應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)的硅外延爐發(fā)展歷程

唐發(fā)俊，趙 揚(yáng)，黃 欽，王 楠*

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所半導(dǎo)體材料硅外延部 天津 300220；2.廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 廣東 廣州 510615)

0 引 言

硅材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)材料，主要包括拋光片、非拋光片、外延片等。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)工藝制程能力的提高以及器件性能需求的提升，硅拋光片已經(jīng)不能完全滿足發(fā)展需求，因此需要在硅拋光片表面制備高質(zhì)量、無缺陷的硅外延層以滿足不同半導(dǎo)體器件的要求，而硅外延片質(zhì)量的不斷提高也伴隨著外延生長工藝的改進(jìn)。一般來說，硅外延生長工藝的進(jìn)步很大程度上是由硅外延爐的設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)來主導(dǎo)。例如，從早期的多片式外延爐發(fā)展到如今的單片式外延爐，為實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)的更新，其在設(shè)計(jì)上的變化是全面的。

因此，本文全面回顧硅外延爐的發(fā)展歷程，并針對(duì)外延爐的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行討論，以期對(duì)未來外延爐設(shè)計(jì)的發(fā)展提供參考借鑒。

1 硅外延爐的發(fā)展歷程

硅外延爐的分類有2種：一種是基于進(jìn)氣氣流相對(duì)于硅片襯底表面的方向，大體上可分為垂直式和水平式 2類硅外延爐；一種是根據(jù)基座的形狀。本文依據(jù)第1種分類方法進(jìn)行討論。

早期的垂直式硅外延爐如圖1所示，由Theuerer等[1]在 1961年發(fā)明。該外延爐和當(dāng)今的硅外延爐類似，腔體主要由石英材料構(gòu)成，并采用電磁感應(yīng)的方式對(duì)承托硅片的石墨基座加熱，從而對(duì)進(jìn)入腔體的四氯硅烷進(jìn)行分解制備硅外延片，每次只能制備一片。20世紀(jì) 60年代中期，該型硅外延爐的尺寸變大，從而能一次制備多片，并配合可旋轉(zhuǎn)的基座明顯地改善了硅外延片的均勻性。然而在當(dāng)時(shí)，由于該型外延爐只能裝載尺寸較小的硅片而不能大量商業(yè)化使用，直到 1980年以后該型外延爐才重新受到關(guān)注而廣泛使用。

圖1 1961年出現(xiàn)的垂直式硅外延爐Fig.1 Vertical silicon epitaxy reactor appeared in 1961

同樣在20世紀(jì)60年代，一種早期的水平式硅外延爐，即擴(kuò)散爐得到廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該型外延爐也采用電磁感應(yīng)加熱的方式對(duì)四氯硅烷進(jìn)行分解，多個(gè)硅片可放置在石墨基座上，這里將石墨基座進(jìn)行一定角度的傾斜，主要考慮的是流體問題。當(dāng)反應(yīng)氣體流入腔體后，靠近基座表面的氣體由于受到阻力較大，會(huì)形成一個(gè)氣流邊界層，位于邊界層中的氣體參與硅外延生長過程。如果基座不能傾斜設(shè)置，邊界層將主要形成在第 1個(gè)硅片的上方區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致第2個(gè)乃至第3個(gè)硅片的上方區(qū)域延遲形成邊界層，造成各片的沉積厚度不一致；通過將基座傾斜設(shè)置可導(dǎo)致位于第 1個(gè)硅片上方邊界層以上的氣流能夠同一時(shí)間接觸到第 2個(gè)和第 3個(gè)硅片表面，并同時(shí)形成邊界層，從而使各片硅外延生長同時(shí)進(jìn)行，保證其沉積厚度一致。

隨著基座旋轉(zhuǎn)技術(shù)的成熟，進(jìn)一步提高水平式外延爐的產(chǎn)能以及改善產(chǎn)品均勻性成為可能，加入可旋轉(zhuǎn)的基座，在擴(kuò)散爐的基礎(chǔ)上，1970年后分別發(fā)展了桶式硅外延爐和平板式硅外延爐，其腔體結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。

圖2 1960年代的水平式硅外延爐(擴(kuò)散爐)Fig.2 Horizontal silicon epitaxy reactor in 1960s(diffusion oven)

圖3 1970年之后發(fā)展的桶式硅外延爐Fig.3 Barrel-type silicon epitaxy reactor after 1970

圖4 1970年之后發(fā)展的平板式硅外延爐Fig.4 Tablet-type silicon epitaxy reactor after 1970

桶式硅外延爐，一方面通過桶型設(shè)計(jì)，顯著改善了硅片的裝載能力；另一方面，廠商往往采用雙腔設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。這也是桶式硅外延爐如今依然在中小尺寸硅外延片市場(chǎng)發(fā)揮作用的主要原因。主流的桶式硅外延爐如LPE公司的2061型外延爐主要采用電磁感應(yīng)加熱的方式，而Applied Materials公司也曾研發(fā)過燈泡輻照加熱的桶式爐，但當(dāng)時(shí)并未獲得較好的效果，主要原因是溫度分布不均勻。因此，AM 公司停止了繼續(xù)研發(fā)該類桶式爐，直到1980年后，AM 公司攜燈泡加熱方式的單片式硅外延爐重新進(jìn)入市場(chǎng)并獲得認(rèn)可。

