康軍亮

摘 要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元件的精細(xì)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(jié)合平板式外延爐大尺寸硅外延層的均勻性調(diào)控展開研究，通過實(shí)驗(yàn)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(diào)控方法總結(jié)。

關(guān)鍵詞：平板式外延爐;硅外延層;均勻性;調(diào)控方法

所謂“硅外延層”是指利用化學(xué)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(lǐng)域有著重要價(jià)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(zhǔn)控制，從而確保硅晶體完整性和性能優(yōu)越性，但如何實(shí)現(xiàn)有效地均勻性調(diào)控，則是一個(gè)重要的科研問題。當(dāng)前我國進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代，高速發(fā)展的軟件產(chǎn)業(yè)最終要依賴精尖硬件產(chǎn)品支撐，硬件（高端電力電子器件）的發(fā)展方向較為統(tǒng)一，突出低功率、大電流、高頻電壓、輕薄短小等優(yōu)勢，且考慮到具體的電子硬件產(chǎn)品發(fā)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(fā)的需求。目前，我國硅外延層的尺寸已經(jīng)達(dá)到200mm左右，進(jìn)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(guān)重要。

1 平板式外延爐大尺寸硅外延層實(shí)驗(yàn)探討

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要利用傅立葉變換紅外線光譜、電阻測試儀等設(shè)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(shè)備選擇高頻感應(yīng)加熱的平板式常壓外延爐，外延腔體所需要的設(shè)備包括鍍金鐘罩、石墨基座、石英組件、加熱線圈、進(jìn)氣管等;具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中提供1號-8號樣品，石墨基座底部設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)組件，按照分鐘轉(zhuǎn)動4圈的速度，以實(shí)現(xiàn)均勻運(yùn)動。在一側(cè)布置進(jìn)氣管，按照前、中、后的順序（一條直線）介入氫氣，實(shí)驗(yàn)操作中通過三個(gè)進(jìn)氣口來調(diào)節(jié)氫氣進(jìn)入總量，氣流作用平行于基座表面，在硅片表面反應(yīng)之后形成外延層，反應(yīng)之后的氣體從另一側(cè)排出。

1.2 生長材料

本次實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shè)備，外延層電參數(shù)測試中基于5點(diǎn)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(gè)等距離點(diǎn)。

2 平板式外延爐大尺寸硅外延層均勻性調(diào)控

2.1 硅外延層的厚度均勻性調(diào)控

厚度均勻性調(diào)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(gè)閥門調(diào)節(jié)的方式影響進(jìn)氣效率，進(jìn)而影響其厚度及均勻性。在具體的實(shí)驗(yàn)中，可以將氣體的精確度控制在0.01L/min，其中三個(gè)進(jìn)氣口中，以直接對應(yīng)的中間進(jìn)氣口為主要干預(yù)機(jī)制，以常量輸入為基礎(chǔ)，前后兩個(gè)分別為調(diào)節(jié)機(jī)制，可分別調(diào)節(jié)進(jìn)氣效率，依次遞增、遞減。最終，綜合所有數(shù)據(jù)最佳的氣體干預(yù)類型，其中，以各片的片內(nèi)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(diào)控

電阻率均勻性控制對于硅外延層的性能影響更為復(fù)雜，它的干預(yù)機(jī)制包括兩個(gè)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(shí)驗(yàn)中可通過外延反應(yīng)腔體的熱場特征，逐步分析外延層電阻率在各點(diǎn)上的變化，其中，沿著石墨基座等距離設(shè)置的10個(gè)測試點(diǎn)（20mm以內(nèi)），可以采取實(shí)時(shí)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(yīng)曲線。而不同摻雜度的影響下，需要電阻率測試儀實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取某一時(shí)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(shí)驗(yàn)中，溫度篩選了22℃、17℃、12℃和8℃四個(gè)溫度差值，在基準(zhǔn)溫度高于1020℃的情況下，沒下降一個(gè)溫度區(qū)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(xiàn)一些明顯的缺陷，不均勻性有所提高。

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以確定硅外延層電阻率均勻性的最佳調(diào)控方案，實(shí)現(xiàn)溫度和原料摻雜劑的有效控制。

3 結(jié)語

綜上所述，本課題結(jié)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(xiàng)主要性能指標(biāo)展開均勻性調(diào)控策略制定，通過實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，在中間進(jìn)氣口氫氣流量的增加之下，硅片上的點(diǎn)厚度也呈現(xiàn)增加態(tài)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(nèi)。此外，針對電阻率均勻性的研究表現(xiàn)為與石墨基座溫度調(diào)節(jié)成對應(yīng)關(guān)系，基本動因?yàn)槠瑑?nèi)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(nèi)（1%），從而不斷提高電子元件性能與設(shè)備功能。

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