重摻雜襯底上輕摻雜硅外延層厚度的測試 紅外反射法編制說明

國家標準《重摻雜襯底上輕摻雜硅外延層厚度的測量紅外反射法》編制說明（預審稿）工作簡況（一）任務來源根據(jù)《國家標準化管理委員會關于下達2024年第一批推薦性國家標準計劃及相關標準外文版計劃的通知》（國標委發(fā)[2024]16號）的要求，由浙江金瑞泓科技股份有限公司牽頭修訂國家標準《重摻雜襯底上輕摻雜硅外延層厚度的測試紅外反射法》，計劃編號為20240143-T-469,要求于2025年08月完成。經(jīng)過原國標委工業(yè)一部、工業(yè)二部認可，半導體材料標準由全國半導體設備和材料標準化技術委員會（SAC/TC203）與全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會（SAC/TC203/SC2）共同提出并歸口，具體見標委工二函[2014]22號，已上傳至標準制修訂系統(tǒng)。（二）項目背景項目的必要性簡述硅是集成電路領域最重要的半導體材料，隨硅片尺寸增加到300mm以及集成電路特征線寬的減小，對硅材料性能要求越來越高，硅外延片由于具有更低缺陷密度和更好吸雜性能等特點，越來越多的精密分立器件和先進集成電路開始使用外延片加工制造。因此，硅外延層厚度在外延生產(chǎn)加工中被嚴格管控和測量，為確保硅外延層厚度的可靠性和穩(wěn)定性，準確可靠的硅外延層厚度測試方法至關重要。由于重摻襯底上輕摻雜外延層可以直接用紅外反射測量方法直接測出，該方法和硅片無接觸，具有非破壞性，且測量精度高，測試高效快捷，準確性和可靠性好，是具有較好應用前景的表征方法，有利于推動硅外延片產(chǎn)業(yè)自動化智能化生產(chǎn)，促進相關設備國產(chǎn)化進程，加速硅外延片產(chǎn)業(yè)加工能力和技術趕超國際先進水平。隨著先進節(jié)能器件對外延片要求越來越高，硅外延襯底和外延層種類不斷增加，以及外延厚度自動測量技術的進步，原國家標準中應用范圍可進一步擴展，主體內(nèi)容需要更新和更正，測量原理方法需要進一步更新。另外，隨著測試準確性和穩(wěn)定性要求的提高，對附屬系統(tǒng)的管控也相應提出更高需求，現(xiàn)有的干擾因素需要修改補充。國內(nèi)生產(chǎn)廠家的增加和規(guī)模的不斷擴大，測試機臺數(shù)量和種類也不斷增加，測試方法和標準需要統(tǒng)一規(guī)范和引導，多實驗室測試數(shù)據(jù)和測量重復性穩(wěn)定性等需要加以評估和更新。標準中的技術知識和內(nèi)容需要及時更新和規(guī)范，以適應半導體產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展進步的應用需求。綜上所述，為更好的適應新外延產(chǎn)品多品種多類型應用需求，現(xiàn)有標準內(nèi)容已無法滿足外延產(chǎn)品多類型的需求，亟待更新標準的測量范圍和技術知識，以滿足硅外延片厚度測試的需要，更好的服務硅外延片生產(chǎn)加工和質量保障，促進半導體產(chǎn)業(yè)更快更好的發(fā)展進步。本標準的修訂和應用，有利于規(guī)范和指導硅外延片厚度表征技術和方法，有利于超薄外延層和超厚外延層等工藝技術的開發(fā)和進步，有利于促進硅片生產(chǎn)企業(yè)推動硅片生產(chǎn)加工的自動化、智能化和數(shù)字化。同時，本標準有利于推動國產(chǎn)量測設備的推廣和應用，加速半導體測試設備的國產(chǎn)化進程，加速相關產(chǎn)業(yè)技術能力趕超國際先進水平。項目的可行性簡述金瑞泓承擔的國家02專項（2010ZX02301-001），明確要求研制具有自主知識產(chǎn)權的集成電路用200mm硅外延片。