平板式硅外延爐，通過將硅片位置設(shè)定在靠近基座外徑的一側(cè)，并在硅外延生長過程中旋轉(zhuǎn)基座，顯著改善其均勻性。該類硅外延爐不存在不同位置硅外延生長不同步的問題，不必將基座進(jìn)行一定角度的傾斜。當(dāng)前，該類硅外延爐主要用來生產(chǎn) 6～8in(152.4～203.2mm)硅外延片，并占據(jù)著一定的市場(chǎng)份額，例如LPE公司的3061型硅外延爐仍然是國內(nèi)主要硅外延片制造廠商的主力機(jī)型。

1980年以后，垂直式硅外延爐迎來了新的發(fā)展。如前所述，20世紀(jì)60年代后出現(xiàn)的早期垂直式硅外延爐由于對(duì)較大尺寸硅片的裝載能力有限，導(dǎo)致其一度發(fā)展緩慢；之后隨著更大尺寸的鐘罩和基座被制造出，顯著改善了該型外延爐的裝載能力，其腔體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該類硅外延爐采用電磁感應(yīng)加熱，反應(yīng)氣體通過位于基座中間的管路進(jìn)入，并通過噴嘴進(jìn)入腔體中；反應(yīng)后剩余的氣體通過腔體下部進(jìn)入尾氣。垂直式硅外延爐由于鐘罩大，可為反應(yīng)氣體的充分混合提供足夠的空間；反應(yīng)氣體的流場(chǎng)分布主要由基座高寬比決定，一個(gè)優(yōu)化的高寬比能夠保證基座上的所有硅片在同一時(shí)間接觸到反應(yīng)氣體，從而保證所有硅片沉積厚度的一致性。Suzuki等[2]于 1985年在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該型硅外延爐的反應(yīng)氣體出口進(jìn)行改進(jìn)，增加了 3個(gè)相互成 120°的氣體噴嘴，有效改善了硅片厚度均勻性，將其控制在 1%以內(nèi)，但由于該結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并未完全商業(yè)化。目前，美國 CSD公司的垂直式硅外延爐仍為國內(nèi)主要硅外延片制造廠商所使用。

圖5 1980年之后發(fā)展的垂直式硅外延爐Fig.5 Vertical silicon epitaxy reactor after 1980

在垂直式硅外延爐大力發(fā)展的同時(shí)，Applied Materials帶來了單片式硅外延爐，即Centura系列的早期型號(hào)，其主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。該外延爐采用燈泡輻照加熱的方式，在腔體上下部分別放置數(shù)量相同的燈泡，在燈泡背面裝有鍍金的光反射板，以保證燈泡發(fā)出的光能均勻地輻照基座表面；燈泡發(fā)出的光透過石英鐘罩輻照基座和硅片。之后 AM 公司對(duì)該型硅外延爐不斷改進(jìn)，早期定位于 6～8in(152.4～203.2mm)硅外延片的制造，之后衍生出制造 12～18in(304.8～457.2mm)硅外延片的機(jī)型。2018年，針對(duì) 8in(203.2mm)硅外延市場(chǎng)，AM 公司推出Pronto機(jī)型，最高沉積速率可達(dá) 6μm/min[3-4]。另外，到了 20世紀(jì) 90年代后期，隨著 AM 公司的燈泡輻照加熱專利和光反射板專利過期，美國 ASM 公司也推出自己的單片式硅外延爐ASM E2000。

圖6 1980年之后出現(xiàn)的單片式硅外延爐Fig.6 Single-wafer silicon epitaxy reactor after 1980

2 結(jié) 論

為了滿足半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展需求，硅外延爐經(jīng)歷了從擴(kuò)散爐、桶式爐、垂直爐、平板爐到單片爐的沿革。針對(duì)中小尺寸硅外延片市場(chǎng)，桶式爐、垂直爐仍然發(fā)揮著重要的作用；而面對(duì)大尺寸硅外延片市場(chǎng)，平板爐、單片爐發(fā)展日趨完善，特別對(duì)于 12in(304.8mm)以上的硅外延片，單片式硅外延爐已無可替代。在加熱方式的選擇上，在很長一段時(shí)間電磁感應(yīng)加熱一直處于主導(dǎo)地位，但隨著光反射板設(shè)計(jì)與制造工藝的不斷進(jìn)展，燈泡輻照這一加熱方式將成為未來硅外延爐的主要選擇方向。因?yàn)闊襞葺椪湛梢垣@得和電磁感應(yīng)同樣乃至更出色的溫度均勻性，同時(shí)可以有效避免電磁感應(yīng)加熱所誘發(fā)的一系列問題(如硅外延片背面出現(xiàn)硅渣)。