晶 圆 热 处 理 过 程 中 滑 移 缺 陷 机 理 及 抑 制 方 法 研 究

孙 妍,位思梦

( 北京北方华创微电子装备有限公司)

摘 要:

集成电路生产成本进一步降低及生产效率不断提升的要求下,不同领域采用大晶圆已成为一种趋势,与此同时,器件尺寸不断减小及工艺技术发展大背景下,对晶圆及硅 基 器 件 的 性 能、质 量 要 求 也 越 来 越 高。 随 着 晶 圆 尺 寸 增 大,在 使 用 立 式热氧化扩散设备进行工艺过程中受到重力和应力影响也随之大幅提升,从而导致热处理特别是超过 1 000 ℃ 的高温工艺更易产生或放大晶体内部缺陷,极易造成器件失效产品报 废,其 中 最 为 明 显 和 影 响 最 大 的 一 类 是 滑 移 缺 陷。 因 此,高 温 处 理 过 程中减少或避免产生滑移缺陷从而提升器件性能、提高产品良率变得愈加重要,对立式氧化扩散设备腔室结构特别是晶圆支撑设计改进提出了更高要求。 关于晶圆滑移的产生和抑制的文献报道很多,随着量测技术不断发展,早期理论和经验也在不断更新,本论文系统性总结分析了晶圆热处理过程中缺陷 产 生 的 机 理 及 影 响 因 素,基 于 最 新 研 究 进 展 和 实 践 经 验,提 出 了 立 式氧化扩散设备晶圆滑移缺陷的抑制方法。

0 引 言

为了降低 IC 成本并提高生产效率,集成电路制备过程中使用大晶圆已成为一种趋势。 晶圆直径的增加导致其受到的 重 力 应 力 和 热 应 力 的 增 加,在 高温热处理过程中更 容 易 引 起 滑 移 缺 陷,导 致 器 件 短路或漏电,影响产品良率。 除此之外,由于集成电路器件尺寸的不断减 小,先 进 工 艺 对 滑 移 缺 陷 变 得 愈加敏感。 因此,减少 晶 圆 热 处 理 过 程 中 的 滑 移 缺 陷变得非常重要。

在晶圆热处理 过 程 中,当 热 应 力 和 重 力 相 关 应力的总应力超过其 滑 移 系 的 临 界 剪 切 应 力 时,晶 圆就会发生 塑 性 变 形 而 产 生 滑 移。 在 过 去 的 几 十 年里,已经报道了许多关于滑移的产生和抑制的研究。Fujise 等[1] 探究了表面带有 划 痕 的 硅 晶 圆 滑 移 的 产生与氧浓度的关系,研究发现,除了晶圆中的氧原子对位错有钉扎作用 外,应 变 率 对 临 界 剪 切 应 力 也 有重 要 影 响。 Fischer 等[2] 通 过 理 论 计 算 推 测 出200 mm 硅 晶 圆 在 立 式 炉 和 卧 式 炉 中 滑 移 产 生 的 条件。 Jurkschat 等[3] 提出了一种可以计算含有氧沉淀硅晶圆的临界剪切 应 力 的 计 算 方 法,可 以 用 来 预 防滑移缺 陷 的 发 生。 Aghabekyan 等[4] 报 道 了 滑 移 线缺陷最先产生在晶 圆 的 凹 面 区 域 与 凸 面 区 域,并 随着处理温 度 的 升 高 而 增 加。 Hu[5] 介 绍 了 晶 圆 重 力相关应力和热应力 的 影 响 因 素,并 举 例 说 明 无 滑 移缺陷允许的最高升 降 温 速 率 依 赖 于 晶 圆 尺 寸、晶 舟结构及晶圆垂直间距( 图 1) 。

