國產(chǎn)襯底片在雙極型集成電路制造中的應(yīng)用

摘要：隨著國產(chǎn)襯底的生產(chǎn)工藝和控制能力的不斷提升，國產(chǎn)襯底的應(yīng)用也越來越廣。作者就國產(chǎn)襯底在雙極型集成電路制造中普遍關(guān)心的問題做了全面的評估，包括物理參數(shù)、電參數(shù)、圓片合格率，以及大規(guī)模生產(chǎn)的工程能力指數(shù)。評估結(jié)果說明國產(chǎn)襯底在品質(zhì)上已經(jīng)完全能夠媲美進口襯底，滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：集成電路制造；硅襯底；雙極型集成電路；襯底物理參數(shù)；襯底翹曲；失焦；電參數(shù)；工程能力指數(shù)。

1 引言

國產(chǎn)硅襯底在分立器件，如 TVS，肖特基二極管和 VDMOS 等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中已經(jīng)被大量使用，但在雙極型集成電路生產(chǎn)制造中少有使用，主要原因是雙極型集成電路在生產(chǎn)過程中有著大量的熱高溫過程，如外延生長工藝，DN 深磷和 DP 對通隔離的推進工藝，這些工藝溫度都在 1 150 ℃ 以上，且 DP 或 DN 推進工藝的時間又在 24 小時以上，襯底的應(yīng)力變化和翹曲變形都比較大，稍有不慎，就會引起應(yīng)力碎片或光刻失焦，造成報廢或低合格率。所以在大規(guī)模使用國產(chǎn)襯底上，我們一直比較保守，不能形成規(guī)模生產(chǎn)。

國產(chǎn)襯底的質(zhì)量在最近幾年有了長足的進步，重復(fù)性，一致性也取得了很大的提升。加之最近襯底供應(yīng)偏緊，襯底國產(chǎn)化的工作愈發(fā)緊迫。本文作者通過對國產(chǎn)襯底和國外主流大廠的襯底的對比試驗，就硅襯底本身的性能，產(chǎn)品的電參數(shù)（PCM 參數(shù)）， 圓片的合格率做了全面地比較，同時對大規(guī)模生產(chǎn)中硅片是否翹曲進行了跟蹤觀察。電參數(shù)的過程能力指數(shù)也做了統(tǒng)計計算，其結(jié)果非常喜人，為國產(chǎn)襯底在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 實驗

2.1 實驗對象

選取了雙極型集成電路中的典型產(chǎn)品，電源管理和音頻功放產(chǎn)品作為評估對象。其工藝過程中都含有 1 150 ℃的外延工藝，和 1 150 ℃，24 小時以上的 DN 或 DP 推進工藝。

2.2 實驗方法及結(jié)果比較

分別就進口襯底和國產(chǎn)襯底作分組對比，首先比較硅襯底的物理特性參數(shù)，其次比較電參數(shù)特性和不同產(chǎn)品的圓片合格率。

最后，對國產(chǎn)襯底在大規(guī)模生產(chǎn)中實際表現(xiàn)進行跟蹤評估。主要考核是否在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)硅片破損，光刻失焦（defocus） 和在 e-chuck 機臺上的滑片現(xiàn)象。

同時對主要 PCM 數(shù)據(jù)的工程能力指數(shù)（Cpk）進行評估。

3 分組對比數(shù)據(jù)

3.1 硅襯底的物理參數(shù)對比結(jié)果

表 1，主要測量參數(shù)對比 。圖 1，正面魔鏡下對比。圖 2，背面顯微鏡下對比。結(jié)論如下。

（1）硅片的幾何尺寸，電阻率徑向梯度、氧梯度、氧含量、碳含量、TIR、STIR、OISF、 位錯密度等參數(shù)國產(chǎn)襯底片和進口襯底片相當(dāng), 沒有顯著差異。

（2）硅片表面（正面和背面）的鏡檢結(jié)果顯示，國產(chǎn)的襯底片和進口襯底片相當(dāng)，沒有顯著差異。

（3）WARP 和 TTV 參數(shù)，在數(shù)值上國產(chǎn)襯底片略差于進口襯底片，雖然都在規(guī)范內(nèi)，但差異確實存在。

3.2 分組電參數(shù)（PCM）對比

由于 PCM 測量參數(shù)比較多，我們挑選了影響器件特性的主要參數(shù)，重點比較了下面 6 個參數(shù)。LPNP_BETA，NPN__BETA，R_CHAIN_SP/CO/IN，R_CHAIN_SN/CO/IN，BVISO 和 R_PINCH(BASE)。

