平板式外延爐大尺寸硅外延層的均勻性調控

康軍亮

摘 要：隨著現代電子技術的飛速發展，電子元件的精細化程度也不斷提高，加工工藝水平直接決定了電子元件的性能。本文結合平板式外延爐大尺寸硅外延層的均勻性調控展開研究，通過實驗方法闡述150mm大尺寸硅拋光片硅外延層特征，分別展開厚度均勻性、電阻率均勻性兩大部分的調控方法總結。

關鍵詞：平板式外延爐;硅外延層;均勻性;調控方法

所謂“硅外延層”是指利用化學氣相沉積法操作，在硅拋光片上生長出來的單晶硅薄膜，這一工藝在高端電子元件制造領域有著重要價值。硅外延層能夠通過一定的方式，形成厚度、摻雜濃度的精準控制，從而確保硅晶體完整性和性能優越性，但如何實現有效地均勻性調控，則是一個重要的科研問題。當前我國進入互聯網信息時代，高速發展的軟件產業最終要依賴精尖硬件產品支撐，硬件（高端電力電子器件）的發展方向較為統一，突出低功率、大電流、高頻電壓、輕薄短小等優勢，且考慮到具體的電子硬件產品發展，為保障較快的更新速度，必須確保其有良好的外延層，以滿足更多功能開發的需求。目前，我國硅外延層的尺寸已經達到200mm左右，進入大尺寸行列，并且在加工工藝方面，也要求對邊緣剔出部分不斷縮減，不斷提高單位晶圓的利用率;基于此，針對硅外延層的均勻性控制至關重要。

1 平板式外延爐大尺寸硅外延層實驗探討

1.1 實驗設備

本研究實驗設備主要利用傅立葉變換紅外線光譜、電阻測試儀等設備，測試對象主要是平板式外延爐的厚度和電阻率，確保硅片不均勻性的外延小于1%。其中，沉積設備選擇高頻感應加熱的平板式常壓外延爐，外延腔體所需要的設備包括鍍金鐘罩、石墨基座、石英組件、加熱線圈、進氣管等;具體的實驗設計中，石墨基座用來放置硅襯底片，為了滿足更好地差異性對照，本次實驗中提供1號-8號樣品，石墨基座底部設計旋轉組件，按照分鐘轉動4圈的速度，以實現均勻運動。在一側布置進氣管，按照前、中、后的順序（一條直線）介入氫氣，實驗操作中通過三個進氣口來調節氫氣進入總量，氣流作用平行于基座表面，在硅片表面反應之后形成外延層，反應之后的氣體從另一側排出。

1.2 生長材料

本次實驗中所需要的硅外延層生長材料主要是硅單晶拋光片（直徑150±0.2mm、厚度400±25μm），N型導電、電阻為001-0.02Ω·cm。沉積硅外延層所需要的氣體中，氫氣為主要成分，其余包括磷烷、三氯氫硅。

1.3 性能表征

通過肉眼觀察的方式，輔助白色聚光燈、微分干涉相差顯微鏡、傅立葉變換紅外光譜儀等設備，外延層電參數測試中基于5點測試法展開，具體操作中，在硅外延層樣品上中心及圍繞四周選擇4個等距離點。

2 平板式外延爐大尺寸硅外延層均勻性調控

2.1 硅外延層的厚度均勻性調控

厚度均勻性調控的原理為，平板式外延爐的流暢分布會影響氣體分壓，通過三個閥門調節的方式影響進氣效率，進而影響其厚度及均勻性。在具體的實驗中，可以將氣體的精確度控制在0.01L/min，其中三個進氣口中，以直接對應的中間進氣口為主要干預機制，以常量輸入為基礎，前后兩個分別為調節機制，可分別調節進氣效率，依次遞增、遞減。最終，綜合所有數據最佳的氣體干預類型，其中，以各片的片內厚度的不均勻性均小于1%為基本條件。

2.2 硅外延層的電阻率均勻性調控

電阻率均勻性控制對于硅外延層的性能影響更為復雜，它的干預機制包括兩個方面，其一是硅外延層生長維度，其二是原料摻雜劑的效率。在實驗中可通過外延反應腔體的熱場特征，逐步分析外延層電阻率在各點上的變化，其中，沿著石墨基座等距離設置的10個測試點（20mm以內），可以采取實時的測試基座溫度的方式，繪制溫度分布變化與電阻率均勻性的對應曲線。而不同摻雜度的影響下，需要電阻率測試儀實時監控，獲取某一時刻的電阻值，并通過中心值的確定來判斷其均勻性。在本次實驗中，溫度篩選了22℃、17℃、12℃和8℃四個溫度差值，在基準溫度高于1020℃的情況下，沒下降一個溫度區間，電阻率均勻性的效果就越好，在低于1020℃的情況下，則外延層出現一些明顯的缺陷，不均勻性有所提高。

通過反復實驗，可以確定硅外延層電阻率均勻性的最佳調控方案，實現溫度和原料摻雜劑的有效控制。

3 結語

綜上所述，本課題結合外延爐生長的150mm大尺寸硅外延層展開研究，基于厚度和電阻率兩項主要性能指標展開均勻性調控策略制定，通過實驗不難發現，在中間進氣口氫氣流量的增加之下，硅片上的點厚度也呈現增加態勢，且厚度的不均勻性也先減小、厚增大，直至硅外延層的厚度不均勻性被控制在1%以內。此外，針對電阻率均勻性的研究表現為與石墨基座溫度調節成對應關系，基本動因為片內線圈高度，高度越大，則溫度越低、電阻越小。針對平板式外延爐大尺寸硅外延層均勻性的研究，表明有望將硅外延層片的厚度、電阻率均勻性控制在有效范圍之內（1%），從而不斷提高電子元件性能與設備功能。

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