关于晶圆滑移 缺 陷 的 文 献 报 道 很 多,主 要 集 中在氧原子的钉扎效应,重力应力的影响因素,升降温速率的预测,滑移 缺 陷 的 理 论 计 算 及 预 测 等。 但 有关滑移线缺陷抑制系统性的总结研究却很少。 本文结合滑移缺陷的形 成 机 理,总 结 了 其 产 生 的 影 响 因素,包括晶圆强度,重力相关应力和热应力。 其中晶圆强度与其加工温度、掺杂物浓度等因素相关;重力相关应力由晶圆尺寸/厚度、支撑晶圆的晶舟材质和晶舟结构决定;热应 力 与 晶 圆 加 工 过 程 中 的 升 降 温速率,升降 温 度/速 率 和 晶 舟 上 晶 圆 的 垂 直 间 距 相关。 通过对滑移缺 陷 产 生 机 理 及 影 响 因 素 的 研 究,对高温热处理工艺尤其是立式炉高温工艺的滑移缺陷改善具有很大的指导意义。

1 晶圆强度

晶圆强度可以 通 过 临 界 剪 切 应 力 来 判 断,它 是影响材料 塑 性 变 形 的 重 要 因 素。 临 界 剪 切 应 力 越大,越不容易发生滑移。 因此,研究临界剪切应力对晶圆的影响对于提 高 晶 圆 强 度、减 少 滑 移 缺 陷 的 发生、提高器件良率 具 有 重 要 意 义。 临 界 剪 切 应 力 强烈依赖于温度,这也 是 热 处 理 工 艺 中 重 要 的 工 艺 参数。 除此之外,临界 剪 切 应 力 还 与 晶 圆 中 氧 原 子 和掺杂硼原子的浓度相关[6-7] 。

1. 1 工艺温度对晶圆强度的影响

温度是影响晶圆临界剪切应力的重要因素。 通常, 临 界 剪 切 应 力 随 着 工 艺 温 度 的 升 高 而 降低[1,8-9] 。 Hu[7] 报道 了 硅 晶 圆 中 临 界 分 切 应 力 与 温度的关系。 为 了 排 除 氧 浓 度 对 临 界 剪 切 应 力 的 影响,其研究 使 用 了 氧 含 量 非 常 低 的 区 熔 法 硅 晶 圆。研究结果如图 2 所 示,在 800 ~ 1 050 ℃ 的 温 度 范 围内,临界分 切 应 力 随 温 度 升 高 而 降 低, 变 化 范 围 为30% 左右。

随后,Senkader 等[8] 研 究 了 直 拉 硅 晶 圆 在 一 定温度范围内的临界 剪 切 应 力 值,其 临 界 剪 应 力 计 算公式为:

式中:A 是 常 数, T 是 工 艺 温 度, k 是 玻 尔 兹 曼 常 数(8. 62×10-5 eV/K) ,Co 是氧浓度。 该公式表明临界剪切应力取决于温度和氧浓度。 但这两个因子也并不独立,临界剪切应力会随着温度升高而降低,这是由于晶圆内氧浓度随着温度的升高而降低。 上述文献均表明临界剪切应力随温度的升高而降低。 因此若想提高晶圆强度,应 该 在 工 艺 允 许 的 范 围 内 降 低工艺温度,进而减少滑移缺陷的发生。

1. 2 氧浓度对晶圆强度的影响

硅晶圆中的氧 原 子 具 有 钉 扎 效 应,可 以 使 临 界剪切应力变大,进而 抑 制 晶 圆 热 加 工 过 程 中 滑 移 的发生。 Hu[10] 在 1977 年首次证明了硅晶圆中氧原子的钉扎效应,在一定 氧 浓 度 条 件 下 可 以 使 硅 晶 的 临界分切应力增大 4 倍。 这 一 发 现 使 人 们 意 识 到,完全无氧的 硅 晶 圆 可 能 并 不 适 合 复 杂 的 集 成 电 路 工艺,因为其由热应力引起的滑移缺陷是不可避免的。随后,Harada 等[11] 通过对比直拉法制备的硅晶和区熔法制备的硅晶在 热 处 理 过 程 中 的 压 痕 行 为 表 现,如图 3 所示,证明区 熔 硅 晶 压 痕 周 围 的 缺 陷 确 实 会大于直拉硅晶。 这是由于直拉硅晶中含有一定量的氧,其主要来源于制备过程中使用的石英坩埚容器,与熔融硅接触时会溶解析出氧。 而区熔硅晶生长时由于熔融硅不接触任何物体,长出的单晶纯度更高,氧含量相当微量,因 而 区 熔 硅 晶 在 半 导 体 制 造 高 温工艺中,很容易产生差排和滑移等缺陷。 所以 IC 制程大多使用直拉硅晶圆。

