平板式外延炉大尺寸硅外延层的均匀性调控

康军亮

摘 要：随着现代电子技术的飞速发展，电子元件的精细化程度也不断提高，加工工艺水平直接决定了电子元件的性能。本文结合平板式外延炉大尺寸硅外延层的均匀性调控展开研究，通过实验方法阐述150mm大尺寸硅抛光片硅外延层特征，分别展开厚度均匀性、电阻率均匀性两大部分的调控方法总结。

关键词：平板式外延炉;硅外延层;均匀性;调控方法

所谓“硅外延层”是指利用化学气相沉积法操作，在硅抛光片上生长出来的单晶硅薄膜，这一工艺在高端电子元件制造领域有着重要价值。硅外延层能够通过一定的方式，形成厚度、掺杂浓度的精准控制，从而确保硅晶体完整性和性能优越性，但如何实现有效地均匀性调控，则是一个重要的科研问题。当前我国进入互联网信息时代，高速发展的软件产业最终要依赖精尖硬件产品支撑，硬件（高端电力电子器件）的发展方向较为统一，突出低功率、大电流、高频电压、轻薄短小等优势，且考虑到具体的电子硬件产品发展，为保障较快的更新速度，必须确保其有良好的外延层，以满足更多功能开发的需求。目前，我国硅外延层的尺寸已经达到200mm左右，进入大尺寸行列，并且在加工工艺方面，也要求对边缘剔出部分不断缩减，不断提高单位晶圆的利用率;基于此，针对硅外延层的均匀性控制至关重要。

1 平板式外延炉大尺寸硅外延层实验探讨

1.1 实验设备

本研究实验设备主要利用傅立叶变换红外线光谱、电阻测试仪等设备，测试对象主要是平板式外延炉的厚度和电阻率，确保硅片不均匀性的外延小于1%。其中，沉积设备选择高频感应加热的平板式常压外延炉，外延腔体所需要的设备包括镀金钟罩、石墨基座、石英组件、加热线圈、进气管等;具体的实验设计中，石墨基座用来放置硅衬底片，为了满足更好地差异性对照，本次实验中提供1号-8号样品，石墨基座底部设计旋转组件，按照分钟转动4圈的速度，以实现均匀运动。在一侧布置进气管，按照前、中、后的顺序（一条直线）介入氢气，实验操作中通过三个进气口来调节氢气进入总量，气流作用平行于基座表面，在硅片表面反应之后形成外延层，反应之后的气体从另一侧排出。

1.2 生长材料

本次实验中所需要的硅外延层生长材料主要是硅单晶抛光片（直径150±0.2mm、厚度400±25μm），N型导电、电阻为001-0.02Ω·cm。沉积硅外延层所需要的气体中，氢气为主要成分，其余包括磷烷、三氯氢硅。

1.3 性能表征

通过肉眼观察的方式，辅助白色聚光灯、微分干涉相差显微镜、傅立叶变换红外光谱仪等设备，外延层电参数测试中基于5点测试法展开，具体操作中，在硅外延层样品上中心及围绕四周选择4个等距离点。

2 平板式外延炉大尺寸硅外延层均匀性调控

2.1 硅外延层的厚度均匀性调控

厚度均匀性调控的原理为，平板式外延炉的流畅分布会影响气体分压，通过三个阀门调节的方式影响进气效率，进而影响其厚度及均匀性。在具体的实验中，可以將气体的精确度控制在0.01L/min，其中三个进气口中，以直接对应的中间进气口为主要干预机制，以常量输入为基础，前后两个分别为调节机制，可分别调节进气效率，依次递增、递减。最终，综合所有数据最佳的气体干预类型，其中，以各片的片内厚度的不均匀性均小于1%为基本条件。

2.2 硅外延层的电阻率均匀性调控

电阻率均匀性控制对于硅外延层的性能影响更为复杂，它的干预机制包括两个方面，其一是硅外延层生长维度，其二是原料掺杂剂的效率。在实验中可通过外延反应腔体的热场特征，逐步分析外延层电阻率在各点上的变化，其中，沿着石墨基座等距离设置的10个测试点（20mm以内），可以采取实时的测试基座温度的方式，绘制温度分布变化与电阻率均匀性的对应曲线。而不同掺杂度的影响下，需要电阻率测试仪实时监控，获取某一时刻的电阻值，并通过中心值的确定来判断其均匀性。在本次实验中，温度筛选了22℃、17℃、12℃和8℃四个温度差值，在基准温度高于1020℃的情况下，没下降一个温度区间，电阻率均匀性的效果就越好，在低于1020℃的情况下，则外延层出现一些明显的缺陷，不均匀性有所提高。

通过反复实验，可以确定硅外延层电阻率均匀性的最佳调控方案，实现温度和原料掺杂剂的有效控制。

3 结语

综上所述，本课题结合外延炉生长的150mm大尺寸硅外延层展开研究，基于厚度和电阻率两项主要性能指标展开均匀性调控策略制定，通过实验不难发现，在中间进气口氢气流量的增加之下，硅片上的点厚度也呈现增加态势，且厚度的不均匀性也先减小、厚增大，直至硅外延层的厚度不均匀性被控制在1%以内。此外，针对电阻率均匀性的研究表现为与石墨基座温度调节成对应关系，基本动因为片内线圈高度，高度越大，则温度越低、电阻越小。针对平板式外延炉大尺寸硅外延层均匀性的研究，表明有望将硅外延层片的厚度、电阻率均匀性控制在有效范围之内（1%），从而不断提高电子元件性能与设备功能。

参考文献：

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