建成0.18-0.13μm集成電路用200mm硅外延片大批量生產(chǎn)線，實現(xiàn)月銷售硅外延片5萬片產(chǎn)能。金瑞泓承擔寧波市重大專項（2021ZO96）關于200mm重摻砷襯底高壓器件用外延片技術開發(fā)，外延層厚度作為決定器件擊穿電壓和導通電阻的直接相關參數(shù)，重摻襯底上輕摻雜外延層的紅外測試方法在外延片厚度表征技術中發(fā)揮著重要作用。因此，該項目為國家標準的重新修訂提供了政策支持。目前集團公司的硅外延片產(chǎn)能200mm以下45萬片，300mm產(chǎn)能3萬片以上。主要參加單位和工作成員及其所作工作牽頭單位浙江金瑞泓科技股份有限公司于2000年6月在寧波保稅區(qū)成立，經(jīng)過近二十五年的發(fā)展，已成為國內(nèi)硅拋光片和硅外延片主要供應商之一，具有從單晶制備到硅外延片、再到分立器件制備一整套的工藝流程，在國內(nèi)具有良好聲譽。年產(chǎn)硅外延片200萬片以上，硅拋光片更是高達800萬片，供應覆蓋國內(nèi)外市場，是國內(nèi)硅片加工經(jīng)驗最豐富的企業(yè)之一。同時，浙江金瑞泓科技股份有限公司積極參與國家標準和行業(yè)標準的制修訂工作，具備承擔標準編制任務的能力。本文件的牽頭起草單位浙江金瑞泓科技股份有限公司組織了標準起草和試驗復驗工作，金瑞泓微電子（衢州）有限公司、金瑞泓微電子（嘉興）有限公司、金瑞泓科技（衢州）有限公司、***公司在標準討論中積極發(fā)表意見，有色金屬技術經(jīng)濟研究院有限責任公司對標準各環(huán)節(jié)的稿件進行了修改，確保標準符合GB/T1.1的要求，為標準文本的完善做出了貢獻。表1主要起草人及工作職責起草人工作職責負責標準的工作指導、組織協(xié)調及標準編制負責標準及編制說明的編制負責標準文件編輯的審核，組織協(xié)調各單位討論研究負責搜集整理國內(nèi)外電子級多晶硅生產(chǎn)廠家產(chǎn)品技術指標信息，整理征求意見并反饋，協(xié)助編寫編制說明提供理論支撐，反饋標準意見（四）主要工作過程起草階段本項目在下達計劃后，組織了專門的標準編制小組，進行了測試設備、外延片客戶要求、測試標準應用場景等方面的調研和收集；與同行、設備商進行了充分的溝通。結合多年的硅外延片厚度測試實踐和經(jīng)驗，按照國家標準的格式要求起草了本標準，并于2024年9月形成了標準討論稿。2024年9月25日，由全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會組織，在陜西省西安市召開了《重摻雜襯底上輕摻雜硅外延層厚度的測量紅外反射法》標準第一次工作會議（討論會），共有浙江金瑞泓科技股份有限公司、***公司等***個單位***位專家參加了本次會議。與會專家對標準討論稿進行了逐條討論，并對規(guī)范性引用文件、干擾因素、試驗條件、巡回測試等提出了修改意見和建議。會后編制組根據(jù)討論會意見對標準稿件進行了修改，并制定了DOE試驗方案進行試驗驗證。隨后開展了巡回測試，并于2024年12月形成了《重摻雜襯底上輕摻雜硅外延層厚度的測量紅外反射法》標準預審稿。征求意見階段2024年11月，全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會在將標準征求意見稿和編制說明在“國家標準化業(yè)務管理平臺”上掛網(wǎng)，向社會公開征求意見，未收到反饋意見。同時，標委會通過工作群、郵件向委員單位征求意見，并將征求意見資料在網(wǎng)站上掛網(wǎng)征求意見。