溶解在硅晶中的氧原子可以抑制差排并减少滑移的发生。 然而,在 一 定 制 程 温 度 下 氧 浓 度 会 呈 现饱和状态,形成氧 析 出 物。 适 当 浓 度 的 氧 析 出 物 可以吸附杂质,提高 晶 圆 强 度。 但 大 量 的 氧 析 出 物 会成为滑移位错的来源,而且在热处理过程中,晶圆更容易发生 翘 曲 等 形 变。 早 在 1980 年 Leroy[12] 就 发现晶圆强度与氧析出物的数量和 形 式 相 关。 如 图 4所示,随着氧析出 物 浓 度 增 加,临 界 剪 切 应 力 降 低,晶圆强度变小。 而且由于氧沉淀物和围绕它们的应力场的影响,高氧析出物有利于晶圆中心形成缺陷,而低氧析出物有 利 于 形 成 边 缘 的 缺 陷。 随 后,又 有不少文献 讨 论 了 氧 化 物 析 出 物 产 生 滑 移 位 错 的 机理[13-18] 。 在晶圆热处理 过 程 中,随 着 氧 析 出 物 浓 度增加,氧原子浓度 降 低,临 界 剪 切 应 力 也 会 降 低,而氧析出物也是滑移 位 错 的 来 源,更 容 易 促 使 滑 移 产生。 因此,控制氧析 出 物 的 浓 度 对 减 少 滑 移 的 发 生很有必要。

1. 3 硼掺杂浓度对晶圆强度的影响

硅晶圆必须要 经 过 掺 杂 才 能 达 到 一 定 的 电 性。将Ⅲ族元素( 如 硼 ) 掺 杂 到 晶 圆 中 则 可 以 形 成 P 型晶圆,将Ⅴ族元素( 如磷、砷、锑) 掺 杂 到 晶 圆 中 可 以形成 N 型晶圆。 由于硼掺杂最容易,所以 P 型 晶 圆的应用更广泛。 文献也报道了很多硼掺杂浓度对晶圆强度的 影 响。 如:2000 年, Fukuda[19] 报 道 了 300mm 重硼掺杂( P + 和 P ++ ) 晶 圆 滑 移 长 度 和 温 度 的 关系( 图 5) ,表 明 硼 掺 杂 浓 度 越 高,晶 圆 强 度 越 高,越不容易发生滑移。

2 重力相关应力

为了提高生产效率、节约成本,最大晶圆直径已经从 200 mm 增 加 到 300 mm。 随 着 晶 圆 直 径 的 增大,重力相关应力也会大大增加,高温工艺条件下更容易产生滑移。 因此抑制大尺寸晶圆的滑移发生很有必要。 下面将依次介绍晶圆尺寸和厚度对重力相关应力的影响,以及 通 过 优 化 晶 舟 材 质 和 结 构 来 降低重力应力的方法。

2. 1 晶圆尺寸和厚度对重力应力的影响

随着晶圆直径 的 增 加,高 温 工 艺 下 滑 移 缺 陷 变得越来越严重,这是 因 为 重 力 引 起 的 弯 曲 应 力 随 着晶圆尺 寸 的 增 加 而 大 大 增 加[19-22] 。 重 力 应 力 与 晶圆的尺寸 和 厚 度 密 切 相 关。 Fukuda 和 Yoo 等 相 继报道了重力引起的弯曲 应 力 与 R2 /t 成 正 比,其 中 R是晶 圆 半 径, t 是 厚 度。 表 1 给 出 了 200 mm 和300 mm 晶圆 R2 /t 的对比,其中 200 mm 晶圆的 R2 /t归一 化 为 1。 由 于 300 mm 晶 圆 直 径 大 幅 增 加 但 厚度变化很小,弯曲应力大 约 是 200 mm 晶 圆 的 2 倍。这就意味着相同条件下,晶圆尺寸越大,越容易发生滑移,应采取必要的措施抑制大晶圆滑移的发生。

