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外延厚度一致性的调节方法
发布时间:2017-03-04

1. 硅外延工艺

硅外延是一种单晶薄膜生长技术,在硅衬底片上,沿衬底晶向生长一层具有与体单晶一致的外延层,通过掺杂可获得所设定的导电类型,电阻率和厚度。

  硅外延生长一般将硅片放置在基座上,通过高频感应或红外辐射加热,硅源气体通过特定的输运方式到达衬底表面发生反应,外延生长过程如图1所示,包括:

1 反应气体(SixHyClzH2B2H6PH3)气体混合物传输到反应区域;

2 反应气体通过边界层到达衬底表面;

3 反应气体分子吸附在表面上;

4 在表面上进行一系列反应,实现薄膜生长;

5 副产物分子解吸附;

6 副产物分子通过边界层向主气流质量转移;

7 副产物排出腔室。

1 CVD硅外延工艺反应机理图

2. 硅外延在半导体行业中的应用

随着半导体器件性能的要求不断提高,对单晶硅片的使用要求越来越高,控制硅单晶片的原生缺陷变得越来越难,因此硅外延片越来越多地被采用。高集成度和低成本的要求,对外延片的厚度和电阻率均匀性提出更高的要求。

硅外延生长因其精确可控的掺杂、灵活可调的厚度及电阻率工艺窗口、较好的膜层缺陷控制等优点,可以改善硅基器件反向耐用性、截止频率等性能,被大规模用于各种集成电路和功率器件中。

在批量生产中伴随而来的核心问题就是产品参数控制的稳定性、一致性和均匀性,只有提高每批内的硅片一致性,才可以提高外延片的质量与成品率。所以厚度和电阻率两项是最重要的工艺检测项目,而在使用平板式多片设备进行硅外延的生产线中,炉内片间厚度和电阻率一致性是衡量产品合格的重要指标。

3. 如何优化硅外延片一致性

根据硅外延气流场的特点和CVD反应机理,外延生长发生在滞留层(依靠扩散进行物质交换)中(如图2);反应界面在滞留层中所处的位置越高,扩散速度越快,对应的生长速率就越高,相同工艺时间下厚度越大。所以,通过调节硅片在气流场中高度的分布能够获得不同硅片上的外延生长速率,实现外延厚度的调节,达成良好的厚度一致性。

2 硅外延气流场示意图

  目前行业常用的平板式多片硅外延设备具备调节基座平整度的调平机构,通过对基座不同倾斜度的调整,达到改变每一片硅片在气流中高度的目的,优化炉内厚度一致性。通过测距传感器在转动的基座上量测若干个采样点,获取各点的距离,计算对应晶片的相对高度,依据厚度数据和平整度数据的对应关系,对基座的倾斜度进行调整,厚度偏厚则将基座对应位置调低,降低滞留层的扩散速度,厚度偏薄则将基座对应位置调高,提高滞留层扩散速度。依此方法调试,可快速获得良好的炉内厚度一致性,节省生产过程中整炉厚度的调试时间和调试成本。


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