一种适用于硅外延片电阻率测量前处理的设备的制作方法

1.本发明涉及外延片生长领域，特别涉及一种适用于硅外延片电阻率测量前处理的设备。


背景技术：

2.外延生长是指在衬底上生长沉积一层单晶或多晶结构的工艺；随着制程要求的提升，外延工艺在高性能独立器件与集成电路制造领域的重要性与日俱增。因此，对外延产品进行高标准的检测是确定外延工艺质量必不可少的一环。
3.衬底通常为非常薄的圆盘状圆柱体，其常见材料为硅(si)、碳化硅(sic)、蓝宝石(al2o3)，等，其常规直径为2英寸
‑
12英寸之间(包含)的整数。
4.外延层又叫沉积层，通常与衬底材料或衬底的晶格常数相吻合，但在沉积材料制备衬底工艺难度较大的情况下，沉积层也可以是与上述衬底不一样的材料，如氮化镓(gan)、砷化镓(gaas)、锗(ge)等。
5.一般称沉积层与衬底材料相同的外延工艺为同质外延(homoepitaxy)，相应的，生长沉积层与衬底材料相异的产品的工艺成为异质外延(heteroepitaxy).
6.完成生产后，外延片会经过若干道检测，当且仅当所有检测项均合格时方可视为合格片，进行出货。检验项包括外观(颗粒、划痕、崩边、翘曲度等)、微观(滑移线、层错、雾状面等)、物理性质(电阻率、厚度、电阻率均匀性、厚度均匀性、翘曲度、直径等)等。
7.其中，外延片的电阻率大小由生长沉积层时加入的杂质的多少决定，即可以通过对电阻率的测量推算出外延层的掺杂量。四探针直线测量法(4pp)、水银探针电容电压法(mcv)与扩展电阻测量法(srp)及以上三种方法的变体是常见的测量外延层电阻率的不同方法。不同的方法有各自的优劣。
8.4pp为非破坏性测试，但是仅可测量异质外延的外延层电阻率；srp法为破坏性测试，不区分同质外延或异质外延；mcv法为非破坏性测试，也不区分同质外延或异质外延。因为较高的适用性，所以mcv法成为了外延生产，尤其是硅同质外延生产中最为常见的电阻率测量方法。
9.根据《国家标准gb14146
‑
2021》，在进行硅外延片的电阻率测量前，需要通过对n型片进行双氧水水浴法与对p型片进行烘焙，或使用臭氧对外延片进行表面预处理，以得到稳定的电阻率测量结果。
10.在预处理完成后，外延片表面会生成一层氧化层。评估氧化层品质的要素包括电氧化层完整性、氧化层厚度与氧化层厚度均匀性。
11.评估氧化层完整性的方法是电阻率测试时的相位角(0
‑
90
°
)大小。相位角越大，测量过程中的漏电流越小。当相位角大于87
°
时，氧化层品质较好，电阻率测量结果较为准确；当相位角介于85
°‑
87
°
之间时，外延片电阻率测量结果与实际值偏差较大；当相位角小于85
°
时，需要对外延片重新进行表面处理。
12.为了得到更精准的测量结果，在对外延片进行氧化层的生长前需要将待处理片在
氢氟酸(氟化氢，hf)的水溶液中放置30秒，以去除原生氧化层。然而，由于原生氧化层的主要成分与衬底背部的背封(通常为ito玻璃，即二氧化硅)极为相似，在洗去原生氧化层的过程中会对背封造成不可逆的破坏。
13.此外，由于双氧水处理法涉及溶液的配置与使用，需要单独开设处理区域，延长了产品从生产到检测的中间过程，为测量引入了更多的不确定性。
14.最后，利用氧气(o2)在紫外线照射下反应生成的臭氧(o3)进行表面处理的方法中紫外线与臭氧均对人体有较大的伤害，操作不慎导致的泄露可能会造成事故升至引发工伤等伤害事件。


