周繼瑞 張朔 許宗瑞 李素華

摘 要：為保證商用芯片生產(chǎn)具有高效率、高質(zhì)量和可靠性，對某型號芯片的工藝制程進(jìn)行深入探究，在關(guān)鍵影響因子的改進(jìn)方面采取針對性措施，極大改善了該型芯片在每一生產(chǎn)批晶圓中的參數(shù)分布均勻性。

關(guān)鍵詞：商用芯片；參數(shù)均勻性；推進(jìn)氧化制程；可靠性；良率與成本控制

中圖分類號：TN433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）17-0056-03

Effect of Improving Oxidation Process on Uniformity of

Chip parameters and Improvement Oxidation Process

ZHOU Jirui ZHANG Shuo XU Zongrui LI Suhua

Abstract： In order to ensure the high efficiency， high quality and reliability of the commercial chip production， the technological process of a certain type of chip was deeply explored， and the pertinence measures were taken in the improvement of the key factors， which greatly improved the uniformity of the parameter distribution in each batch of wafer.

Keywords： commercial chip ；parameter uniformity；advance oxidation process； reliability；yield and cost control

某一自研芯片，性能滿足市場要求，但暢銷品類要求芯片的參數(shù)分布在一個窄的范圍，范圍跨度約 150 個單位；范圍外的芯片或降價銷售，或因無法銷售而報廢。

芯片參數(shù)均勻性差限制了該產(chǎn)品的利潤率，使生產(chǎn)環(huán)節(jié)要投入大量晶圓才能滿足市場需求量，加重了生產(chǎn)復(fù)雜性和人工消耗。產(chǎn)品報廢率高使質(zhì)量可靠性也受到影響。對此開展了對影響芯片參數(shù)均勻性因素的研究。

1 影響芯片參數(shù)均勻性的因子分析

結(jié)合半導(dǎo)體器件原理可知，影響芯片參數(shù)均勻性的因子包括：版圖設(shè)計合理性和結(jié)合工藝水平版圖設(shè)計時考慮的工藝冗余、摻雜均勻性和刻蝕線條均勻性。本文主要在版圖確定、刻蝕均勻性相對穩(wěn)定的前提下探討摻雜均勻性[2]。

通用摻雜方式包括離子注入摻雜和熱擴(kuò)散摻雜。通常情況下，形成表面摻雜層離子注入方式的均勻性優(yōu)于熱擴(kuò)散方式。本產(chǎn)品關(guān)鍵摻雜環(huán)節(jié)是采用離子注入形成表面摻雜層再配合高溫推進(jìn)氧化達(dá)到需要的摻雜濃度分布，同時部分工步的摻雜因需要平衡其他參數(shù)，仍采用熱擴(kuò)散摻雜方式，但都需要進(jìn)行推進(jìn)氧化來形成所需的摻雜濃度分布。

2 芯片參數(shù)在單片和整批晶圓中分布均勻性的現(xiàn)狀調(diào)查

使用儀器繪制出芯片參數(shù)在晶圓上的數(shù)值分布圖作為研究工具。

觀察正常生產(chǎn)批圖像，一個共同特征是參數(shù)分布在晶圓上的快速過渡，典型圖像又分為“條帶”狀和“孤島”型（見圖1和圖2）。取樣一整批，“條帶”狀分布占晶圓總片數(shù)的83.3%，“孤島”型占16.7%。擴(kuò)大統(tǒng)計量，“條帶”狀約占80%，“孤島”型約20%。

3 理論分析與假設(shè)試驗

3.1 理論分析

按半導(dǎo)體器件原理，該參數(shù)（設(shè)[A]）理論公式是：[A∝a3ρ2]，[a]為溝道厚度，[ρ]為溝道電阻率，[A]與[a]、[ρ]是立方和平方關(guān)系，所以[a]和[ρ]微小的變化都被指數(shù)級放大，這是A不易做到一致的理論原因。而晶圓上每個芯片[a]和[ρ]的形成和推進(jìn)氧化密切相關(guān)。

推進(jìn)氧化過程影響[a]、[ρ]的因素主要是具體芯片位置處的表面摻雜層濃度、擴(kuò)散溫度、氣流大小、氣流速率（H2、Q2、N2）及延伸到不同芯片晶圓在擴(kuò)散爐內(nèi)所處的位置[3]。

