《炬丰科技-半导体工艺》APCVD多晶硅薄膜沉积

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：APCVD多晶硅薄膜沉积

编号：JFKJ-21-698

作者：炬丰科技

关键词——硅外延，化学气相沉积，晶体缺陷，均匀性，功率半导体，滑移线

摘要

外延薄膜对于功率MOSFET具有重要意义。通过堆叠外延层的方法来实现超结电力器件是一个关键概念。在epi层的相互生长过程中遇到了重大挑战，在处理300mm基质时由于更多的调整可能性厚度均匀性有了显著提升。与200mm基质相比，在使用300mm基质时由于更多的调整可能性厚度均匀性有了显著提升。在不同的epi生长温度下进行的实验表明，在较高的生长温度下以及随着epi运行次数的增加表面雾霾会增加。较高的热预算和大量的epi沉积导致在晶片边缘出现滑移线。测试了不同的温度梯度分布发现与晶圆中心相比即使经过大量的epi连续运行后一个温暖的边缘区域几乎不会产生滑移现象

介绍

通过相互堆叠实现外延生长的硅薄膜为超结功率器件提供了基础。对于大尺寸的大厚度硅膜在外延沉积过程中，则主要采用大气压化学气相沉积(APCVD)，并在外延沉积过程中主要采用流动主导型模式进行操作。这一过程可被描述为:利用APCVD技术在外延方向上进行层状材料的成功投射与扩散，在此过程中必须克服材料迁移所引发的各种阻碍因素。具体而言，在该工艺流程中需要考虑的因素包括:减少滑移线的影响、避免引入杂质、处理微粒与缺陷以及提高晶面光滑度等多方面的问题。此外，在高温工艺过程中可能会导致在晶片边缘出现滑移现象，并且这种现象往往出现在原子级紧密填充分割{111}平面上具有垂直< 011 >方向上的移动轨迹处。即使肉眼可见的现象也可能对电子设备造成潜在威胁。

实验

外延膜是由前驱气体三氯硅烷与氢气（H₂）在1050℃以上通过气相化学气相沉积法精确合成的薄膜材料。应用材料Amat Epi Centura HTF在200毫米级 substrates上进行了硬件升级优化处理；而Amat Centura与ASM Epsilon虽然均为灯加热反应器系统架构但其基座材料均采用碳化硅涂层石墨作为支撑介质并基于不同的石英室形状实现了差异化的热电偶温度补偿功能。Amat 200mm与300mm型号的主要区别在于其腔室形状及灯布置方式：前者采用圆形腔室并通过上下两侧圆内布置加热灯实现精确温度控制；而后者则采用了矩形腔室并沿上下两侧方向设置了多根灯条以提高热能分布效率并实现更灵活的温度调控功能。为确保均匀稳定的温度场分布本系统可通过对位于中心位置侧面及背面三个不同测温点位置设置不同偏移量来调节各测温点相对于中心点的温度分配比例从而实现精确的功率分配控制；所有测温元件均安装于工艺组件背面与晶圆保持适当距离以避免直接接触晶圆表面从而有效保护测量元件免受损坏

结果和讨论

显著厚度均匀性对于外延膜堆积具有强制要求。采用Amat Centura优化配置可显著提升厚度均匀性性能。两种384μm尺度工具在西格玛值上表现基本相同，并较25μm尺度工具有明显提升（如图所示）。与当前尺度相比，在主气流方向侧面集成二次TCS流（X流）有助于提升384μm尺度工具的有效性能。

ASM Epsilon和Amat Centura各自基于灯加热技术构建了化学气相沉积反应器系统，在腔室设计、基座布局以及卤素灯配置等方面存在显著差异。这些差异性揭示了Epitaxial工艺中温度分布模式的变化规律。通过调节灯功率分布的方式，在晶圆上形成均匀或不均匀的温度场以优化外延沉积性能。图8展示了与标准曲线对比的关键温度曲线数据，在该图表中可以看出标准曲线参数是通过ASM Epsilon与两个Amat Centura装置分别采用不同功率分配方案而获得的结果展示。

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结论

本文探讨了两种300毫米级外延工具在厚度均匀性上的应用效果，并展示了其优异的结果：σ值分别为0.3%和0.4%。通过硬件升级手段，在200毫米级应用中可显著提升厚度均匀性。值得注意的是，雾度形成过程受沉积温度高度控制：较高的沉积温度有利于雾度生成，并且这种现象与所采用的具体工具类型无关；雾度形成过程在多次外延沉积后趋于稳定。此外，在具体工艺参数方面：工艺温度与外延操作次数均对最终硅膜结构性能产生显著影响；单次沉积后所有实验结果均未出现滑移现象；然而，在持续进行多次沉积操作时会逐渐形成滑移线：通过增加epi运行次数可有效放大这种滑移效应。最后通过对不同功率分布设置的影响测试发现：当向晶片边缘施加增加的热梯度时可有效防止滑动