CN100392815C - 能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，旨在提供一种在降低热应力作用的同时还能消除机械应力的影响，以控制和消除外延生长中产生的滑移线和高应力集中区，而且工艺简单，生产效率高的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置。包括基座本体，所述基座本体上设置有安放槽，与所述安放槽底部边缘的距离为1-5mm处设置有最外圈沟槽，最外圈沟槽内的安放槽内设置有互相连通的沟槽。使用本发明的装置，在消除热应力的同时还消除了机械应力的影响，其效果超过了SEMI国际标准，达到了控制和消除滑移线与高应力集中区的工艺目的，而且使得工艺简单，便于操作，生产效率高，成本低。

Description

能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置

技术领域

本发明涉及一种硅气相外延生长的装置，更具体的说，是涉及一种能有效抑制硅气相外延生长过程中滑移线与高应力区的产生、增殖与长度延伸，以达到彻底消除滑移线和高应力区对IC性能及成品率影响的基座。

背景技术

随着集成电路的迅速发展，尤其是超大规模集成电路要在外延层上制备，IC工艺对硅外延片的完美性提出了更高的要求。

在硅气相外延生长中，外延层上存在的滑移线和高应力集中区问题是一直没有得到很好解决的二次缺陷，其中高应力集中区可分为滑移位错和位错排。经研究发现，在高温下有害金属杂质和外延掺杂杂质在硅片中是按照应力大小而分配的，应力大的区域易集中大量的有害金属杂质和掺杂杂质，而滑移线与高应力集中区恰恰是存在较大应力的区域，因此当外延结束后，大量有害金属杂质和掺杂杂质便沉积在这些区域内；再者，在后续扩散工艺中，扩散杂质的扩散能力也会在应力区域内大大增强。因此，由滑移线和高应力集中区所带来的主要危害在于，使器件噪声增加、漏电流增大、引起低击穿和软击穿等等，严重影响芯片的性能与成品率。这种危害尤其是在由φ200mm向φ400mm发展过程中更加突出。为了保证器件的高性能与高成品率，对控制和消除滑移线与高应力集中区的外延工艺进行改进的研究是目前亟待解决的课题。

滑移线与高应力集中区产生的原因是多方面的，目前的理论认为它们都是机械应力和热应力共同作用的结果。即外延前对硅片的机械加工中所产生的机械损伤和破损造成的机械应力，以及化学机械抛光中抛光表面温度的不均匀和高温外延时较大的温度梯度所产生的热应力。两者共同作用，当总的应力大于外延温度下引起晶体滑移线的应力临界值时，便产生了滑移线；而当总应力较大但并未超过外延温度下引起晶体滑移线的应力临界值时，则产生高应力集中区。滑移线能用肉眼在强聚光灯下直接观察到，而高应力集中区则需用腐蚀剂对外延层表面处理后观察。

现有的控制产生滑移线与高应力集中区的方法有两种：

一种是双子星(美国)科研公司的在石墨基座挖安放槽的方法。将硅衬底片放入安放槽中实施外延生长。此方法通过控制硅片受热均匀，使产生的热应力较小。但应用此方法并不能消除机械应力的影响，从而不能彻底消除滑移线和高应力集中区，尤其是大直径硅片的外延工艺中，出现长度较大滑移线的数目仍然很多，而且更难消除高应力集中区。

另一种是日本专利特开昭53-13355中描述的方法。该方法是在外延生长完毕后，严格控制降温速率，以5℃/min的速率缓慢降温，以降低温度梯度。但这样势必大大延长了生产周期，对大工业生产不适用，因为该工艺要求从1200℃降至室温完全要控制在5℃/min，同时使用加热器保护，因而生长一炉需用18h以上，生产效率低，成本高。

以上这两种方法都是从降低外延生长中的热应力角度来解决问题，而忽略了机械应力对产生滑移线与高应力集中区的影响。对滑移线与高应力集中区的分布位置进行的分析表明，大约45％以上的滑移线与高应力集中区在破碎的边缘处产生，基座不平(如多晶点突起、台阶)处占30％，这些存在机械应力较大的区域，在热冲击、震动等因素较严重时，表面就形成滑移线与高应力集中区。从硅片加工到外延生长，产生机械应力的情况有多种，如：切片边缘破损，严重的切片刀痕，双面磨片时孔径与硅片碰撞，清洗中的碰撞等等，这些加工中产生的机械应力不可能完全避免和消除。因此，解决滑移线与高应力集中区问题，尤其是解决大直径硅片外延层滑移线与高应力集中区较多而严重影响芯片的性能与成品率问题，必须在解决热应力的同时要消除机械应力的影响，这样才能找到一种既简便又有效的方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种在降低热应力作用的同时还能消除机械应力的影响，以控制和消除外延生长中产生的滑移线和高应力集中区，而且工艺简单，生产效率高的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，包括基座本体，所述基座本体上设置有安放槽，其特征在于，与所述安放槽底部边缘的距离为1-5mm处设置有最外圈沟槽，最外圈沟槽内的安放槽内设置有互相连通的沟槽。