提出假設(shè)：參數(shù)從小到大快速過渡的原因是擴(kuò)散爐內(nèi)氣流分布不均勻，產(chǎn)生的影響主要有：第一，造成硅片表層氧化速率不同及氣流攜帶走不同數(shù)量的雜質(zhì)導(dǎo)致不同位置的最終雜質(zhì)分布不同；第二，在其他淀積摻雜過程造成雜質(zhì)輸運(yùn)到不同位置處的雜質(zhì)數(shù)量不同，也會導(dǎo)致最終的濃度分布和溝道厚度不同。

改進(jìn)方案：爐內(nèi)增加散流板和阻流板。

3.2 設(shè)計驗證試驗

為驗證假設(shè)做數(shù)組對比試驗和測量。

3.2.1 擴(kuò)散爐內(nèi)不同位置點(diǎn)的溫度測量。將熱偶放在爐內(nèi)不同的橫向和縱向位置，恒溫區(qū)不同橫向和縱向位置實(shí)測值均在行業(yè)工藝溫度要求的精度內(nèi)。排除了溫度分布不均勻度影響是主因的可能[4]。

3.2.2 恒溫區(qū)兩端增加阻散流板對比。固態(tài)源淀積過程在爐內(nèi)恒溫區(qū)進(jìn)氣端放置散流板，出氣端加阻流板。做兩整批晶圓對比驗證，驗證結(jié)果見表1。

分析表1的數(shù)據(jù)可得出，單獨(dú)在固態(tài)源淀積過程中增加阻散流板改善氣流分布來提高參數(shù)均勻性有一定效果，但改善不夠明顯。

3.2.3 編號試驗：晶圓在爐內(nèi)所處不同位置的影響。結(jié)合工藝重要性評估，在離子注入表面摻雜后的推進(jìn)氧化過程、固態(tài)源淀積過程和固態(tài)源淀積后的推進(jìn)氧化3個過程中將晶圓在石英舟、恒溫區(qū)不同位置進(jìn)行編號，做2次編號試驗（每批25片，共100片）。位置順序如下：

離子注入后推進(jìn)氧化：爐尾進(jìn)氣端 [100 99 98 ……77 76‖75 74……53 52 51] 爐口端

爐尾進(jìn)氣端 [50 49 48……27 26‖25 24……03 02 01] 爐口端

固態(tài)源淀積：爐尾進(jìn)氣端 [│75 100│74 99│73 98│…‖…│52 77│51 76│] 爐口端

爐尾進(jìn)氣端 [│50 25 │49 24│48 23│…‖…│27 02│26 01│] 爐口端

固態(tài)源淀積后推進(jìn)氧化試片：爐尾進(jìn)氣端 [ x y z…82 95 69 56‖a b…………r s t] 爐口端

爐尾進(jìn)氣端 [ x y z…………a b ‖32 44 15 4…r s t] 爐口端

固態(tài)淀積后推進(jìn)氧化：爐尾進(jìn)氣端 [100 99 98 ……76 試1 試2‖試3 試4 75……52 51] 爐口端

爐尾進(jìn)氣端 [ 50 49 48……………27 26‖25 24………… 05 03 02 01] 爐口端

結(jié)果分析：過程參數(shù)B等效于最終參數(shù)A在過程中的體現(xiàn)，正相關(guān)關(guān)系。

固態(tài)預(yù)淀后參數(shù)B測量值規(guī)律如下。

【1】100→76 從小變大（1.6→2.5）（依順序過渡明顯，單片五點(diǎn)一致的占18片）；75→51 從大變小（2.5→1.2）（依順序過渡明顯，單片五點(diǎn)一致的占14片）。

【2】50→26 從小變大（1.8→2.5）（依順序過渡明顯，單片五點(diǎn)一致的占17片）；25→01 從大變?。?.5→1.4）（依順序過渡明顯，單片五點(diǎn)一致的占21片）。

分析推論1：按B測量值和晶圓位置聯(lián)系比照。

驗證思路：排除和證明法（B值有規(guī)律分布是排除法驗證的基礎(chǔ)）。

①主因是固態(tài)源淀積過程影響：假設(shè)成立，觀察固態(tài)源淀積時晶圓的擺放。

100-76晶圓的位置嚴(yán)格對應(yīng)于25-1的位置；75-51對應(yīng)于50-26。

而B值：100→76 從小變大（1.6→2.5），75→51 從大變?。?.5→1.2）成立。

假設(shè)其他條件不變，根據(jù)同樣的影響規(guī)律，則對于25-1和50-26兩批晶圓，應(yīng)有結(jié)論【3】：25→1，Vp值從小變大；50→26，Vp值從大變小。

