第47卷 第5期 2020年5月
天  津  科  技
TIANJIN SCIENCE & TECHNOLOGY
V ol.47  No.5May 2020
基金项目：天津市自然科学基金“基于连续波激光辐照诱导富硅氧化硅的相变机理研究”(18JCYBJC41800)；天津市科技计划项目“特种
高频器件用硅外延薄层高阻材料的制备及核心技术基础研究”(18ZXJMTG00300)。 收稿日期：2020-04-07
基础研究
Applied Materials Centura 系列 单片式硅外延炉的先进性研究
唐发俊1，赵 扬1，李明达1，马丽颖2，王 楠1*
(1.中国电子科技集团公司第四十六研究所半导体材料硅外延部 天津300220； 2. 天津大学材料科学与工程学院 天津市材料复合与功能化重点实验室 天津300350)
摘 要：随着半导体元器件制造要求的不断提高，对硅外延片的质量要求也不断提高。一方面，为了改善硅外延片的厚度和电阻率均匀性，硅外延炉从多片式逐步转向单片式发展；另一方面，硅外延片的尺寸从小尺寸(4英寸)向大尺寸(8英寸、12英寸)发展。鉴于面向大尺寸的单片式硅外延炉将是未来主导硅外延材料生长的主流设备，对Applied Materials Centura 系列单片式硅外延炉的先进性进行分析，分别介绍其设备结构、工艺性能、产量效率等特点，进而提出一些可能需要改进的方向。 关键词：硅外延炉 辐照加热 单片式硅外延炉
中图分类号：TN304.0        文献标志码：A        文章编号：1006-8945(2020)05-0040-03
Study on Advancement of Single-wafer Silicon Epitaxy Reactor of
Applied Materials Centura Series
TANG Fajun 1，ZHAO Yang 1，LI Mingda 1，MA Liying 2，WANG Nan 1*
(1. 46th  Research Institute ，China Electronics Technology Group Corporation ，Tianjin 300220, China ；
2. Tianjin Key Laboratory of Composites and Functional Materials ，School of Materials Science and Engineering ，
Tianjin University ，Tianjin 300350，China ) Abstract ：As the manufacturing demand of semiconductor device is increasing ，the quality of silicon epitaxial wafer should be also improved. On one hand ，in order to improve the thickness and resistivity uniformity of silicon epitaxial wafer ，silicon epitaxy reactor has turned from multipe-wafer type to single-wafer type. On the other hand ，the diameter of silicon epitaxial wafer has also turned from the small size (4 inches) to the large size (8 inches and 12 inches). In view of the fact that large-size single-wafer silicon epitaxy reactor will be the mainstream equipment that will lead the production of silicon epitaxial materials in the future, the advancement of single-wafer silicon epitaxy reactor of Applied Materials Centura series is analyzed. The equipment structure, process performance, production efficiency and other characteristics are intro-duced  respectively, and some possible improvements are put forward.
Key words ：silicon epitaxy reactor ；irradiant heating ；single-wafer silicon epitaxy  reactor
0 引 言
硅材料是半导体工业最基础的原材料，主要包括抛光片和外延片。随着半导体器件制造业对硅片参数一致性和性能需求的逐渐提高，传统硅抛光片已不能满足其需求，需要在抛光片的基础上制造高质量的
硅外延片。硅外延片发展迄今已有60多年，其制造
reactor 性能
设备从早期的多片式外延炉发展到如今的单片式外延炉[1]。本文将以Applied Materials Centura 系列单片式硅外延炉为例，对其先进性进行研究，讨论其设备结构、工艺性能和产出效率，并提出一些可能需要改进的方向。
2020年5月              唐发俊等：Applied Materials Centura 系列单片式硅外延炉的先进性研究              ·41·
1 先进性研究
1.1 设备结构