所述最外圈沟槽内互相连通的沟槽为一组半径不等的同心圆沟槽，除最外圈沟槽外，其它同心圆沟槽之间通过十字交叉的沟槽互相连通。

所述最外圈沟槽内安放槽的中心处设置有最内圈沟槽，最外圈沟槽与最内圈沟槽通过螺旋形沟槽连通。

最外圈内部为互相连通的同心圆沟槽，其连通沟槽的圈数根据下述公式确定：

$N=\mathrm{K\φ}-\frac{3}{2}$

其中N为连通沟槽的圈数；φ为安放槽的直径，单位为mm；K为常数，K的取值范围为

。当N有余数时，取其整数部分加1即为连通沟槽的实际总圈数。各圈从内向外半径大小可由下公式γ_x＝K′x计算，单位为mm，式中x为从内向外相应各圈的序号，K′为常数，取值范围10～15。

最外圈内部与最内圈以螺旋形沟槽相连通，螺旋线的周期数根据下述公式确定：

$N=K_1\mathrm{\φ}-\frac{5}{2}$

其中N为螺旋形沟槽的周期数；φ为安放槽的直径单位为mm；K₁为常数，K₁的取值范围为

。最内圈沟槽的半径γ＝K″，单位为mm。K″为常数，取值范围10～15。

所述沟槽的深度0.5～3mm，沟槽最上端的宽度为1～3mm。

本发明具有下述技术效果：

1.在外延生长中，热应力的产生主要是由加热温度不均匀所造成的。本发明在基座上开安放槽，可以使温度差异变得较轻微。同时在安放槽底部加刻连通的沟槽，则在外延生长时，沟槽内存有的气体能够沿着连通的沟槽流通，并在存在温度差异的区域进行热交换，将温度差异降低到最小，从而进一步消除热应力的影响，以控制和消除滑移线和高应力集中区的出现。

2.在安放槽底部加刻连通的沟槽除了能够降低温度差异外，还能够分散机械应力，特别是最外一圈沟槽，它会使滑移线中止于最外圈沟槽处，即使因机械应力没有被完全分散而不能中止在最外圈时，也会在碰到下一处沟槽时中止。根据对应力片的测试，结果表明应用本方法可将应力片的应力值降至原来的2％以下，因而控制了滑移线及高应力集中区的增殖和延伸长度，大大增加了完美区域的面积，有效提高IC的成品率。

3.使用本发明的装置，在消除热应力的同时还消除了机械应力的影响，其效果超过了SEMI国际标准，达到了控制和消除滑移线与高应力集中区的工艺目的，而且使得工艺简单，便于操作，生产效率高，成本低。

附图说明

图1为沟槽为同心圆结构的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置俯视图；

图2为沟槽为同心圆结构的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置剖视图；

图3为沟槽为螺旋形结构的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置俯视图；

图4为沟槽为螺旋形结构的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。

本发明的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置包括基座本体，基座本体上设置有安放槽，与安放槽底部边缘的距离为1-5mm处设置有最外圈沟槽，最外圈沟槽内的安放槽内设置有互相连通的沟槽。在安放槽底部加刻这种连通的沟槽，以便在进一步降低热应力的同时控制和消除机械应力的影响，从而有效控制滑移线和高应力集中区向外延片内部延伸，使得滑移及位错缺陷只是围绕在有限的边缘区域。

其中沟槽的深度为0.5～3mm，沟槽最上端的宽度为1～3mm。沟槽的横截面可以是任意形状的，如三角形，梯形，方形、锥形、半圆形等。

控制滑移线与高应力区的出现和影响范围，最外圈沟槽起着至关重要的作用。若能将滑移线与高应力区中止于最外圈沟槽处，则能更大限度的保证中心完美区域的面积。本发明中最外圈沟槽与安放槽底部边缘的距离为1～5mm。安放槽底部边缘与最外圈沟槽的距离过短，会导致最外圈沟槽所起的分散边缘机械应力的作用消失；距离过大，则会使最外圈沟槽所保护的中心完美区的面积缩小，IC器件的成品率并不能大幅提高。

本发明沟槽的深度为0.5～3mm，沟槽最上端的宽度为1～3mm。沟槽过浅，会使其中所存有的气体的流通传热能力丧失，而不能消除不同区域存在的温度差异；沟槽过深，则加工难度较大，而且存留在沟槽底部的有害杂质不易被清除，而严重影响产品质量。

沟槽之间实现互相连通的方式分为两种。

实施例1：连通的沟槽为一组同心圆结构

图1为本发明沟槽为同心圆结构的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置的俯视图，图2为其剖视图，包括基座本体6，基座本体6上挖有安放槽5，与安放槽底部边缘的距离为1～5mm处刻有最外圈沟槽2，最外圈沟槽内的安放槽内刻有一组半径不等的同心圆沟槽1，除最外圈沟槽外，其它同心圆沟槽之间通过十字交叉的沟槽3、4互相连通。其中沟槽的深度为0.5～3mm，沟槽最上端的宽度为1～3mm。最外圈内部相互连通的沟槽圈数根据下述公式确定：

$N=\mathrm{K\φ}-\frac{3}{2}$

其中φ为安放槽的直径，单位mm；K为常数，K的取值范围为

；N为相互连通的沟槽圈数，当N有余数时，取其整数部分加1即为连通沟槽的实际总圈数。

连通沟槽的各圈半径的大小可由下式计算，γ_x＝K′x，单位为mm，K′为常数，K′的取值范围为10～15，式中x为从内向外相应各圈的序号。例如，各圈从内向外依次编号1、2、3……，K′取值为12.5，则计算出各圈从内向外半径大小分别为12.5mm、25mm、37.5mm......

