稀有金属 2013,37(03),401-404
高温氩/氢混合气氛退火对硅片表面质量的影响
王磊 周旗钢 李宗峰 冯泉林 闫志瑞 李青保
北京有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司
摘 要：
研究了高温退火过程中氩/氢混合气氛对300 mm硅片表面质量(原生颗粒缺陷和微粗糙度)的影响。在氢气含量不同的氩/氢混合气氛中,对样品进行1100℃,1 h的高温退火处理,研究退火前后硅片表面原生颗粒缺陷和微粗糙度值的变化。实验结果表明,氩/氢混合气氛中氢气的含量对硅片表面原生颗粒缺陷的消除没有促进也没有抑制作用,增加氢气比例能促进硅片近表层处空洞型缺陷的消除;混合气氛中氢气的存在使得退火后硅片表面的微粗糙度值增加的更多,同时随着氢气比例的增加,表面微粗糙度增加的百分比总体呈递增趋势。最后就氢气对硅片近表面处空洞型缺陷的消除促进作用和氢气至表面微粗糙度变化机制做了分析。
关键词：
高温退火 ;表面微粗糙度 ;空洞型缺陷 ;原生颗粒缺陷 ;
中图分类号： TN305.2
作者简介： 王磊(1987-),男,重庆涪陵人,硕士研究生;研究方向:硅及硅基材料; 周旗钢(E-mail:zhouqigang@gritek.com);
收稿日期： 2012-12-10
基金： 国家科技部科技重大专项(2008ZX41091)资助项目;
Effect of Argon/Hydrogen Mixed Ambient on Wafer's Surface Quality in High Temperature Annealing Process
Abstract：
The effect of argon/hydrogen mixed ambient on wafer′s surface quality in high temperature annealing process was investigated.After annealing at 1100 ℃ for 1 h,the concentration variation of crystal originated particles(COP) related to voids and surface microroughness was observed by laser particle counter.The results shown that,compared with the argon ambient,the argon/hydrogen mixed ambient essentially had no promoted action on reducing the COP of the wafer surface,but it made the void near the surface reduced and the microroughness increased.And with the increase of the hydrogen content,the increase of surface microroughness was on an increasing trend.Finally,the mechanism for this result was explored.
Keyword：
argon/hydrogen mixed ambient annealing;crystal originated particles;void;microroughness;
Received： 2012-12-10
随着超大规模集成电路的发展, 300 mm硅单晶衬底已成为当前集成电路的主流, 对单晶硅片表面质量的要求也越来越高。 晶体原生颗粒缺陷(COP)
[1 ]
和表面微粗糙度是表征硅片表面质量的两个重要参数, 其中COP的本质空洞型原生缺陷(void)
[2 ]
与晶体生长条件密切相关
[3 ,4 ,5 ]
, 而表面微粗糙度取决于硅片抛光、 清洗、 退火等后道加工工艺。 空洞型原生缺陷(void)是在晶体冷却过程中由空位聚集而成的八面体空洞, 八面体空洞的八个面均为晶体的(111)面, 尺寸在100～200 nm左右。 根据测量方法的不同, 也可把void缺陷定义为流动图形缺陷(FPD)
[6 ]
和激光层析缺陷(LSTD)
[7 ]
。 单晶经过切片、 磨削、 抛光等工艺后, 部分的void缺陷被暴露在硅抛光片表面, 以不完整八面体或者四面体小坑的形式存在, 被定义为晶体原生颗粒缺陷COP(crystal original pits)。 晶体原生颗粒缺陷(COP)内部覆盖有几纳米厚的SiOx
[8 ]
。 晶体原生缺陷一般可通过高温退火消除
[9 ]
, 具体过程为: 硅片近表面处氧的外扩散; COP外层氧化膜溶解; 自间隙原子进入填充; 空洞变小并消失。
微粗糙度是硅片表面在纳米尺度范围内的微起伏, 一般用其平均值R a 或均方根值RMS 来表征
[10 ]
。 它主要描述的是与表面几个原子层相关的吸附原子、 空缺、 扭阶等引起的不平整度
[11 ]
。 它是现代微电子工艺的一个重要指标, 目前对直径 300 mm、 线宽90 nm的硅片表面微粗糙度的要求为0.15 nm
[12 ]
。
有研究表明, 高温氩退火工艺能显著降低硅片表面COP, 也能较好的控制硅片表面微粗糙度的水平
[13 ,14 ]
