平板式多片硅外延炉，炉内片间厚度一致性研究

平板式多片硅外延炉，炉内片间厚度一致性研究

侯大勇|

国盛电子有限公司 江苏省 南京市210000

摘要：

随着高压大功率MOSFET、FRD、IGBT等器件在轨道交通、车载电源等方面的广泛应用，相关硅外延片需求日益增加，随着器件耐压提高，其所用外延层厚度也随之增加，以1200V FRD和IGBT器件为例，其外延厚度已超过100μm。这类厚层外延，单片式硅外延炉在产品质量和产出效率方面劣势明显，与多片式外延炉差距逐渐增大。但多片式外延炉是多个硅片在一个反应腔同时外延，由于石墨基座片坑加工差异、以及基座在反应腔内水平等差异，同一炉生长的外延片之间厚度参数存在差异，这种差异影响了产品的一致性。如何改善炉内片间厚度差异，是十分迫切解决的问题。

关键词：平板式多片硅外延炉 . 片间厚度  如何改善炉内片间厚度差异

引言：
本文研究了平板式多片硅外延炉，片间厚度差异的影响因素，从生长温度、生长速率、转速等方面分析了对片间厚度差异的影响，提出了一种优化片间厚度一致性的方法。

图1 多片式外延炉示意图

2  材料和方法

本文外延设备采用意大利LPE公司LPE-3061多片式平板外延系统，使用6寸基座进行实验，石墨基座表面共分布8个坑位，同炉最大外延数量为8片。利用红外高温计来控制温度。硅源为三氯氢硅,硅片为<100>晶向掺Sb衬底，衬底电阻率为0.01~0.02Ω.cm,衬底厚度625μm。外延厚度采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测量，量程2~200um，分辨率0.001um。

实验采用常压外延生长。反应腔、基座以及基座水平保持不变，减少实验变量。通过改变三氯氢硅通入流量来控制反应生长速率；通过修改菜单设定值来调整外延温度、外延基座转速。通过FTIR测量一炉中各个外延片厚度,计算一炉中外延片厚度偏差来衡量片间差异，计算公式为：同炉内8片硅外延片厚度中最大值减去最小值，除以该炉内8片厚度的平均值。

3  结果与讨论

3.1  生长速率影响

采用相同的生长温度、转速，通过控制通入反应室的SiHCl3流量调整外延层生长速率，然后根据生长速率调整反应时间得到相同的厚度的外延层。图2、表1显示随着生长速率降低，片间外延厚度差异有所降低。硅源流量越低反应越充分，较低的生长速率使外延过程平稳有序，可以减少基座片坑以及基座水平带来的温度差异影响。另一方面，较低的生长速率，原子运动具有较低的能量，外延层处于张应力作用下，外延层沿着衬底表面平行方向上拉伸，抵消了部分基座片坑深度差异影响，从而提高了同一反应室内多片厚度一致性。但生长速率降低大幅降低了产出效率，增加了生产成本，不利于规模化生产。

图2生长速率对片间差异影响

表1 生长速率对片间差异影响

3.2  生长温度影响

采用相同的生长速率、转速，通过修改菜单设定值来调整外延生长温度。图3、表2显示随着外延温度增加，片间差异减小。外延温度增加可能减少了基座片坑以及基座水平带来的温度差异影响。因为随着外延温度升高，衬底表面更洁净，降低了过饱和，提高了吸附原子的能量，另外衬底温度升高，会增强表面活性，导致衬底表面尖端和峡谷被抹平，外延表面不平度减小，易于获得高质量的外延表面。

图3生长温度对片间差异影响

表2 生长温度对片间差异影响

3.3  生长转速影响

采用相同的生长速率、温度，通过修改菜单设定值来调整外延生长转速。图4、表3显示外延转速增加，对改善片间膜厚差异有正向影响，但受设备硬件能力极限限制，在转速可控区间内整体变化不大。分析外延转速变化只是影响气流场分布，对基座片坑以及基座水平带来的温度差异影响无明显改善。

图4生长转速对片间差异影响

表3 生长速率对片间差异影响

3.4应用优化后的工艺条件，批量生产产品一致性改善效果

根据以上实验结果，尝试优化了外延膜厚生长速率、生长温度并搭配合理的基座转速，验证实际片间厚度一致性改善效果。

选取同一款产品，标称厚度55微米，在硬件条件型号一致的五个机台同时上线，收集到目前常规工艺配置片间一致性情况如表4：

表 4 常规工艺片间一致性数据

选取本次实验优化的工艺配置条件，片间一致性如表5

表5优化工艺片间一致性数据

图5 优化前后片间厚度一致性比较

根据以上实验数据对比，如图5所示，通过优化生长速率、生长温度和基座转速，可以实现平板式多片外延炉在批量生产过程，同炉内多片外延片厚度片间一致性稳定可控，将炉内片间差异控制在较优的水平。

4  结论

本文研究了平板式多片硅外延炉片间厚度差异的影响因素，从生长温度、生长速率、转速等方面分析了对片间厚度差异的影响。实验证明通过降低生长速率、提升生长温度可以有效减小片间厚度差异，而基座转速增加对片间厚度差异有一定正向影响，但实际改善效果不明显。在日常生产中，除工艺条件外，基座的片坑加工精度和基座安装水平定位精准度，以及机械手参数配置等硬件因素，在硅外延片间厚度一致性控制上也有一定影响，需要在今后的工作中结合工艺条件一起分析，不断总结规律，持续提升片间一致性控制水平。

参考文献

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