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用於厚硅外延層的 E P I 腔 體

Carlos Caballero

移動技術和物聯網的蓬勃發展大大擴展了半導體的應用范圍,產品和市場領域 的應用均達到了空前的廣度。隨之而來的,半導體技術正在經歷翻天覆地的變 革。這些發展力量所推動的設計和制造變革之一,是運用比半導體通常所用厚 得多的薄膜來制造更高性能的器件。如今,專為這一目的設計的多功能全新單 晶腔體為厚硅外延層的應用帶來了佳音。全新 Centura Epi 腔體的薄膜生長速率 超過每分鐘 6微米,能利用出色的化合物反應效率在單道工序中生成 100 微米以 上的硅外延層,既提高了生產率,又降低了擁有成本。

如今的半導體產業可謂盛況空前。一方面,技術領 先的芯片設計企業大力探索將芯片降至 10 納米以下的前 沿技術,另一方面,運用比以往厚數千倍的薄膜制造的 各式器件種類日益豐富。厚摻雜的外延硅薄膜形成了電 絕緣層,適用於更高電壓和更快切換頻率的功率半導 體,例如用於電器、立體聲音響和火車等的絕緣柵雙極 晶體管 (IGBT)。它通過將微機電系統 (MEMS) 集成於節 能的“智能”應用中,從而提升了器件性能,降低了價 格敏感型傳感器和致動器的制造成本。

功率器件和先進微機電系統的制造若要具有商業 可行性,外延硅薄膜生長厚度就需要達到 30–150 微 米,從而能以盡可能低的擁有成本實現高生產率。這 類器件很多都可以在 200 毫米系統上以低成本高效地制 造,為此類器件市場注入了新的活力。應用材料公司 積極支持 200 毫米技術的擴張,並增強了自身多個 150 毫米和 200 米系統的能力以滿足不斷發展變化的行業要 求,包括得到廣泛應用的 200 毫米 Applied Centura Epi 腔 體。

作為外延工藝的先鋒和外延沉積設備的市場領導 者,應用材料公司發揮自身長期以來在材料工程領域積 累的專長,重新設計了 200 毫米 Centura Epi 腔體,以求 生成卓越品質的厚硅外延層(20–100 微米),同時不 損害該設備在生成較薄外延層(<20 微米)上的出色表 現。全新 200 毫米 Applied Centura Epi 腔體改進了全套工 藝組件,從而共同實現 (1) 在單道工序中生成厚達 100 微 米的硅外延層;(2) 與標准腔體相比更短的清洗時間; (3) 在清洗工序間對多片晶圓完成外延制程(<20 微 米);(4) 顯著降低耗材成本。

一旦外延工藝設備完全折 舊,運行成本就會對盈利能力產生重大而直接的影響, 因此嚴格控制耗材成本對於整體盈利能力至關重要。

腔體升級

功率器件和微機電系統要求外延硅薄膜極度均勻, 電阻率差異低於 2%。為達到這些要求,新的 Epi 腔體對 標准 150 毫米和 200 毫米 Centura Epi 腔體的關鍵硬件和軟 件都做了升級。

機動承載盤轉軸: Applied Centura Epi 系統最多可容 納三個全新設計的腔體。在每個腔體中,每片晶圓都擱 於承載盤上的凹槽中,承載盤隨著前體氣流噴入腔體而 旋轉,啟動外延制程。晶圓片的准確定位對於優化單片 外延層均勻度和晶圓間工藝的可重復度至關重要。因 此,在新的腔體中,常規的氣動承載盤轉軸更換為了機 動轉軸,其速度可更精細地加以控制,以避免晶圓片在 承載盤凹槽內移動(見圖 1)。一個新的承載盤水准測 量裝置對機動轉軸形成補充,以提高定位的可重復度 (見圖 2)。

晶圓的可靠居中也最大程度減少了晶圓片粘在承 載盤上形成搭接效應的可能性。當承載盤表面露在晶圓 邊緣與凹槽側壁之間,使得外延生長延伸到這一區域 時,就會產生這種效應。

腔體: 改進了全套工藝組件的幾何以獲得更小的 邊界層,即晶圓表面上方前體化合物濃度最高的區域。 這樣,三氯氫硅 (TCS) 前體更有效地納入了晶圓表面上 方的反應區,就提高了薄膜生長速率。由此提升的化合 物反應效率降低了工藝所需的三氯氫硅量和相應成本。

其他組件在設計上的多項變革改善了氣體層流,從 而能加快生長速率,提高薄膜生長的均勻度,降低電阻 率差異,並減少腔體組件的意外包封,包括上下圓頂的包封。減少包封效應對於確保溫度均勻和整片晶圓上薄 膜的穩定增長尤其重要。

圓頂閉環溫控: 這項新的軟件功能具有改善在片 性能和提升系統生產率的雙重優點。保持穩定的工藝環 境溫度(見圖 3)對促成理想的單晶格生長有重要意 義。閉環溫控也有助於最大程度減少圓頂的包封效應。

最低程度的包封對薄膜品質和系統生產率都會產 生積極影響。制造更厚的薄膜需要更長的制程,增加了 包封或副產物在腔體表面沉積的可能性。沉積越厚,材 料剝落並掉到晶圓上的風險就越大,造成有損成品率的 缺陷。

從生產率角度看,薄的包封僅用少量鹽酸 (HCL) 即可快速去除。這有助於降低耗材成本,並減少系統對 環境造成的隱患。對於較薄的外延(≤20 微米),圓頂 包封達到可忽略程度,就能在腔體清洗工序間一次制成 三片晶圓,而一般情況下僅能制成一片。

改善性能

如表 1 概括的,上述改進使得應用材料公司新的外 延腔體能化解厚外延層帶來的主要技術難題,從而滿足 所有關鍵的市場要求。它以無與倫比的速率生成高品質 硅薄膜,厚度和摻雜均勻度均十分出色,而缺陷率可忽 略不計。此外,它確保了可重復的晶圓置放,並消除了 搭接,這兩點對於實現高成品率的量產都至關重要。同 樣重要的是,實現這一領先於業界的性能所需的運行成 本比競爭性方案更低。

圖 4 顯示了這一體積更小、化合反應效率更高的全 新 Centura Epi 腔體所實現的更高生長速率,圖 5 顯示了 所實現的厚度和電阻率均勻度。這一全新腔體生成厚和 薄兩種外延層的結果同樣優良(見圖 6),展現了它的 多功能性。電阻率目標值快速達成,並且在整個生長制 程中保持穩定(見圖 7-8)。

總結

通過引入全新 Centura Epi 腔體,應用材料公司對 150 毫米和 200 毫米 Centura Epi 腔體這兩項骨干設備做了大幅升級,以滿足業界在功率器件和微機電系統 應用中使用具有成本效益的厚硅薄膜的需求。在一 項 500 晶圓片的耐力測試中,重新設計的腔體在生 成 100 微米厚的硅外延層時展現了高於每分鐘 6 微 米的生長速率,達到批量制造工藝的三倍。此外, 腔體的設計和更短的制程推動了三氯氫硅前體的化 合效率和效能最優化,使得腔體更清潔,並減少了 去除圓頂包封所需的鹽酸消耗量。這些節約實現了 比批量制造系統更低的耗材成本,提高了產量,從 而帶來了競爭優勢。

欲知詳情,請聯系 carlos_caballero@amat.com