国产衬底片的发展在双极型集成电路制造中的应用详细资料概述

国产衬底片在双极型集成电路制造中的应用

摘要：随着国产衬底的生产工艺和控制能力的不断提升，国产衬底的应用也越来越广。作者就国产衬底在双极型集成电路制造中普遍关心的问题做了全面的评估，包括物理参数、电参数、圆片合格率，以及大规模生产的工程能力指数。评估结果说明国产衬底在品质上已经完全能够媲美进口衬底，满足大规模生产的需求。

关键词：集成电路制造；硅衬底；双极型集成电路；衬底物理参数；衬底翘曲；失焦；电参数；工程能力指数。

1  引言

国产硅衬底在分立器件，如 TVS，肖特基二极管和 VDMOS 等产品的生产制造中已经被大量使用，但在双极型集成电路生产制造中少有使用，主要原因是双极型集成电路在生产过程中有着大量的热高温过程，如外延生长工艺，DN 深磷和 DP 对通隔离的推进工艺，这些工艺温度都在 1 150 ℃ 以上，且 DP 或 DN 推进工艺的时间又在 24 小时以上，衬底的应力变化和翘曲变形都比较大，稍有不慎，就会引起应力碎片或光刻失焦，造成报废或低合格率。所以在大规模使用国产衬底上，我们一直比较保守，不能形成规模生产。

国产衬底的质量在最近几年有了长足的进步，重复性，一致性也取得了很大的提升。加之最近衬底供应偏紧，衬底国产化的工作愈发紧迫。本文作者通过对国产衬底和国外主流大厂的衬底的对比试验，就硅衬底本身的性能，产品的电参数（PCM 参数）， 圆片的合格率做了全面地比较，同时对大规模生产中硅片是否翘曲进行了跟踪观察。电参数的过程能力指数也做了统计计算，其结果非常喜人，为国产衬底在大规模生产中的应用奠定了基础。

2  实验

2.1 实验对象

选取了双极型集成电路中的典型产品，电源管理和音频功放产品作为评估对象。其工艺过程中都含有 1 150 ℃的外延工艺，和 1 150 ℃，24 小时以上的 DN 或 DP 推进工艺。

2.2 实验方法及结果比较

分别就进口衬底和国产衬底作分组对比，首先比较硅衬底的物理特性参数，其次比较电参数特性和不同产品的圆片合格率。

最后，对国产衬底在大规模生产中实际表现进行跟踪评估。主要考核是否在生产过程中出现硅片破损，光刻失焦（defocus） 和在 e-chuck 机台上的滑片现象。

同时对主要 PCM 数据的工程能力指数（Cpk）进行评估。

3  分组对比数据

3.1 硅衬底的物理参数对比结果

表 1，主要测量参数对比 。图 1，正面魔镜下对比。图 2，背面显微镜下对比。结论如下。

（1）硅片的几何尺寸，电阻率径向梯度、氧梯度、氧含量、碳含量、TIR、STIR、OISF、 位错密度等参数国产衬底片和进口衬底片相当, 没有显著差异。

（2）硅片表面（正面和背面）的镜检结果显示，国产的衬底片和进口衬底片相当，没有显著差异。

（3）WARP 和 TTV 参数，在数值上国产衬底片略差于进口衬底片，虽然都在规范内，但差异确实存在。

3.2 分组电参数（PCM）对比

由于 PCM 测量参数比较多，我们挑选了影响器件特性的主要参数，重点比较了下面 6 个参数。LPNP_BETA，NPN__BETA，R_CHAIN_SP/CO/IN，R_CHAIN_SN/CO/IN，BVISO 和 R_PINCH(BASE)。

PNP 晶体管和 NPN 晶体管的放大倍数 BETA 是双极性集成电路的重要参数，对最终产品的特性有着重大影响。

BVISO 是隔离区的耐压，反映隔离的水平，耐压低器件漏电流会显著增加。

R_PINCH(BASE) 是发射极和基极的挤压电阻，反映了对结深和结浓度的控制能力。

R_CHAIN_SP/CO/IN, R_CHAIN_SN/CO/IN 是 SP 区域和 SN 区域的接触链电阻，由于和衬底硅直接接触，也列为考察对象。

数据对比详见图 3～图 8。

这些 PCM 数据都非常接近，符合匹配的条件。在 LPNP-BETA 的项目上国产衬底的表现稍微好于进口衬底。在电参数方面国产衬底和进口衬底已经没有显著差异了，微小的差异也在完全可以接受的范围之内，有些参数国产衬底表现得更好。

3.3 分组圆片合格率对比

表 2 是音频产品和电源产品的分组圆片合格率对比结果。国产衬底和进口衬底在圆片合格率上没有明显区别，都达到了一个比较高的水平。

4  大规模生产中电参数性能表现

我们对 3.2 节中的重点的 6 个电参数作了 Cpk统计，共包括了 2 000 片圆片，计 10 000 个原始数据源，其过程能力指数 CpK 如表 3 所示。我们的要求是 CpK 大于等于 1.66，所有 CpK 指数都达标，符合大生产的需求。

5  硅衬底本身的稳定性考察

在硅衬底生产中，硅衬底中会有各种应力存在，同时硅衬底片会有一定的翘曲度，如果控制不好，会引起后续集成电路生产中的各种问题，主要表现为以下几个方面。

（1）应力碎片。由于双极型集成电路生产过程中，长时间热高温过程比较多。特别容易引起应力碎片，其表现为在舟中某一片硅片会沿晶向一分为二或者莫名其妙的断裂。

（2）滑片。由于硅衬底的翘曲，造成 e-chuck不能很好地吸住硅片，硅片在设备的极板上有滑动现象，造成设备报警，严重时会造成碎片，需要工程师现场处置，引起额外的设备宕机时间。

（3）光刻失焦现象。还是由于硅衬底的翘曲，造成光刻工艺不能完美地对焦，局部区域无法聚焦，这些区域的图形不能完美地形成，最终引起圆片低合格率。

我们在线跟踪了十万片国产衬底片的流片情况， 统计了万片的不良事件发生片数，表 4 是十万片的实际数据统计结果。

这些结果表明: 虽然翘曲度在数值上略差于进口片，但衬底厂商的生产制程管控能力还是很强的，重复性一致性非常好，衬底片能够适应后续这么多的热高温处理过程的挑战而保持良好的状态，没有明显的变形翘曲，不良事件的发生片数几乎为零。这对规模化大生产能力的形成与提升有着至关重要的作用。

6  结语

通过主要物理参数和电参数的比较，说明国产衬底的性能已经和进口衬底相媲美。合格率数据上已经看不出区别。至于 WARP 和 TTV 的不足，可以通过优化砂浆配液[1]、线切割工艺[2]，优化腐蚀工艺和优化抛光工艺 [3-5]来改善。

大规模生产的数据表明，国产衬底的质量十分稳定，其工艺过程能力数据也非常好，所以国产衬底可以完全地，完美地取代进口衬底。受此鼓舞，我们也在积极验证 200 mm 的国产衬底，初步结果也符合预期。国产衬底的时代真正来临了。