以生长3英寸的外延片为例：安放槽的直径为76.2mm，常数K取

，带入公式中，得N为1.4，则相互连通的同心圆的实际圈数为2；最外圈沟槽距离安放槽边缘3mm，则其半径为35.1mm，常数K′取12.5，内部相互连通的2个同心圆沟槽的半径分别为12.5mm和25mm；各种沟槽的深度为2mm，沟槽最上端宽度为2mm，由此得到基座。

将其多次用于外延生长，其结果显示，基本消除了滑移线和高应力集中区从边缘向外延层中心区域的延伸与增殖。滑移线最多时仅为2条，而且长度之和远小于硅片直径，高于SEMI标准。

实施例2：连通的沟槽为螺旋形结构

图3为本发明沟槽为螺旋形结构的能消除硅外延层滑移线的装置俯视图，图4为其剖视图，包括基座本体11，基座本体11上挖有安放槽10，与安放槽底部边缘的距离为1～5mm处刻有最外圈沟槽7，最外圈沟槽内安放槽的中心处刻有最内圈沟槽9，最外圈沟槽与最内圈沟槽通过螺旋形沟槽8连通。其中沟槽的深度为0.5～3mm，沟槽最上端的宽度为1～3mm。螺旋形沟槽的周期数根据下述公式确定：

$N=K_1\mathrm{\φ}-\frac{5}{2}$

其中φ为安放槽的直径，单位mm；K₁为常数，K₁的取值范围为

；N为螺旋形沟槽的计算周期数，在实际操作中，尽量保证实际周期数N_实际≥N。

最内圈沟槽的半径γ＝K″，单位为mm，K″＝10～15mm

螺旋形状可为顺时针或逆时针的极坐标螺旋线，甚至可以是顺时针或逆时针的距离中心原点渐近的曲线。

以3英寸的外延片为例，直径为76.2mm，常数K₁取

，带入公式中，得N为2.3，实际周期数N_实际≥N，取螺旋线的实际周期数为3；最外圈沟槽距离安放槽边缘2mm，则其半径为36.1mm，最内圈半径取10mm；各种沟槽的深度为3mm，宽度为3mm，由此得到基座。

将其用于外延生长，高应力集中区主要出现在边缘有限的区域内，滑移线最多仅为为1条，甚至使滑移线完全消失，符合并远远优于SEMI标准。

实施本技术并与传统开槽法和缓慢升降温度法进行效果对比如下：

尽管参照实施例对所公开的涉及一种能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置进行了特别描述，以上描述的实施例是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，包括基座本体，所述基座本体上设置有安放槽，其特征在于，在安放槽内与所述安放槽底部边缘的距离为1-5mm处设置有最外圈沟槽，安放槽内的最外圈沟槽内设置有互相连通的沟槽。

2.根据权利要求1所述的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，其特征在于，所述最外圈沟槽内互相连通的沟槽为一组半径不等的同心圆沟槽，除最外圈沟槽外，其它同心圆沟槽之间通过十字交叉的沟槽互相连通。

3.根据权利要求1所述的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，其特征在于，所述最外圈沟槽内安放槽的中心处设置有最内圈沟槽，最外圈沟槽与最内圈沟槽通过螺旋形沟槽连通。

4.根据权利要求2所述的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，其特征在于，沟槽的圈数根据下述公式确定： $N=\mathrm{K\φ}-\frac{3}{2},$ 其中N为沟槽的圈数，φ为安放槽的直径；当N有余数时，取其整数部分加1即为沟槽的实际总圈数；K为常数，K的取值范围为

各圈从内向外半径大小可由下式计算，γ_x＝K′x，K′为常数，K′的取值范围为10～15，式中x为从内向外相应各圈的序号。

5.根据权利要求3所述的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，其特征在于，螺旋形沟槽的周期数根据下述公式确定： $N=K_1\mathrm{\φ}-\frac{5}{2},$ 其中N为螺旋形沟槽的周期数，K₁为常数，K₁的取值范围为

φ为安放槽的直径；最内圈沟槽的半径γ＝K″，K″为常数，K″＝10～15mm。

6.根据权利要求1所述的能消除硅气相外延层中滑移线与高应力区的装置，其特征在于，所述沟槽的深度0.5-3mm，沟槽最上端的宽度为1-3mm。

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