CN201266602Y - 衬底承载板和沉积设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种衬底承载板和沉积设备。衬底(4)安装到衬底承载板(3)的抬高的衬底支撑体(31)上。然后，具有衬底的衬底承载板放置到等离子反应器(8)中。由于抬高的衬底支撑体，衬底的两个相对面暴露于等离子体(6)，并且因此被包覆有电钝化层(7)。

Description

衬底承载板和沉积设备

技术领域

这里所公开的主题一般地涉及高压、高功率半导体的技术领域，更具体地涉及用于在功率半导体的硅片上进行电钝化层的单步双面沉积的设备。

背景技术

通常，双极功率半导体，例如二极管、晶闸管、GTO和GCT，是由硅片制成的。在这些硅片经过不同的植入、扩散、光刻和金属化工艺之后，它们被切割成圆形盘片，并且在高电压阻断pn结上磨出负斜角或正斜角。这些斜面通常需要用电钝化层来保护。当前所使用的现有技术中的一种钝化材料是氢化非晶碳(a-C：H，也称为类金刚石碳DLC)，其通常通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)工艺沉积在平行板等离子体反应器内部，但通常可以沉积在其他几何形状的PECVD反应器中，或通过离子束、溅射、阴极弧、脉冲激光沉积或低压CVD来沉积。

图1中给出了通常PECVD工艺的简化图。该硅片通过衬底承载板与反应室内部的第二下部电极相接触。碳氢化合物前体气体(例如甲烷、乙炔)通过第一上部电极中的开口进入等离子体反应器的反应室，通过射频被电离，并且形成主等离子体。边缘等离子体层是这样的空间：在该空间中，由于在两个电极之间施加的DC偏压，而使得等离子体离子被加速到衬底和衬底承载板的方向上。

如图1所示，通用的工艺是将硅片放置在铝衬底承载板上的凹槽中。该衬底承载板不但充当该硅片(衬底)的支座，而且其还建立了盘片与反应室中主动冷却的第二(下部)电极的热接触和电接触。面对该第一(上部)电极的硅片上的斜面暴露于a-C：H沉积等离子体，同时硅片其余的上表面被铝掩模(shadow mask)所覆盖。在沉积工艺期间对硅片进行主动冷却是必要的，以避免具有令人不满意的电特性的钝化层。J.Robertson在Materials Science andEngineering：R Reports 37，(2002)129中发表的“Diamond-likeamorphous carbon”中报告了a-C：H的热降低。

具有两个高电压阻断pn结的硅片在其相对面的每个面上可以具有一个磨出的负斜面(例如晶闸管)。通过上述通用工艺，在单次工艺流程(run)中只有上部斜面包覆有a-C：H。结果，需要手动地翻转该硅片以及第二次a-C：H沉积工艺流程。由于在第二工艺步骤中包覆的斜面在第一工艺步骤期间被面向下放置在凹槽中且处于不受保护和非常敏感的状态，所以所述斜面存在被污染从而导致阻断率降低的高风险。

发明内容

本发明的一个目的是揭示以单步骤方法在硅片的两面上沉积电钝化层，例如均匀a-C：H层。本发明的另一目的是改进现有的沉积设备，从而允许这种用于在硅片上沉积电钝化层的单步骤工艺。

本发明基于结合了改进的衬底支座设备的等离子体化学气相沉积。具体而言，本发明的方法包括步骤：将硅片安装在衬底承载板的抬高的衬底支撑体上，以及将具有硅片的衬底承载板放置在等离子体反应器中。由于抬高的衬底支撑体，硅片两个相对面均暴露于等离子体，并且因此被涂覆有电钝化层。

