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用于厚硅外延层的 全 新 高 产 能 EPI 腔 体

Carlos Caballero

移动技术和物联网的蓬勃发展大大扩展了半导体的应用范围,产品和市场领域 的应用均达到了空前的广度。随之而来的,半导体技术正在经历翻天覆地的变 革。这些发展力量所推动的设计和制造变革之一,是运用比半导体通常所用厚 得多的薄膜来制造更高性能的器件。如今,专为这一目设计的多功能全新单 晶腔体为厚硅外延层的应用带来了佳音。全新 Applied Centura® Pronto™ EPI ATM 腔体的薄膜生长速率超过每分钟 6 微米,利用出色的化合物反应效率在 单道工序中生成 100 微米以上的硅外延层,既提高了生产率,又降低了拥有成 本。

如今的半导体产业可谓盛况空前。一方面,技术 领先的芯片设计企业大力探索将芯片降至 10 纳米以下 的前沿技术,另一方面,运用比以往厚数千倍的薄膜 制造的各式器件种类日益丰富。厚掺杂的外延硅薄膜形 成了电绝缘层,适用于更高电压和更快切换频率的功率 半导体,例如用于电器、立体声音响和火车等的绝缘栅 双极晶体管 (IGBT)。它通过将微机电系统 (MEMS) 集成 于节能的“智能”应用中,从而提升了器件性能,降低 了价格敏感型传感器和致动器的制造成本。

功率器件和先进微机电系统的制造若要具有商业可 行性,外延硅薄膜生长厚度就需要达到 30–150 微米, 从而能以尽可能低的拥有成本实现高生产率。这类器 件很多都可以在 200 毫米系统上以低成本高效地制造, 为此类器件市场注入了新的活力。应用材料公司积极支 持 200 毫米技术的扩张,并增强了自身多个 150 毫米和 200 米系统的能力以满足不断发展变化的行业要求, 包括得到广泛应用的 200 毫米 Applied Centura® Pronto™ EPI ATM腔体。

作为外延工艺的先锋和外延沉积设备的市场领导 者,应用材料公司发挥自身长期以来在材料工程领域积 累的专长,重新设计了 200 毫米 Applied Centura® Pronto™ EPI ATM腔体,以求生成卓越品质的厚硅外延层 (20–100 微米),同时不损害该设备在生成较薄外延层 (<20 微米)上的出色表现。全新 200 毫米 Applied Centura® Pronto™ EPI ATM腔体改进了全套工艺组件,从 而共同实现 (1) 在单道工序中生成厚达 100 微米的硅外延 层;(2) 与标准腔体相比更短的清洗时间;(3) 在清洗工 序间对多片晶圆完成外延制程(<20 微米);(4) 显著 降低耗材成本。

一旦外延工艺设备完全折旧,运行成本就 会对盈利能力产生重大而直接的影响,因此严格控制耗材 成本对于整体盈利能力至关重要。

腔体升级

功率器件和微机电系统要求外延硅薄膜极度均匀, 电阻率差异低于 2%。为达到这些要求,新的 Epi 腔体对 标准 150 毫米和 200 毫米 Centura EPI 腔体的关键硬件 和软件都做了升级。

机动承载盘转轴: Applied Centura® Pronto™ EPI ATM系统最多可容纳三个全新设计的腔体。在每个腔 体中,每片晶圆都搁于承载盘上的凹槽中,承载盘随着 前体气流喷入腔体而旋转,启动外延制程。晶圆片的准 确定位对于优化单片外延层均匀度和晶圆间工艺的可重 复度至关重要。因此,在新的腔体中,常规的气动承 载盘转轴更换为了机动转轴,其速度可更精细地加以 控制,以避免晶圆片在承载盘凹槽内移动(见图 1)。 一个新的承载盘水准测量装置对机动转轴形成补充, 以提高定位的可重复度(见图 2)。

晶圆的可靠居中也最大程度减少了晶圆片粘在承载 盘上形成搭接效应的可能性。当承载盘表面露在晶圆边 缘与凹槽侧壁之间,使得外延生长延伸到这一区域时, 就会产生这种效应。

腔体: 改进了全套工艺组件的几何以获得更小的 边界层,即晶圆表面上方前体化合物浓度最高的区域。 这样,三氯氢硅 (TCS) 前体更有效地纳入了晶圆表面上 方的反应区,就提高了薄膜生长速率。由此提升的化合 物反应效率降低了工艺所需的三氯氢硅量和相应成本。

其他组件在设计上的多项变革改善了气体层流,从 而能加快生长速率,提高薄膜生长的均匀度,降低电阻 率差异,并减少腔体组件的意外包封,包括上下圆顶的包封。减少包封效应对于确保温度均匀和整片晶圆上薄 膜的稳定增长尤其重要。

圆顶闭环温控: 这项新的软件功能具有改善在片 性能和提升系统生产率的双重优点。保持稳定的工艺 环境温度(见图 3)对促成理想的单晶格生长有重要意 义。闭环温控也有助于最大程度减少圆顶的包封效应。

最低程度的包封对薄膜品质和系统生产率都会产生 积极影响。制造更厚的薄膜需要更长的制程,增加了包封 或副产物在腔体表面沉积的可能性。沉积越厚,材料剥落 并掉到晶圆上的风险就越大,造成有损成品率的缺陷。

从生产率角度看,薄的包封仅用少量盐酸 (HCL) 即 可快速去除。这有助于降低耗材成本,并减少系统对环 境造成的隐患。对于较薄的外延(≤20 微米),圆顶包 封达到可忽略程度,就能在腔体清洗工序间一次制成三 片晶圆,而一般情况下仅能制成一片。

改善性能

如表 1 概括的,上述改进使得应用材料公司新的外 延腔体能化解厚外延层带来的主要技术难题,从而满足 所有关键的市场要求。它以无与伦比的速率生成高品质 硅薄膜,厚度和掺杂均匀度均十分出色,而缺陷率可忽 略不计。此外,它确保了可重复的晶圆置放,并消除了 搭接,这两点对于实现高成品率的量产都至关重要。同 样重要的是,实现这一领先于业界的性能所需的运行成 本比竞争性方案更低。

图 4 显示了这一体积更小、化合反应效率更高的全 新 Centura Epi 腔体所实现的更高生长速率,图 5 显示了 所实现的厚度和电阻率均匀度。这一全新腔体生成厚和 薄两种外延层的结果同样优良(见图 6),展现了它的 多功能性。电阻率目标值快速达成,并且在整个生长制 程中保持稳定(见图 7-8)。

总结

通过引入全新 Applied Centura® Pronto™ EPI ATM 腔体,应用材料公司对 150 毫米和 200 毫米 Centura Epi 腔体这两项骨干设备做了大幅升级,以满足业界在功率器件和微机电系统 应用中使用具有成本效益的厚硅薄膜的需求。在一 项 500 晶圆片的耐力测试中,重新设计的腔体在生 成 100 微米厚的硅外延层时展现了高于每分钟 6 微 米的生长速率,达到批量制造工艺的三倍。此外, 腔体的设计和更短的制程推动了三氯氢硅前体的化 合效率和效能最优化,使得腔体更清洁,并减少了 去除圆顶包封所需的盐酸消耗量。这些节约实现了 比批量制造系统更低的耗材成本,提高了产量,从 而带来了竞争优势。

欲知详情,请联系 carlos_caballero@amat.com