PNP 晶體管和 NPN 晶體管的放大倍數(shù) BETA 是雙極性集成電路的重要參數(shù)，對最終產(chǎn)品的特性有著重大影響。

BVISO 是隔離區(qū)的耐壓，反映隔離的水平，耐壓低器件漏電流會顯著增加。

R_PINCH(BASE) 是發(fā)射極和基極的擠壓電阻，反映了對結(jié)深和結(jié)濃度的控制能力。

R_CHAIN_SP/CO/IN, R_CHAIN_SN/CO/IN 是 SP 區(qū)域和 SN 區(qū)域的接觸鏈電阻，由于和襯底硅直接接觸，也列為考察對象。

數(shù)據(jù)對比詳見圖 3～圖 8。

這些 PCM 數(shù)據(jù)都非常接近，符合匹配的條件。在 LPNP-BETA 的項目上國產(chǎn)襯底的表現(xiàn)稍微好于進口襯底。在電參數(shù)方面國產(chǎn)襯底和進口襯底已經(jīng)沒有顯著差異了，微小的差異也在完全可以接受的范圍之內(nèi)，有些參數(shù)國產(chǎn)襯底表現(xiàn)得更好。

3.3 分組圓片合格率對比

表 2 是音頻產(chǎn)品和電源產(chǎn)品的分組圓片合格率對比結(jié)果。國產(chǎn)襯底和進口襯底在圓片合格率上沒有明顯區(qū)別，都達到了一個比較高的水平。

4 大規(guī)模生產(chǎn)中電參數(shù)性能表現(xiàn)

我們對 3.2 節(jié)中的重點的 6 個電參數(shù)作了 Cpk統(tǒng)計，共包括了 2 000 片圓片，計 10 000 個原始數(shù)據(jù)源，其過程能力指數(shù) CpK 如表 3 所示。我們的要求是 CpK 大于等于 1.66，所有 CpK 指數(shù)都達標(biāo)，符合大生產(chǎn)的需求。

5 硅襯底本身的穩(wěn)定性考察

在硅襯底生產(chǎn)中，硅襯底中會有各種應(yīng)力存在，同時硅襯底片會有一定的翹曲度，如果控制不好，會引起后續(xù)集成電路生產(chǎn)中的各種問題，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

（1）應(yīng)力碎片。由于雙極型集成電路生產(chǎn)過程中，長時間熱高溫過程比較多。特別容易引起應(yīng)力碎片，其表現(xiàn)為在舟中某一片硅片會沿晶向一分為二或者莫名其妙的斷裂。

（2）滑片。由于硅襯底的翹曲，造成 e-chuck不能很好地吸住硅片，硅片在設(shè)備的極板上有滑動現(xiàn)象，造成設(shè)備報警，嚴(yán)重時會造成碎片，需要工程師現(xiàn)場處置，引起額外的設(shè)備宕機時間。

（3）光刻失焦現(xiàn)象。還是由于硅襯底的翹曲，造成光刻工藝不能完美地對焦，局部區(qū)域無法聚焦，這些區(qū)域的圖形不能完美地形成，最終引起圓片低合格率。

我們在線跟蹤了十萬片國產(chǎn)襯底片的流片情況， 統(tǒng)計了萬片的不良事件發(fā)生片數(shù)，表 4 是十萬片的實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

這些結(jié)果表明: 雖然翹曲度在數(shù)值上略差于進口片，但襯底廠商的生產(chǎn)制程管控能力還是很強的，重復(fù)性一致性非常好，襯底片能夠適應(yīng)后續(xù)這么多的熱高溫處理過程的挑戰(zhàn)而保持良好的狀態(tài)，沒有明顯的變形翹曲，不良事件的發(fā)生片數(shù)幾乎為零。這對規(guī)?；笊a(chǎn)能力的形成與提升有著至關(guān)重要的作用。

6 結(jié)語

通過主要物理參數(shù)和電參數(shù)的比較，說明國產(chǎn)襯底的性能已經(jīng)和進口襯底相媲美。合格率數(shù)據(jù)上已經(jīng)看不出區(qū)別。至于 WARP 和 TTV 的不足，可以通過優(yōu)化砂漿配液[1]、線切割工藝[2]，優(yōu)化腐蝕工藝和優(yōu)化拋光工藝 [3-5]來改善。

大規(guī)模生產(chǎn)的數(shù)據(jù)表明，國產(chǎn)襯底的質(zhì)量十分穩(wěn)定，其工藝過程能力數(shù)據(jù)也非常好，所以國產(chǎn)襯底可以完全地，完美地取代進口襯底。受此鼓舞，我們也在積極驗證 200 mm 的國產(chǎn)襯底，初步結(jié)果也符合預(yù)期。國產(chǎn)襯底的時代真正來臨了。