。 采用氢气作为退火气氛能够有效地促进硅片表面氧原子的外扩散, 在硅片表面形成低氧区, 并且能够抑制气氛环境中微量氧的作用。 本文主要研究了氩/氢混合气氛对300 mm硅片表面原生颗粒缺陷(COP)的消除和微粗糙度(haze)变化的影响, 探讨了其产生此种影响的机制。
1 实 验
实验采用的样品是300 mm P型(100)晶向同批次轻掺B硅片, 硅片厚度约为725 μm, 含氧量为(20～32)×10-6 (ASTM79), 电阻率为10～20 Ω·cm, 实验硅片均取自直拉硅单晶中相邻的硅片, 拉晶速率为0.5～0.8 mm·min-1 。 用ASM公司生产的A412高温退火炉进行高温退火。 退火温度1100 ℃, 恒温时间1 h, 混合气氛中氢气的体积分数分别为1%, 3%和5%, 然后运用KLA-TENSOR公司生产的表面颗粒测试仪进行硅片表面原生颗粒缺陷(COP)和微粗糙度(haze)的相关测试。 然后对退火后的硅片进行抛去2, 4, 6, 8, 10 μm的返抛实验, 测量COP密度分布, 间接研究退火气氛对void缺陷深度分布的影响。
2 结果与讨论
2.1高温氩/氢混合气氛退火对硅片表面COP消除的影响
图1是不同氢气浓度的氩/氢混合气氛退火前后COP分布的对比图, 退火的恒温温度为1100 ℃, 恒温时间为1 h, COP的测量是通过表面颗粒测试仪完成的。
从图1可以看出, 高温退火过程中, 采用氩/氢混合气氛氩对硅片表面的COP基本能够全部消除, 与纯氩气氛退火相比COP的消除量基本不变。 我们知道高温氢退火也能显著降低硅片表面的COP, 混合气氛中两种气体之间并无反应的情况下, 微量的氢气对氩气氛并无显著影响, 所以高温氩/氢混合气氛能够很好的消除硅片表面的COP。
2.2高温氩/氢混合气氛退火对硅片内部void缺陷消除的影响
为了研究氩/氢混合气氛对硅片内部void缺陷消除的影响, 对采用纯氩气氛退火和氢气含量为5%的氩/氢混合气氛退火后的硅片都进行返抛实验, 每次抛去约2 μm后测量COP密度随深度的变化规律。 以此来间接表征不同气氛高温退火对硅片内部void缺陷的影响。 测量结果如图2。
图1 不同氢气浓度退火前后COP数量对比图
Fig.1 COP counts annealing in different hydrogen content
从图2可以看出, 氩/氢混合气氛退火后, 硅片内部尺寸大于120 nm的COP密度较纯氩气氛退火有一定范围的降低, 各个不同深度平均降低0.1个单位密度。 说明氩/氢混合气氛中的氢气促进了硅片内部氧的外扩散, 从而促进了高温退火对硅片内部void缺陷的消除。 鉴于此, 高温退火过程中, 为了增加硅片近表面洁净区的宽度可加入适量氢气以促进硅片内部void缺陷的消除。
混合气氛中氢气促进硅片内部void缺陷消除的具体过程为: 微量的氢气扩散进入硅片近表层, 促进void缺陷外部氧的外扩散, 从而导致void缺陷外层氧化膜更容易溶解, 有利于后续自间隙原子的进入填充, 最后加速空洞的消失。 氢气促进氧外扩散的原因
[15 ]
是由于氢在高温下被扩散到硅中与硅成键结合, 这种硅氢键结合力较小, 极易断裂, 当氧扩散到硅氢键之间的时候, 就能比较容易脱离硅基体, 扩散到硅片表面。 因而void缺陷外部的氧化膜在氢气下高温退火就比较容易被溶解。
2.3高温氩/氢混合气氛退火对硅片表面微粗糙度(haze)的影响
图2 不同退火气氛下COP密度随深度变化图
Fig.2 Variations of COP density with depth in different anneal atmosphere
图3 不同退火气氛硅片表面微粗糙度值变化图
Fig.3 Variations of wafer′s haze in different anneal atmosphere
图3是不同氢气浓度的氩/氢混合气氛退火前后微粗糙度(haze)的对比图。 退火的恒温温度为1100 ℃, 恒温时间为1 h。 粗糙度(haze)由表面颗粒测试仪进行测试。
从图3可以看出, 氩/氢混合气氛高温退火与纯氩气退火相比, 硅片表面的微粗糙度(haze level)大幅度增加, 平均增加了100%以上。 同时随着氢气流量的增加, 表面微粗糙度增加的百分比呈递增趋势, 但并不成线性变化。
在本实验中, 氢气是活性气体, 氢气会同时与硅原子和自然氧化层发生反应, 二者的反应速率不相同, 在硅片表面形成了复杂的反应过程, 导致硅片表面的微粗糙度值增加。 在纯氩气氛下, 由于惰性气体不和硅片表面发生反应, 硅片表层COP的修复仅通过硅原子的扩散完成, 这导致硅片表面的微粗糙度值相对较少。 Graf和Wahlich
[14 ]
将硅片在氢气下经过1200 ℃/2 h退火后, 然后利用AFM测量硅片表面微粗糙度时发现, 退火前硅片的微粗糙度RMS 为0.059 nm, 退火后则变成了0.141 nm, 也可以说明混合气氛中含有氢气会增加硅片表面的微粗糙度。
3 结 论
氩/氢混合气氛中氢气的存在对高温退火后硅片表面COP的消除作用基本没有影响, 对硅片内部void缺陷的消除有一定的促进作用, 因此, 可通过加入适量氢气增加高温退火后硅片近表层洁净区宽度; 与纯氩气退火相比, 硅片表面的haze level增加的更多, 平均增加了100%以上, 同时随着混合气氛中氢气流量的增加, 表面haze增加的百分比总体呈递增趋势。
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