N2 Purge在LPCVD爐管氮化硅工藝中的應用

N2Purge在LPCVD爐管氮化硅工藝中的應用在亞微米的生產(chǎn)制造技術中，氮化硅工藝的particle已經(jīng)成為產(chǎn)品良率的主要影響因素。本文主要針對立式LPCVD氮化硅爐管的氮化硅制造工藝中所遇到particle問題進行研究。通過大量的對比性實驗進行排查與分析，并利用各種先進的實驗的設備和器材找到產(chǎn)生particle的原因，找到解決particle問題的方案。結果證明不僅延長了機臺的維護周期，而且改善了機臺的particle狀況，最終獲得良率的提升，優(yōu)化了制造工藝。LPCVD氮化硅工藝的Particle問題分析LPCVD氮化硅制備工藝通常在中等真空程度下的反應腔體內(nèi)通入反應氣體二氯二氫硅（SiH2Cl2）和氨氣（NH3）來生成氮化硅，反應溫度一般為300-900度（圖1）。

反應方程式：3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2

晶圓的particle分布圖見圖2，發(fā)現(xiàn)particle主要分布在晶圓的邊緣部分。在SEM下分析這些particle（圖3），可以很清楚的看到這些particle是一些薄膜的剝落，而利用EDX來分析的結果則顯示這些particle的主要成分是氮元素和硅元素。根據(jù)對particle的初步分析，認為這些particle的來源是在生產(chǎn)中剝落下來的氮化硅薄膜。那么是什么原因使沉積在反應腔上的薄膜剝落下來呢？根據(jù)對氮化硅薄膜的沉積過程分析，認為這是由于在LPCVD的爐管在生產(chǎn)過程反應中，氮化硅薄膜會逐漸沉積在反應腔的內(nèi)壁上。這些沉積的氮化硅薄膜必然會受到應力的影響，這里的應力包括外應力和內(nèi)應力。外應力指環(huán)境對薄膜本身施加的應力，如生產(chǎn)使用的氣體的氣流變化導致的干擾。內(nèi)應力是薄膜沉積過程中，內(nèi)部產(chǎn)生的應力。內(nèi)應力包含熱應力和本質應力兩部分。氮化硅薄膜的熱應力來源于薄膜和反應腔體內(nèi)壁材料的熱膨脹系數(shù)以及溫度的影響。本質應力是氮化硅薄膜的本征張應力。隨著氮化硅薄膜厚度的逐漸增加，應力必然逐漸增大。薄膜在內(nèi)外應力的作用下必然會從反應壁上剝落下來，這些剝落的氮化硅薄膜就是氮化硅工藝中主要的particle來源（如圖4所示）。

實際的生產(chǎn)經(jīng)驗也可以證明上面的理論：觀察了一臺生產(chǎn)機臺氮化硅薄膜的厚度從0μm累計到8μm之間的particle的情況。當?shù)璧谋∧ず穸壤鄯e大于4μm的時候，生產(chǎn)機臺的particle就明顯的增加。這說明氮化硅LPCVD爐管工藝的particle數(shù)量和氮化硅薄膜的累積厚度相關（圖5）。

根據(jù)以上的氮化硅工藝中particle的分析中可以得知：為了解決氮化硅生產(chǎn)過程中的particle問題，必須要解決的是如何避免腔體內(nèi)壁上的氮化硅薄膜的剝落的問題。而為了避免氮化硅薄膜的剝落，不但要減少腔體內(nèi)壁上的薄膜沉積厚度，也要降低氮化硅薄膜所受到應力作用。反應腔內(nèi)壁上沉積的氮化硅薄膜必須及時的清除，常規(guī)的做法就是通過周期性的維護來去除反應腔體上的氮化硅薄膜。但經(jīng)常性的清理會導致機臺的生產(chǎn)效率降低，維護成本增加。應力方面，由于無法改變氮化硅薄膜的本質應力，所以只能降低氮化硅薄膜內(nèi)在應力中的熱應力和外在應力。根據(jù)上面的分析，對于熱應力，需要考慮薄膜和反應腔體內(nèi)壁材料的熱膨脹系數(shù)以及溫度等因素的影響。對于外在應力，就要優(yōu)化在生產(chǎn)過程中的一些工藝參數(shù)來改善，如溫度，壓力和流量等方面的優(yōu)化。

