过滤机组 (FFU) 设备下的百级环境下, 存放时间可能会在1 h, 甚至长达十几个小时。就上述生产背景, 本文将就不同掺杂剂的重掺衬底硅片在APCVD前完成相同的清洗、干燥工艺后 ^[5,6] , 在百级环境并有FFU作用下进行存放, 研究不同存放时间下, 不同粒径的颗粒增长情况, 以此期望可以给实际生产提供数据依据。

1 实验

1.1 实验片准备

实验中采用不同掺杂剂的200 mm直拉重掺单晶衬底硅片作为实验片。为保证同种掺杂剂重掺硅片初始表面成分及微粗糙度基本一致, 要求实验中选取同一批次的相邻硅片, 相关参数如表1所示。

图1 颗粒动态变化示意图

Fig.1 Sketch of particle dynamic change

表1 重掺硅单晶片参数

Table 1 Parameters of heavily doped silicon wafers

Dopant	Thickness/ μm	Crystal orientation	Resistivity/ (Ω·cm)
B	725±10	<100>	0.002～0.003
As	725±10	<100>	0.002～0.003
Sb	725±10	<100>	0.01～0.02

实验片采用HNO₃-HF腐蚀液 (70% HNO₃与50%HF) 完成酸腐蚀工艺处理后, 浸泡于洁净的去离子水中待洗。

1.2 实验流程

本文采用SiH₄+O₂气体完成APCVD ^[7] 在重掺衬底硅片的背表面沉积SiO₂薄膜, 厚度约为 580 nm。 APCVD前的清洗过程以1965年Kern发明的RCA清洗工艺 ^[8] 为理论基础, 主要经过2次SC-1清洗液 ^[9] (5%NH₄OH与10%H₂O₂) , 1次SC-2清洗 (HCl∶H₂O₂∶H₂O=1∶1∶20) , 1次稀HF清洗液 (1%HF) , 并配合多次QDR清洗完成清洗, 其中化学液槽设定的清洗温度为 (65±5) ℃, 然后通过旋转甩干技术对硅片进行干燥, 干燥时间设定为200 s。

实验1: 取不同掺杂剂实验片各30片, 经上述APCVD前的清洗、干燥流程完成清洗、干燥, 背表面沉积SiO₂薄膜后, 通过目检统计薄膜表面的白色点状物。

实验2: 取不同掺杂剂实验片各175片, 利用含有纳米级SiO₂磨粒的碱性抛光液 ^[10] 抛光实验片表面, 去除量约为20 μm (为测试颗粒, 实验片需进行抛光处理) ; 按上述清洗流程, 完成清洗; 在百级环境中并有FFU作用下, 按不同掺杂剂实验片分组, 每组分别进行0.5, 1, 2, 4, 8, 12 h时间段存放, 每种掺杂剂每个时间段各25片; 利用SP1表面颗粒检测仪对硅片表面粒径在0.3～0.5 μm范围的颗粒数量进行统计并分析。

1.3 分析方法

采用SP1表面颗粒检测仪对粒径在0.3～0.5 μm的颗粒进行统计, 其主要原理是激光对硅片抛光面的进行面扫, 然后根据接收系统对散射光的分析来检测表面颗粒, 检测限为0.065 μm; 完成背表面沉积SiO₂薄膜的硅片, 通过目检对其沉积薄膜表面的白色点状物数量进行统计。

2 结果与讨论

首先根据实验1探讨不同掺杂剂的重掺硅片APCVD沉积的SiO₂薄膜表面的白色点状物的数量。由于测试技术的限制, 本实验只针对目检下可以识别的白色点状物数量进行统计。按照实验1流程, 根据掺杂剂不同分组统计白色点状物数量, 得到如图2所示的箱线图, 并且图2中给出了每片实验硅片白色点状物数量。由图2可知, 排除异常值点, 结果显示: 掺Sb片和掺As片的沉积薄膜表面的白色点状物个数相对较少, 而掺B片的白色点状物个数相对较多。

按照实验2流程, 研究在百级环境并有FFU作用下, 不同掺杂剂的重掺实验硅片存放时间与其表面不同粒径颗粒增长的关系。根据SP1的测试数据, 对不同掺杂剂的重掺实验硅片表面粒径在0.3～0.5 μm范围的颗粒随存放时间延长而增长的情况进行分析统计, 结果如图3～6所示。