征求意見的單位包括主要的生產(chǎn)、經(jīng)銷、使用、科研、檢驗等，征求意見單位廣泛且具有代表性。審查階段報批階段標準編制原則1、適用性原則：根據(jù)國內(nèi)各硅片廠家實際生產(chǎn)的具體情況和硅外延片客戶需求，以及目前使用的設備情況，制定本標準的適用范圍、測試原理、干擾因素以及校準、試驗步驟等內(nèi)容，滿足國內(nèi)外廠家及客戶的需求。2、規(guī)范性原則：標準在格式上嚴格按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的要求進行編寫。標準主要內(nèi)容的確定依據(jù)及主要試驗和驗證情況分析1、范圍確定1.1DOE正交試驗研究測試譜圖和關鍵要素之間的相關性選擇決定紅外厚度測試值的干涉譜圖振幅相關的關鍵要素：A-襯底電阻率(ohm.cm)、B-外延層電阻率(ohm.cm)和C-外延層厚度(μm)。為研究這些要素的影響主次及關聯(lián)趨勢信息，有必要對上述三因素設置三水平并做L9(34)正交DOE實驗，研究其關鍵要素因子的具體影響情況。表2.DOE正交實驗三因子三水平列表設計正交表見表3，根據(jù)L9(34)正交表做試驗并分析干涉圖譜信息，得到對應的譜圖振幅強度列入表中。表3.正交表及對應試驗數(shù)據(jù)對試驗數(shù)據(jù)進行分析，按要素求和并根據(jù)要素取平均值，分析結果見表4所示，根據(jù)表4數(shù)據(jù)做權重相對因子趨勢圖1和振幅強度相對因子水平的趨勢圖2。根據(jù)圖表數(shù)據(jù)得出如下結論：（1）根據(jù)譜圖振幅強弱可識別出，C>A>B。綜合圖1和2可以發(fā)現(xiàn)，外延層厚度對測試數(shù)據(jù)的影響起著主導作用，外延層厚度越厚，對紅外光的吸收越強，得到的譜圖振幅強度越弱，可引起測試精度下降，甚至無法給出測試數(shù)值。目前通用的厚度測試范圍0.5~180μm。其次，襯底電阻率也是影響光譜的關鍵要素，電阻率越低，襯底和外延層界面反射越強，測試精度越高。最后，外延層電阻率越低，對紅外光的吸收越強，導致襯底和外延層界面處反射光束的譜圖強度降低，測試精度下降。（2）結合上述分析可知：最優(yōu)組合A1B3C1。表4試驗數(shù)據(jù)分析圖1.影響因子權重趨勢圖圖2.振幅強度相對因子水平的趨勢圖1.2外延層電阻率范圍和襯底電阻率范圍的確定室溫23℃條件下，在固定襯底電阻率0.002Ω?cm和外延層厚度10μm的情況下，選擇改變外延層電阻率四個檔位0.008Ω?cm，0.009Ω?cm，0.01Ω?cm和0.015Ω?cm，對應的數(shù)據(jù)見表5，對應譜圖如下?？梢园l(fā)現(xiàn)，電阻率0.01Ω?cm以上后，譜圖振幅明顯增強，且0.01Ω?cm測試值仍可測得穩(wěn)定的測試數(shù)據(jù)。因此，對襯底電阻率0.002Ω?cm的外延片，當外延層厚度典型值在10μm時，外延層電阻率大于0.01Ω?cm時，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的外延層厚度測試。表5四檔外延電阻率列表及對應譜圖室溫23℃條件下，在固定外延層電阻率0.01Ω?cm和外延層厚度10μm的情況下，選擇改變襯底電阻率三個檔位0.002Ω?cm，0.0035Ω?cm，和0.0045Ω?cm，對應的數(shù)據(jù)見表6，對應譜圖如下?？梢园l(fā)現(xiàn)，襯底電阻率0.002Ω?cm時，譜圖振幅最強，隨襯底電阻率增加，譜圖振幅降低明顯。因此，對外延層電阻率0.01Ω?cm的外延片，當外延層厚度典型值在10μm時，襯底電阻率0.002Ω?cm時，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的外延層厚度測試。