對反應腔體的材質，試驗了生產(chǎn)當中常用的兩種反應腔體的材質：石英和碳化硅。使用相同的機臺和制程連續(xù)生長40次，每次生長的氮化硅薄膜厚度為2000埃。記錄每次試驗生產(chǎn)中增加的particle顆數(shù)（particlesize>0.2μm,本文中所有particle都是大于0.2μm以上的），最終求其40次記錄的平均值，結果如圖6所示。當?shù)璞∧さ睦鄯e厚度大于4μm時，生產(chǎn)中增加的particle有明顯的上升趨勢，而在石英材質的反應腔內(nèi)，particle增加量則保持相對平穩(wěn)的水平。在生產(chǎn)過程中還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象（表1）：在石英材腔體的機臺上，當particle增加較多的時候，利用機臺本身的N2來做一次purge這樣的清洗動作，機臺的下一次生產(chǎn)會有較低的particle數(shù)目增加。而在碳化硅材質腔體的機臺上，N2purge卻并不能收到這樣的效果。針對這種現(xiàn)象，認為這是由于石英材質內(nèi)壁上沉積的氮化硅薄膜隨著淀積厚度的增加，一直以一種比較穩(wěn)定的速度剝落，每次剝落的氮化硅薄膜數(shù)量不會像碳化硅內(nèi)壁機臺那樣多，所以N2purge比較容易將剝落的氮化硅薄膜清除走。

解決LPCVD氮化硅particle問題的方案

根據(jù)以上的分析結果，采用了如下的解決方案：選擇石英材質的反應腔體，利用氮化硅薄膜在石英上面相對穩(wěn)定的剝落情況，在每次生產(chǎn)過程中都利用N2purge來帶走腔體上剝落的氮化硅薄膜。這樣既降低了下一次生產(chǎn)過程中particle增加的幾率，又減少了反應腔壁上淀積薄膜的厚度。淀積薄膜厚度的減少勢必再次減少氮化硅薄膜剝落的幾率，從而使機臺可以長期保持在穩(wěn)定且較低的particle水準。如圖7反應腔的溫度和壓力曲線所示：當晶舟從反應腔內(nèi)卸載之后，逐漸降低反應腔的溫度。利用真空管路的SSV和SV閥（圖1所示），用真空泵將反應腔內(nèi)抽至低壓狀態(tài)。然后開啟機臺的N2直到反應腔體壓力回升到高壓狀態(tài)。關閉N2使反應腔體壓力再次降低到低壓狀態(tài)。重復開關機臺的N2，使壓力反應腔的壓力在低壓狀態(tài)和高壓狀態(tài)之間反復波動5次。整個purge過程中由于反應腔內(nèi)壓力的高低變化，并且一直處于降溫狀況下，所以反應腔體上附著的不是很牢的氮化硅薄膜就會被N2吹下來，并通過真空管路帶走。這樣就有效地清理了反應腔體，減少了內(nèi)壁上的薄膜厚度，從而降低了下一次生產(chǎn)時的particle。

根據(jù)如上所列舉的改造和優(yōu)化，成功地解決氮化硅LPCVD爐管的particle問題。機臺的particle被成功的控制在13顆左右，而且機臺的維護周期可以從24μm（薄膜累計沉積厚度）擴展到32μm。圖8和9顯示了同一臺機臺在使用N2purge功能前后的particledefect的情況。我們可以看出在使用N2purge的方案之后，氮化硅機臺的particle情況有了很大的改觀。

結論

利用N2purge對石英壁上氮化硅薄膜有效清除的現(xiàn)象，合理利用機臺生產(chǎn)的間歇期，通過N2來帶走可能在未來生產(chǎn)過程中剝落下來的氮化硅薄膜，成功地解決了氮化硅生