设备结构的俯视图如图1所示。该设备的中心区域为传递腔体(Tra nsfer Cha mber )，机械手(Blade )位于该腔体中，主要用于将Wafer 在不同腔体之间进行传递；位于传递腔体正面的是2个锁存进样装置(Loa d Lock )，用于装取Wafer ，该装置可采用多种模式进行装取片，常用的模式为串联型，即按照Wafer 在Loa d Lock 中的位置依序进行硅外延片的制造，制造成功的外延片最终将返回到初始位置；位于Load Lock 旁边的是冷却腔(Cool Down Chamber )，用于将制造后的硅外延片从高温(600～700℃)冷却至室温；位于传递腔体后面的是3个工艺腔体(Process Chamber )，用于硅外延片的工艺制造过程(图2)。
图1 Applied Materials Centura 设备结构的俯视示意图
Fig.1
Top view of Applied Materials Centura
图2 Applied Materials Centura 设备工艺腔体的结构示
意图
Fig.2 Schematic diagram of process chamber in Applied
Materials Centura
1.2 工艺性能
该设备兼容6～8in (152.4～203.2mm )硅外延片的制造，由于沉积速率很快，最高可达6μm/min [2]，可用于制作厚度较大的硅外延片。例如，用于VDMOS 器件领域的硅外延产品，往往需要外延层厚度几十个μm 以上。
以我司供应给某客户的参数规格(54.6 μm ±2%，14.25 Ω⋅cm ±2%)的8in (203.2mm )VDMOS 用硅外延片为例[3]，经过工艺优化和调节后，其厚度非均匀性和电阻率非均匀性均可达到低于1%的水平。典型
的VDMOS 用8in 硅外延片的厚度分布如图3所
示，其厚度非均匀性为0.584%。该设备采用自带的Accuset 装置，通过调节电压对进入腔体的气流进行
分配，进入腔体的气流分为Inner 和Outer 两部分，Inner 主要影响中心部分的厚度值，Outer 主要影响边缘部分的厚度值；通过对电压的精准调节，使得中心和边缘厚度尽可能趋于一致，从而改善厚度均匀性。
图3 VDMOS 用8英寸硅外延片的厚度分布
Fig.3Thickness distribution of 8 inches silicon epitaxial
wafer applied to VDMOS
相应地，VDMOS 用8in 硅外延片的电阻率分布如图4所示，其电阻率非均匀性为0.466%。外延片边缘的电阻率值往往低于中心的电阻率值，主要原因在于边缘的自掺杂效应。为了抑制边缘的自掺杂效应，该设备设计了辅助掺杂功能(Auxiliary dope )，根据边缘和中心电阻率的差异，在Inner 气流中额外增加掺杂气体流量从而实现中心和边缘电阻率一致，显著改善电阻率的均匀性。
图4 VDMOS 用8英寸硅外延片的电阻率分布
Fig.4Resistivity distribution of 8 inches silicon epitaxial
wafer applied to VDMOS
1.3 产出效率
该设备设计采用3个工艺腔体进行硅外延片制造，主要是为了提高外延片的产出效率。但实际产出效率往往和产品厚度有关，因为产品越厚，所需要的
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工艺时间越长，同时会降低产品的产出效率；由于该设备采用1个冷却腔，将加工后的外延片冷却至室温，往往会出现3个工艺腔体制备的外延片需要排队的现象。因此，实际产出效率也和外延片在冷却腔体中的滞留时间有关。此外，实际产出效率还和机械手、基座支撑架等一系列机械相关装置的运动速度有关。在实际生产中，这些装置的运动速度等参数是已经进行过优化的。为了更直观地体现实际产出效率，根据实际数据，对常见的3种不同厚度规格的8in 硅外延片的月产能进行了估算，结果如表1所示。对于厚度为5μm 的硅外延片，其月产能最高，可达到12000片/月；对于厚度为8 μm 的硅外延片，其月产能为10000片/月；对于厚度为60 μm 的硅外延片，其月产能最低，可达到5000片/月。
表1 不同厚度规格下硅外延片的月产能
Tab.1 Monthly throughput of silicon epitaxial wafer with
different thickness values
Thickness of Si EPI wafer/μm Throughput per month
5 12000
8 10000 60 5000 2 结 论
半导体产业的发展对硅外延制造工艺提出了更
高的要求；特别是面向8～12in (203.2～304.8mm )
等大尺寸硅外延片市场，单片式硅外延炉的主导地位已不可取代。本文对Applied Materials Centura 系列单片式硅外延炉的设备结构、工艺性能和产出效率等方面进行了讨论，值得指出的是，该型外延炉未来仍然有一些可能持续改进的方向：①设备结构特别是工艺腔体构造过于复杂，总共采用20余种分别由石英、石墨、SiC 材质组成的零部件，对于后期设备维护的复杂度以及维护成本有一定的要求；②由于冷却腔体只能对单一硅外延片进行冷却，影响了硅外延片的产出效率，可考虑实现同时对多片硅外延片进行降温的冷却腔或者通过增加冷却腔的数量来提高产出效率。■ 参考文献
［1］ 唐发俊，赵扬，黄钦，等. 应用于半导体工业的硅外
延炉发展历程[J ]. 天津科技，2020，47(1)：29-31.
［2］ Applied Materials. New Centura ® Prontotm 200mm Atm
Epi Chamber Maximizes Thick Epitaxial Silicon Produc-tivity [EB/OL ]. [2019-10-12]. http ：//www. appliedma-
terials. com/zh-hant/node/3352646.
［3］ 李明达. VDMOS 功率器件用200mm 硅外延片工艺研
究[J ]. 天津科技，2018，45(12)：27-30.
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参考文献
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