如图3～5分别为掺As片、掺Sb片和掺B片随存放时间的延长, 其表面粒径为0.3, 0.4, 0.5 μm的颗粒数量的均值变化曲线, 以及粒径在0.3～0.5 μm范围的全部颗粒的均值变化曲线, 由此可知, 随存放时间的延长, 不同掺杂剂硅片表面不同粒径的颗粒均有增长的趋势, 且粒径较小的颗粒数量及增长幅度相对较大。

由颗粒与硅片表面的吸附作用力 (F_a) 可用以下公式表示:

图2 不同掺杂剂硅片表面白色点状物数量

Fig.2 Number of white dots on surface of silicon wafers with different dopants

图3 掺As硅片表面颗粒与存放时间的关系

Fig.3 Relationship between surface particles and storage time of heavily As-doped silicon wafers

图4 掺Sb硅片表面颗粒与存放时间的关系

Fig.4 Relationship between surface particles and storage time of heavily Sb-doped silicon wafers

图5 掺B硅片表面颗粒与存放时间的关系

Fig.5 Relationship between surface particles and storage time of heavily B-doped silicon wafers

F_a=AR (1+a²/RZ₀) /6Z (1)

式中A是Hamaker常数; R是颗粒半径; Z₀是颗粒重心与硅片表面距离; a是形变颗粒与硅片表面的接触区域的半径 ^[11,12] 。

由此可知, 粒径较小的颗粒与硅片表面吸附作用力相对较大, 因此在清洗过程中更加不易脱离硅片表面, 且存放过程中一旦吸附于硅片表面则不易移除, 这与实验中清洗完成后粒径为0.3 μm的颗粒较多且存放过程中增长速度较快的结果相符。

如图6为3种掺杂剂实验片表面粒径在0.3～0.5 μm的颗粒与存放时间变化的均值曲线对比图, 可以看出, 掺B片表面颗粒数量与增长幅度均较大, 而掺As片和掺Sb片区别不大。此结果与硅片APCVD后, 掺B片表面白色点状物数量较大, 而掺As和掺Sb数量较少且差别不大的结果相符, 即与实验1的结果相符。

已知B, As, Sb原子半径分别为0.087, 0.114, 0.123 nm, 而Si原子半径为0.112 nm ^[13] , 由原子失配度 (δ) 公式 ^[14] 可以表示为:

δ=|a_s-a_f∣/a_s (2)

式中a_f和a_s分别代表掺杂剂硅片晶格常数和理想单晶硅片晶格常数。

据此可知, B原子与Si原子失配度为0.22, 而As原子和Sb原子分别为0.02和0.09, 因此导致掺B硅片原子畸变最大, 且由于重掺杂时B原子的大量引入会导致硅片表面应力增加 ^[15] , 清洗中的化学腐蚀更加容易造成硅片表面机械损伤, 因此在存放过程中, 较于掺As和掺Sb硅片, 掺B硅片表面更易吸附颗粒。

图6 3种掺杂剂硅片表面颗粒与存放时间的关系

Fig.6 Relationship between surface particles and storage time of three heavily doped silicon wafers

进一步分析, 在硅片清洗过程中, 若清洗液为碱性溶液, 则存在于清洗液中的大部分颗粒和硅片表面的Zeta电位均为负, 由于静电排斥作用, 碱性溶液中表现为大部分颗粒更易脱离硅片表面 ^[16] 。本文清洗过程中有2次SC-1溶液清洗, 已知掺B片为P型掺杂, 依靠空穴进行导电, 而掺As片和掺Sb片为N型掺杂, 依靠电子进行导电, 因此前者会造成硅片表面Zeta电位的负电性降低 ^[17] , 从而在一定程度上使颗粒与硅片表面之间的排斥力下降, 阻碍了部分颗粒脱离硅片表面, 即表现为在存放初始状态下, 掺B片表面较掺As片和掺Sb片表面拥有的颗粒数量相对较多。

综上可知, 掺B片较于掺As片和掺Sb片, 在清洗过程中颗粒不易脱离硅片表面, 且后续存放过程中其表面吸附颗粒的能力较强, 与实验结果相符。

3 结论

掺B, As, Sb的3种200 mm重掺衬底硅片, 在进行APCVD沉积SiO₂薄膜前的清洗后, 存放于百级环境并有FFU作用下: 随存放时间的延长, 硅片表面的颗粒数量均有增长, 由于粒径较小的颗粒在硅片表面的吸附作用力相对较强, 因此粒径为0.3 μm的颗粒增长幅度和数量相对较大; 由于重掺杂条件下, B原子与Si原子尺寸不匹配程度最大, 造成硅片表面较大的晶格畸变, 因此随存放时间的延长颗粒更易生长。