技术实现要素：

15.为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种适用于硅外延片电阻率测量前处理的设备，本发明的技术方案是这样实施的：
16.一种适用于硅外延片电阻率测量前处理的设备，包括装置本体、设备内壁、反应室、石英架、电极、进气口、出气口、感应线圈；所述设备内壁位于所述装置本体内部，所述反应室位于所述设备内壁内部，所述感应线圈位于所述设备内壁外侧，所述电极位于所述反应室内部并相对放置，所述石英架置于所述电极内部，所述进气口位于所述电极负极一侧，所述出气口位于所述电极的正极一侧。
17.优选地，还包括法拉第笼；所述法拉第笼位于所述石英架和所述电极之间。
18.优选地，还包括外接射频发生装置；所述外接射频发生装置位于所述装置本体外部。
19.优选地，所述法拉第笼为网状结构，所述法拉第笼直径为26厘米，长25厘米，厚度为0.3厘米。
20.优选地，所述法拉第笼的孔洞为方形或圆形。
21.优选地，所述装置本体长30厘米，高40厘米，宽40厘米。
22.优选地，所述石英架上设置有25组装片位；所述装片位放置有外延片；所述外延片尺寸为选自包括5英寸、6英寸、8英寸中的一种。
23.优选地，所述电极的正负极各有两片电极片，正负极之间的电极片间距为5厘米，正极的电极片距离为3厘米，负极的电极片距离为3厘米。
24.优选地，所述反应室形状为横放的圆柱体，所述反应室直径为30厘米，长为27厘米。
25.优选地，所述进气口包括进气口1和进气口2；所述进气口1和所述进气口2交错排列。
26.优选地，还包括外接气泵；所述外接气泵位于所述装置本体外部。
27.本发明的技术效果如下：
28.1、氧化层厚度在之间
29.2、处理后的外延片中心点电阻率复测均匀性在0.2％以内；
30.3、处理后的外延片整体(九点法)电阻率均匀性在0.7％以内；
31.4、电阻率测量相位角≥89.5
°
；
32.5、实现了对待处理外延片的批量处理；
33.6、处理设备与生产设备不分区减少了处理难度与成本；
34.7、可以利用现有设备改造降低了生产成本；
35.8、本设备还适用于对碳化硅外延片的电阻率测量的前处理过程。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
38.图1为本发明的结构示意图；
39.图2为本发明的装置透视图；
40.图3为本发明的装置不含法拉第笼的侧视截面图；
41.图4为不同设计的法拉第笼部分面展开图；
42.图5为不同设计的法拉第笼网格示意图；
43.图6为本发明的原理：电子式和键线式反应图；
44.图7为外延片氧化层厚度与电阻率测试点位图；
45.图8为外延片测试氧化层厚度分布图；
46.图9为外延片中点重复测量电阻率分布图；
47.图10为外延片九点电阻率测试的测试点位图；
48.图11为外延片九点电阻率测试的电阻率分布图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.实施例
51.在一种具体的实施例中，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种适用于硅外延片电阻率测量前处理的设备，包括设备内壁、设备外壁、设备外壳、反应室、石英架、电极、进气口、出气口、感应线圈；所述反应室位于所述设备内壁内，所述感应线圈位于所述设备内壁外部，所述电极位于所述反应室内部并相对放置，所述石英架置于所述电极内部，所述进气口位于所述电极负极一侧，所述出气口位于所述电极的正极一侧，所述进气口和所述出口气与电极并不接触。
52.本实施例中设备外壁的大小为长宽高为30x40x40厘米。
53.在本实施例中，反应室相当于圆柱体，圆形底面圆心的连线平行于地面，即，反应室是一个横卧的圆柱体，以容纳待处理的外延片。反应室为12英寸(30厘米)直径，27厘米长
的圆柱体。
54.石英架为整体呈镂空的四棱台形状，用于容纳外延片，其中两个面为等腰梯形，另外四个面为矩形。镂空是为了在保持结构强度的前提下尽可能减少对等离子体的影响。石英架依据待处理的外延片的大小有不同的尺寸，常规尺寸有5英寸、6英寸和8英寸，本实施例中的石英架为8英寸外延片的规格，石英架有装片位一般为25个，均匀分布。单次处理一般使用不超过8个槽位，以确保有足够的间距。
55.电极位于反应室内和石英架的外围。电极可对不同电性的等离子体产生不同的作用力，起到导流的作用。电极的极性可以通过接线的方式调整，默认上方的电极为正，下方的为负。正极和负极各包括两片电极片，上下极(不同极)之间电极片间隙(纵向)较大，为5厘米，同极电极片之间间距(横向)较小，为3厘米。
56.两组进气口位于反应室底部，可自由与外接的气源直接连接，或者与流经等离子发生器的外接气源相连接。进气口1和进气口2交错排布，以获得较好的气流分布。
57.一组出气口，出气口位于反应室顶部，与外接气泵相连接。
58.一个外接气泵(图中未标出)，与出气口相连接，其抽气速率可调节。该装置为本领域常用装置。
59.内部的螺旋感应线圈，其大致以反应室的一个底面为起点，盘绕反应室外围并大致以反应室的另一个底面为终点，为反应室提供加热功能，以调节反应室的温度。