相对于以前的方法，本发明是有利的，因为a-C：H层在一个工艺步骤中沉积于硅片的两面上，或者都处于一个硅片的两面上，或者处于背对背叠置的两个硅片上。

为了避免由于衬底承载板的抬高的衬底支撑体上承载的硅片与主动冷却的下部电极之间距离增加而引起的热传导恶化，本发明还涉及将该新颖的衬底承载板设计与改进的硅片冷却机制结合起来。这考虑到对于沉积工艺至关重要的合理散热，因为更多的具有令人不满意的电特性的类石墨碳层可以在大约200°C之上的衬底温度处进行沉积。

所描述的本发明强调了替代了凹槽的类基座衬底承载板的重要性。因此，硅片的两面暴露于等离子体。然而，均匀沉积是高度重要的，特别是对于邻近下部电极的斜面更是如此。由于对于沉积均匀的a-C：H层而言需要均匀的等离子体流速和均匀电场两者，所以抬高的衬底支撑体的蘑菇形(例如凹陷、倒置截锥形等等)设计趋向于比纯圆柱形设计更加有利。

在另一实施方式中，本发明还涉及DC偏压的调节沉积工艺参数。

附图说明

通过参考结合附图所做出的随后的详细描述，可以获得对本发明更完整的理解，其中：

图1示意性地示出了在现有技术的单面沉积工艺中平行板反应器中具有硅片的组件；

图2示意性地示出了在平行板反应器中本发明的抬高的衬底支撑体上具有硅片的组件；

图3以本发明的抬高的衬底支撑体的第一实施方式(圆柱形)更详细地示出了图2的组件；

图4以本发明的抬高的衬底支撑体的第二实施方式(截锥形)更详细地示出了图2的组件；以及

图5示意性地示出了在平行板反应器中本发明的抬高的衬底支撑体上具有叠置硅片的组件。

参考符号列表

1，2    电极

22      冷却设备

3       衬底承载板

31，31’抬高的衬底支撑体

32           冷却设备

33           凹槽

34           导电连接

4，4’       硅片/衬底

41           上部斜面

42           下部斜面

5            掩模

6            主等离子体

7            边缘等离子体层

8            等离子体反应器的反应室

具体实施方式

图1提供了在现有技术PECVD工艺中使用的平行板反应器的示意图，其具有：一对平行板电极1和2，反应室8、主等离子体6、边缘等离子体层7、硅片4、掩模5以及具有凹槽33的衬底承载板3。电子能量(等离子体)被用作激活方法以使得能够在硅片上进行a-C：H沉积。碳氢化合物前体气体(例如甲烷、乙炔)通过上部电极1中的开口11进入反应室8。其通过射频被电离，并且形成主等离子体6。边缘等离子体层7在反应室8中是这样的空间：在该空间中，由于在两个电极1和2之间施加的DC偏压，而使得等离子体离子被加速到衬底或衬底承载板。作为衬底的硅片4被放置到衬底承载板3上的凹槽33中。该衬底承载板3不但充当机械衬底支座，而且，其还在硅片和等离子体反应器的反应室8中的下部电极2之间建立热接触和电接触。将要被钝化的硅片上的一个斜面面对上部电极1。该斜面暴露于a-C：H沉积等离子体6和/或7。未经受钝化的硅片顶面上的区域由掩模5来覆盖。在当前工艺中，在单次的工艺流程中只有上部斜面被a-C：H涂覆。结果，对于具有两个高电压阻断pn结(其在每个相对面上具有一个斜面)的硅片(例如晶闸管)，需要手动地翻转该硅片以及第二次a-C：H沉积工艺流程。如上所述，由于在第二工艺步骤中涂覆的斜面在第一工艺步骤期间被面向下放置在凹槽33中(处于不受保护并且因此非常敏感的状态)，所以所述斜面存在被污染从而导致阻断率降低的高风险。