2. 2 晶舟材质和结构对重力相关应力的影响

立式炉可以大 批 量 处 理 晶 圆,而 这 些 晶 圆 均 被水平放置在晶舟上送入反应腔室进行热处理。 晶舟的材料有几种不同类 型,包 括 Si、SiC 和 SiO2 。 虽 然SiO2 从 成 本 上 来 看 更 经 济, 但 在 较 高 温 度 ( >1 000℃ ) 下的热 稳 定 性 较 差。 此 外, 二 氧 化 硅 和 硅 的 热膨胀系数不同,在热 处 理 过 程 中 更 容 易 与 晶 圆 发 生相对运动,造成晶背划伤,而硅舟的材质与硅晶圆相同,因此 热 处 理 时 更 不 容 易 发 生 相 对 运 动。 Fuku-da[23] 报道了 200 mm 晶圆所使用的晶舟材料对滑移线长度 的 影 响 顺 序 Si ~ SiC < SiO2 。 因 此, 与 石 英 相比,SiC 和 Si 具有 更 相 似 的 热 膨 胀 系 数 和 更 高 的 热稳定性,通常被广泛用于高温工艺设备。

晶圆在舟上水 平 放 置,每 个 晶 圆 只 有 一 小 部 分由晶舟支撑,通常为点状/环状支撑。 晶圆其余部分由于其自量力没有 被 支 撑 而 发 生 弯 曲,弯 曲 应 力 就是这样产生的。 另 一 方 面,滑 移 位 错 通 常 在 晶 圆 支撑区域产生并在 高 温 过 程 中 长 大。 在 这 些 位 置,支撑力、弯曲力和接触力叠加在一起,会产生极高的剪切应力。 因此,应变 晶 圆 材 料 弹 性 应 力 的 大 小 受 晶圆几何结构支撑强 度 的 影 响,这 对 于 降 低 重 力 相 关应力很重要。

300 mm 晶圆的典型支撑包括常规、三点和四点支撑舟。 在这些舟上支撑大直径晶圆的主要问题是避免晶圆中的 位 错 产 生,进 而 产 生 滑 移。 Fukuda 使用薄板的线弹性理论计算了 300 mm 晶圆在传统三点和四点支撑中由晶圆弯曲引起的的剪切应力。 如图6 所示,常规支撑方式的应力最高,为 2. 3 MPa,其 次是三 点 支 座 1. 6 MPa, 四 点 支 座 1. 1 MPa。 认 为 传统支撑和三 点 支 撑 不 适 用 于 300 mm 晶 圆, 因 为 发生在晶圆背面与舟 的 接 触 点 的 滑 动 不 可 避 免,会 造成滑移的产生。

因此,改进 300 mm 晶圆的支撑方式很重要,采用环状 支 撑 是 一 种 最 有 效 方 式。 Akatsuka 等[24] 研究表明,300 mm 晶圆使用传统的四柱舟支撑时,即使900 ~ 1 200 ℃ 的升温速率设置得非常低(1 ℃ /min) ,也会产生滑移;而当其支撑在环状舟上时,弯曲应力比传统支撑显 著 降 低,在 1 200 ℃ 工 艺 时 几 乎 没 有观察到滑移( 图 7) 。

另一方面,支撑 点 的 位 置 对 于 减 少 滑 移 的 产 生也很重要。 Takeda 发 现 将 晶 圆 外 围 的 支 撑 点 位 置向内部移 动 一 定 距 离 可 以 显 著 降 低 重 力 引 起 的 应力。 水平支撑的晶圆上的自重力应力可以表示为:

式中:R 是硅晶圆的半径,t 是 晶 圆 的 厚 度,x 是 晶 圆的径向坐标,b 是 支 撑 位 置 的 径 向 坐 标,v 和 ρ 分 别是硅的泊松比和 密 度。 如 图 8 所 示,研 究 表 明 无 论是三点支撑还是四 点 支 撑,当 支 撑 点 位 置 在 b/R 为0. 7 时重力相 关 应 力 最 小,而 在 边 缘 或 中 心 处 支 撑时最大。

总之,降低随晶 圆 尺 寸 增 加 的 重 力 相 关 应 力 是控制滑移发生的 重 要 方 向。 在 多 点 支 撑 下,滑 移 控制很困难,因为在大多数情况下,实际接触点不超过三点,并且支撑点 可 能 不 在 对 称 位 置。 而 将 位 于 晶圆外围的支撑点 改 为 内 部 支 撑 ( b/R = 0. 7) ,则 可 以显著降低重力引 起 的 应 力。 因 此,认 为 内 部 支 撑 或环形支撑晶舟将是 300 mm 晶圆 进 行 热 处 理 时 的 理想选择。

3 热应力

热应力是由温 度 变 化 引 起 的 应 力。 T0 到 Tf 的热应力的计算公式:

式中:E 为 弹 性 模 量, α1 为 线 热 膨 胀 系 数。 晶 圆 的热应力来自晶圆内部的温度梯度。 温度梯度通常由快速加热和冷却 产 生。 在 这 种 情 况 下,晶 圆 的 外 部温度变化比内部温 度 快,由 此 引 起 的 尺 寸 差 异 会 约束相邻区域的自由膨胀或收缩。 例如,快速加热时,晶圆的外部较热,比内部膨胀更大,产生压应力。 相反,在快速冷却过程中,表面会产生拉应力。

如图 9 所示,立式炉热处理工艺处理批量晶圆,首先需要在常温下 将 晶 圆 传 输 到 晶 舟 上,再 将 舟 按一定的运动速度送 入 一 定 温 度 的 反 应 腔 室 中,待 温度稳定后,再升降温完成工艺过程,之后再将晶舟从反应腔室中降下 来。 由 该 过 程 可 以 发 现,立 式 炉 热处理过程中晶圆的热应力与升降舟温度/速度、晶舟上晶圆的垂直间距和工艺过程中的升降温速率等因素相关[25-27] 。

因此,为了降低晶圆工艺过程中滑移的发生,应降低该过 程 的 热 应 力, 即 降 低 晶 圆 内 部 温 度 梯 度。具体方式可以通过降低升降舟温度/速率,以降低升降舟过程中晶圆内 部 的 温 差 及 热 塑 性 形 变;另 一 方面可以增大晶舟上 晶 圆 的 垂 直 间 距,提 高 热 传 导 速率,也能在一定程度上降低晶圆内部的温差;除此之外,还可以通过降低工艺过程中的升降温速率,防止由于升降温速率过 快,晶 圆 边 缘 和 中 心 的 温 差 过 大导致的热应力增大。

4 结 论

为了降 低 IC 成 本 并 提 高 生 产 率, 使 用 大 晶 圆已成为一种趋势。 晶圆直径的增加导致重力应力和热应力的增加,在高 温 热 处 理 过 程 中 更 容 易 发 生 滑移,引起器件良率 降 低。 为 了 减 少 高 温 工 艺 过 程 中滑移的发生,结合滑移缺陷的的形成机理,总结了滑移线缺陷产生的影响因素,包括晶圆强度、重力相关应力和热应力。 其中,晶圆强度与其加工温度、掺杂物浓度等 因 素 相 关; 重 力 相 关 应 力 由 晶 圆 尺 寸/厚度,支撑晶圆的晶舟材质和晶舟结构决定;热应力与晶圆加工过程中的升降温速率、升降舟温度、升降舟速率和晶舟上晶圆的垂直间距相关。 通过对滑移缺陷产生机理及影响 因 素 的 研 究,对 高 温 热 处 理 工 艺尤其是立式炉高温工艺的滑移线缺陷改善具有重要的指导意义。