60.一个外接射频发生装置(图中未标出)，输入端与与外接的氧气气源相连接，并输出等离子态的氧气，输出端与其中一组进气孔连接，其功率可调节。该装置为本领域常用装置。
61.本实施例等离子体通过电极和气压引流，处理速度快。
62.在一种优选的实施方式中，还包括法拉第笼；所述法拉第笼位于所述石英架和所述电极之间。法拉第笼为网状结构，孔洞为圆形或方形，网格为图5所示的实线框，并且以一定规律铺满整个网状面。法拉第笼起到调节气流的作用。
63.由于进气孔与出气孔在同一平面上，在外加电场(电极提供)的作用下，等离子体将较多地沿进出气孔平面分布，即在外延片纵向直径方向扩散较多，而在纵向直径两侧分布较少，等离子体浓度分布的不均匀会导致外延片表面氧化层生长不均匀。
64.因此本实施例引用了法拉第笼，当笼体处于电场中时，笼体外壳形成了一个等电势面，等电势面的各点之间没有电势差，因而在笼体内部不会形成电场，笼体内部的等离子体不会受电极电场的影响而运动，所以笼体内的等离子体在外延片纵向直径两侧的方向上有更长的自由扩散时间，等离子体在笼体内可以分布得更均匀。
65.法拉第笼直径为26厘米，长25厘米，厚度为0.3厘米。图4中虚线框表示不同法拉第笼基本单元(线框)的规格。对于长方形内孔，a为内孔长，b为线框长，c为内孔宽，d为线框宽，且线框长需大于内孔长，线框宽需大于内孔宽(b>a且d>c)；对于圆形内孔，r为内孔半径，b为线框长，d为线框宽，且线框长需大于两倍的内孔半径，线框宽需大于1.732倍的内孔半径(b>r且d>1.732r)。a尺寸为0.8毫米
‑
4.8毫米，优选地a＝3.7毫米；b尺寸为4毫米
‑
6毫米，优选地b＝5毫米；c尺寸为0.6毫米
‑
4毫米，优选地，c＝3毫米；d尺寸为3毫米
‑
5毫米，优选地d＝4毫米；r尺寸为1.2毫米
‑
2.2毫米优选地r＝1.9毫米。
66.在孔洞面积占法拉第笼面积不大于70％的情况下，三角形的网格效果更佳。
67.孔洞面积占法拉第笼总面积可通过孔洞面积与网格面积之比进行估算，面积比率在30％
‑
70％之间，优选地，面积比率在40％
‑
60％之间。
68.本实施例面积比率为56％。
69.本实施例中选用图4中的第一种法拉第笼，b＝5毫米；d＝4毫米；r＝1.9毫米。
70.本实施方式中，等离子体靠气压差引流，处理速度慢，但是均匀性更好。
71.本实施例的反应机理如图6所示：
72.本实施例利用高活性的氧等离子体对外延片表面进行处理，以破坏不稳定的si
‑
x杂键(x可以是任何可能的不稳定或非需要的键型)，而得到稳定的硅
‑
氧键。
73.本发明所涉及的化学反应发生于反应腔内，不包含rf源产生等离子体过程中的反应。
74.本发明所涉及的化学反应主要在外延片表面发生，反应物与生成物均以电子式而非分子式的形式给出，以更好地展现反应过程：
75.图6中“·”表示中心原子自身的电子或同元素间相邻原子形成的共价键中的电子，“x”表示不同元素之间形成的共价键时非中心原子提供的电子，图中电子式不考虑键能与π键；反应式未配平，反应式仅体现主要反应物与反应产物，不代表反应腔内仅发生所示反应，反应式不体现中间过程；反应物与反应产物仅为解说方便而表示，其状态可以是固态、气态，其组成可以是分子或离子；电子式中si表示硅原子，电子式中o表示氧原子，电子式中x表示烷烃基团，实际处理过程中也可以是其他有机物基团，电子式中y表示第一主族的无机物原子，实际处理过程中y也可以是其他族的元素。
76.另外，为使描述更加准确，以电子式表示的反应式以键线式再次表述。其中“—”代表已成共价键或悬键，键线式未考虑反应物与生成物的空间结构，反应式未配平，反应式仅体现主要反应物与反应产物，不代表反应腔内仅发生所示反应，反应式不体现中间过程；反应物与反应产物仅为解说方便而表示，其状态可以是固态、气态，其组成可以是分子或离子；键线式中si表示硅原子，键线式中o表示氧原子，键线式中x表示烷烃基团，实际处理过程中也可以是其他有机物基团，键线式中y表示第一主族的无机物原子，实际处理过程中y也可以是其他族的元素。
77.电子式与键线式一一对应。
78.利用设备进行处理后的外延片进行数据测量：
79.氧化层厚度测试：
80.取8英寸外延片样品1在图7所示的位置选取49个点测量氧化层厚度，得到了图8氧化层厚度分布图，大部分分布于之间。
81.电阻率均匀性测试：
82.先取8英寸外延片样品2和样品3在其中心点连续测量十次，测量数据如下表所示：
[0083][0084]
中心点电阻率测量值分布图如图9所示。
[0085]
再取8英寸外延片样品4和样品5在如图10所示的九点进行测量，测量数据如下表所示：
[0086][0087]
九点电阻率测量值分布图如图11所示。
[0088]
预处理后的外延片氧化层厚度在之间；中心点单点电阻率复测均匀性在0.2％以内，片内均匀性0.7％以内，电阻率测量相位角≥89.5
°
；实现了对待处理外延片的批量处理；外延片与外延片之间均匀性好；处理设备与生产设备不分区减少了处理难度与成本；可以利用现有设备改造降低了生产成本。
[0089]
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。