1. 引言

目前半導體IC產業進入大規模和超大規模集成電路時代，集成電路的特征向著納米尺寸發展，這就要求集成電路用表面質量越來越高的單晶硅片或者外延硅片，表面如有加工過程的機械損傷等，會造成外延表面的缺陷或者層錯，這也會給后續器件加工帶來良率損失。根據目前硅片加工技術看，拋光襯底或者外延襯底表面粗糙度基本在納米級別，微電子技術從微米級進入到納米級，甚至到14或者7 nm級別，對硅片表面的微粗糙度或者顆粒的特征粒徑尺寸要求越來越小 ，150 mm或者200 mm重摻單晶生長外延后，需要嚴格管控表面顆粒和缺陷水平，如果顆粒過多，會造成外延缺陷，影響產品成品率和表層質量，一般要求硅片顆粒小于特征線寬的三分之一。通常情況下，由于襯底原因或者外延原因造成的外延層霧狀缺陷，通過清洗的方式是去除不掉的，所以一般會考慮襯底或者外延工藝改進。有些學者也利用原子力顯微鏡進行微觀分析霧狀微觀形態，霧狀區域起伏較大 。對于影響外延片表面顆粒質量的，我們需要從襯底片表面和外延反應機理進行探討，襯底表面粗糙度增大，會嚴重影響外延片的表面質量 ，同時外延工藝中合適氣體的選擇使用也會進一步提高外延片表面的質量。

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本文發現部分拋光硅片在外延后出現0.12 um顆粒聚集分布現象，外延爐同爐其他批次外延后均未發現有類似現象。為解決此類問題，我們對拋光片襯底微粗糙度進行分析，并外延驗證。

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2. 實驗部分

實驗樣品為150 mm重摻As硅片，厚度675 ± 15 um，晶向<111>，電阻率2~4 mohcm，本實驗通過硅拋光機將硅片拋光，然后使用清洗機經過SC1和SC2清洗干燥；利用KAL Tencor SP1測試表面顆粒；然后進行外延生長，生長溫度1100℃，外延厚度50~60 um；外延后利用SP1測試表面顆粒分析。

拋光片利用NiKon eclipse L200N顯微鏡測試表面形貌，利用NEW VieW8000系列非接觸3D表面輪廓儀測試表面形貌和粗糙度。

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3. 結論與分析

3.1. 外延后小顆粒微缺陷形成機理的探討

單晶經過線切割，倒角，研磨，腐蝕、LTO (低溫氧化硅薄膜)薄膜，拋光，清洗后，制成拋光硅片，拋光硅片會經過參數，顆粒等檢測，顆粒檢測中的haze能夠體現表面的粗糙程度。由于制成硅片的晶體硅在高溫結晶過程中，會有各種微小缺陷，比如COP (單晶原生缺陷)，硅片經過化學機械拋光后，這種原生缺陷，以及拋光微粗糙都會在硅片表面體現，同時表面硅原子與空氣中氧氣反應，生產表面自然氧化膜。如圖1，硅片表面相對粗糙，自然氧化膜生長分布不均勻，在COP以及微粗糙度大的區域，裸露硅原子和外界氧鍵合形成硅表面的自然氧化層。

這種表面微粗糙的硅片，在外延過程高溫條件下H2和表面氧化層SiO2反應，反應機理如下：

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根據上面反應公式看，高溫下SiO2和H2反應，表面氧化物去除，最后形成Si-H鍵，但是表面存在微粗糙，以及COP內部未反應區域，會有殘留Si-O，經過H2高溫處理后，微粗糙度大的區域以及COP密度高的區域，在外延過程中，會產生表面小顆粒等微缺陷，如果表面粗糙程度足夠大，甚至會產生pit，以及外延橘皮等現象。

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3.2. 表面小顆粒微缺陷探測分析

表面顆粒檢測儀KLA Tencor SP1利用Normal模式進行外延表面測試，發現0.12 um大小的顆粒較多，然而利用Oblique模式測試不能探測到，在SP1探測模式里面Normal模式屬于直射激光光散射檢測，而Oblique模式屬于斜入射激光散射檢測，對于表面微粗糙程度高的硅片，垂直入射激光檢測方式更能體現外延小顆粒微缺陷分布。

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3.3. 表面微觀形貌對外延表面的影響

外延溫度1100℃，外延50 um，經過外延后，外延片表面利用Normal模式進行外延表面測試，發現硅片表面0.12 um顆粒較多，分布在中心和邊緣位置。拋光工藝經過改善后，重新拋光硅片，再次經過外延后，外延片表面0.12 um顆粒明顯減少，同時利用顯微鏡觀察拋光片表面，硅片表面平坦，。可見拋光片表面粗糙程度對外延后的0.12 um小顆粒有較大影響。

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