表6三檔襯底電阻率列表及對應譜圖綜上所述，室溫23℃條件下，對襯底電阻率小于0.002Ω?cm和外延層電阻率大于0.01Ω?cm的外延片，紅外反射譜圖可用于厚度大于2μm的n型和p型硅外延層厚度的穩(wěn)定測量和表征。1.3外延厚度范圍的確定室溫23℃條件下，在固定襯底電阻率0.002Ω?cm和外延層電阻率0.01Ω?cm的情況下，選擇改變外延厚度四個檔位60μm、90μm，120μm和150μm，對應的數(shù)據(jù)見表7，對應譜圖如下。60μm厚度時，譜圖振幅最大最小值還可以分辨，90以上后譜圖干涉已經(jīng)不明顯，無法表征厚度。當外延層電阻率達100Ω?cm以上時，外延層厚度可以測試至180μm以上，對應的干涉譜圖振幅明顯，如圖3所示，外延層厚度可以被很好地表征。表7四檔外延層厚度列表及對應譜圖圖3.襯底電阻率0.002Ω?cm和外延層電阻率100Ω?cm硅外延片厚度185μm時對應的干涉譜圖綜上可知，室溫23℃條件下，對襯底電阻率小于0.002Ω?cm和外延層電阻率大于0.01Ω?cm的外延片可測試厚度范圍為2-60μm，當外延電阻率繼續(xù)升高至100Ω?cm時，可表征厚度達180μm以上。根據(jù)襯底電阻率和外延層電阻率不同，厚度表征范圍在0.5-180μm。2、其他章節(jié)確定參照SEMIMF95-1107(Reapproved1023)《TESTMETHODFORTHICKNESSOFLIGHTLYDOPEDSILICONEPITAXIALLAYERSONHEAVILYDOPEDSILICONSUBSTRATESUSINGANINFRAREDDISPERSIVESPECTROPHOTOMETER》確定了標準中的測試原理、環(huán)境、儀器設備、校準等章節(jié)。3、精密度確定根據(jù)上述試驗結論，計劃按表1選擇8個標準樣品，在7個實驗室20臺設備間做巡回測試，用同樣測試條件按照本方法測試硅外延片的厚度，分別計算測試重復性和再現(xiàn)性結果如下：標準中涉及專利的情況本標準不涉及專利問題。預期達到的社會效益等情況本標準的制定將有利于硅外延片的測量表征的規(guī)范化和標準化自動化，有利于推動硅外延片及測試設備產(chǎn)業(yè)的自動化、智能化和信息化水平的提升，加速半導體產(chǎn)業(yè)國際化進程，加快硅外延行業(yè)技術和加工能力趕超國際化水平。對硅外延產(chǎn)品質量的進步和提升有積極促進作用，也有利于推動硅外延產(chǎn)品與國際先進水平產(chǎn)品接軌，該標準的制定與實施將加快促進集成電路產(chǎn)業(yè)國有化的速度和進程。采用國際標準和國外先進標準的情況國外標準SEMIMF95-1105于2005年發(fā)布，2023年10月再次更新發(fā)布，內(nèi)容未做修改。其主要在2000年ASTMMF95的基礎上進行的全面格式修改。就具體內(nèi)容而言，其中定義的適用范圍較小，對外延層電阻率低于0.1Ω?cm的部分未給出適用標準，隨著外延層電阻率范圍的擴大，無法滿足更多先進外延片厚度表征測試需求。此外，該標準中測試原理內(nèi)容中的公式P1=P2+m錯誤，經(jīng)確認其引用文獻中公式為P2=P1+m，此處錯誤未被更新更正。和行業(yè)標準YS/T15-2015《硅外延層和擴散層厚度測定磨角染色法》和YS/T23-2016《硅外延層厚度測定堆垛層錯尺寸法》相比，紅外反射測量方法和硅片無接觸，具有非破壞性，自動化程度高，且測量精度高，測試高效快捷，準確性和可靠性好，是外延片生產(chǎn)加工中在線監(jiān)控最普遍和廣泛采用的表征方法。本標準是在國家標準GB/T14