而【3】明顯和試驗實(shí)測值分布【2】矛盾，故假設(shè)不成立。

②主因是固態(tài)源淀積后推進(jìn)氧化或離子注入后推進(jìn)氧化過程。

思路：整體法和排除法。

把實(shí)測值的分布規(guī)律變換得到等價形式：

100→76，75→51 位置順序的B值按擴(kuò)散爐內(nèi)“里端→中心→外端”位置順序按“小→大→小”規(guī)律變化；即100→76，75→51對應(yīng)于“里→中→外”，對應(yīng)于B值“小→大→小”，記為式【4】；50→26， 25→01 對應(yīng)于“里→中→外”，對應(yīng)于B值“小→大→小”，記為式【5】。

通過觀察得出：離子注入后、固態(tài)源淀積后推進(jìn)氧化的硅片擺放方式，都能解釋得通；再結(jié)合固態(tài)源淀積后試片結(jié)果：

[ x y z…82 95 69 56‖a b…………r s t]

[ x y z…………a b ‖32 44 15 4…r s t]

經(jīng)逐片測試B值：

82>95>69>56；【6】（95≈69）

32>44=15>4 【7】

①假設(shè)固態(tài)源淀積推進(jìn)氧化是主因，則8個試片的B值分布應(yīng)該和整批的推進(jìn)氧化有同樣的規(guī)律。但是觀察【6】【7】式和試片時在爐內(nèi)的位置可知：雖然【7】式的規(guī)律和固態(tài)源淀積推進(jìn)氧化主導(dǎo)的規(guī)律相同，但若固態(tài)源淀積推進(jìn)氧化起主因，則82 95 69 56號片在石英舟靠里半段，B值分布應(yīng)該是：82<95<69<56【8】。

而【8】和【6】不能同時成立，【6】為測量結(jié)果，故假設(shè)固態(tài)源推進(jìn)氧化是主因不成立。

②假設(shè)離子注入后推進(jìn)氧化是主因，則測量值分布規(guī)律【1】【2】【4】【5】，同時試片結(jié)論【6】【7】式都成立，即離子注入后推進(jìn)氧化過程是影響主因[5]。

分析推論2：比照最終參數(shù)A的分布圖像規(guī)律（見圖3至圖10）。

從上圖可知，出氣口側(cè)第1-7片和進(jìn)氣口側(cè)第1-3片呈明顯“孤島”型分布，中間片子基本呈現(xiàn)“條帶”分布?！肮聧u”占20%，與前期的生產(chǎn)批數(shù)據(jù)吻合，即各個晶圓快速過渡的程度形態(tài)與晶圓在爐內(nèi)放置的位置相關(guān)性強(qiáng)[6]。

4 后續(xù)改進(jìn)驗證

通過上述分析可以得出以下推論：①所有熱擴(kuò)散過程中離子注入后推進(jìn)氧化是影響參數(shù)均勻性的主要過程；②晶圓在爐內(nèi)的擺放位置與同批次內(nèi)的片間參數(shù)均勻性有明顯對應(yīng)規(guī)律，孤島型分布集中在靠近出氣口和進(jìn)氣口的位置，且出氣口端孤島形態(tài)更重；條帶分布集中在晶圓擺放的中間位置；③爐內(nèi)氣流均勻性是影響參數(shù)分布均勻性的主要因素。

改進(jìn)與驗證：推進(jìn)氧化過程增加阻散流板，在石英舟兩端各放3～5個同樣大小假片；氣路系統(tǒng)技術(shù)改造，質(zhì)量流量計替代手旋浮子流量計，手動開關(guān)改為自動化微控。改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表2。

5 結(jié)語

基于半導(dǎo)體理論并歸納實(shí)際現(xiàn)象，提出假設(shè)并設(shè)計試驗進(jìn)行探究驗證，針對某型芯片量產(chǎn)過程中存在參數(shù)分布均勻性差、良率低的現(xiàn)象進(jìn)行分析，最終將影響的關(guān)鍵因子鎖定為推進(jìn)氧化過程爐內(nèi)氣氛均勻性與晶圓在擴(kuò)散爐內(nèi)的具體位置，并采用在石英舟兩端增加假片并改造擴(kuò)散爐氣路系統(tǒng)的方案進(jìn)行改進(jìn)。通過改進(jìn)，芯片參數(shù)均勻性得到一定幅度提高，促進(jìn)了該產(chǎn)品商業(yè)性批量生產(chǎn)效益要求的實(shí)現(xiàn)。

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