图2提供了在本发明的一步双面PECVD工艺中使用的改进版本的平行板反应器的示意图。该设备与图1中所用设备的不同之处在于，使用了新开发的衬底承载板3。该板优选地由电和热传导材料制成，例如铝或其他金属。该硅片衬底不再放置于衬底承载板3的凹槽中，从而克服了只能进行单面a-C：H沉积的限制。取而代之的是，硅片被放置在“类蘑菇”或“类基座”突出物的顶部上，将该突出物称为抬高的衬底支撑体31。所述抬高的衬底支撑体31被设置在衬底承载板3的顶部上，与衬底承载板3成一体，或者可选地作为分立的部分。该衬底承载板不但充当硅片的机械衬底支座，而且它还在硅片与反应室8中的下部电极2之间建立热接触和电接触。通过抬升硅片的位置，同样从通过平行板电极1流入到反应室8中的前体气体创建的等离子体流不再限制于硅片衬底的上部斜面41。a-C：H沉积同时在硅片的上部斜面41和下部斜面42处发生。硅片的未涂覆的上部表面区域同样被掩模5所覆盖。为了间接地将硅片的温度限制在大约200℃之下的水平，对底部电极2进行主动冷却，例如通过在大约15至20℃温度下运行的水冷却设备22来进行主动冷却。

图3提供了在顶部具有硅片的衬底承载板3的本发明“类基座”抬高的衬底支撑体31的第一实施方式的更详细视图。来自主等离子体6的离子在电连接到底部电极2的表面附近的边缘等离子体层7中被加速到硅片4。在不同区域A和B处的硅片4上进行均匀a-C：H沉积是高度重要的，特别是对于硅片上的下部斜面更是如此。原因在于，均匀分布的等离子体流速和均匀电场对于沉积均匀的a-C：H层非常必要。然而，除了极小的等离子体边缘层厚度之外，等离子体流密度以及加速电场对于区域A和B可以有所不同，这使得在这些区域产生略微非均匀a-C：H沉积。在一定程度上，此非均匀可以通过略微调整工艺参数来进行补偿，因为等离子体边缘层厚度与DC偏压的平方根成比例，而该DC偏压可以降低到最小大约500伏。该最小DC偏压对于一些反应器可以发生变化，因为其取决于很多不同的参数。

图4提供了本发明抬高的衬底支撑体31的第二实施方式的更详细视图。代替使用纯圆柱形突起物作为衬底承载板3的抬高的衬底支撑体31，在基部处进行附加的圆周切割产生了凹陷截面的抬高的衬底支撑体31。关于这种类型的几何轮廓，这些抬高的衬底支撑体在这里被称为“蘑菇形”。可能的几何切割的蘑菇形轮廓不限于直线。原则上，假设等离子体流速足够高并且硅片底部斜面上的电/磁场例如用于提供尽可能均匀的沉积速率，则可以使用任何几何轮廓的抬高的衬底支撑体31，例如凹陷、倒置截锥形等等。在这些情况中，便于在不同区域A和B处的硅片4上进行均匀a-C：H沉积。其余可能的非均匀同样可以通过略微调整工艺参数来进行补偿，因为等离子体边缘层厚度与DC偏压的平方根成比例，而该DC偏压可以降低到最小大约500伏。可选地，通过利用设置在衬底承载板3中或附近的、或者设置在衬底承载板的抬高的衬底支撑体31中或附近的冷却设备32进行主动冷却，可以实现对硅片的改进和更直接的冷却。作为冷却设备，可以使用例如在15至20℃的温度下操作的水冷却。该优化的原位(in-situ)冷却策略结合可选的对硅片和/或衬底承载板的预冷却过程，使得硅片的最高工艺温度低于200℃。为了在沉积工艺期间进一步地降低硅片的温度，冷却装置可选地设置在覆盖硅片上表面的掩模中。如上所述，令人满意的散热对于沉积工艺至关重要，因为高于200℃的硅片温度会导致沉积出具有令人不满意的电特性的类石墨碳层。

为了更适当地校准(即共心地校准)硅片4和衬底承载板3的抬高的衬底支撑体31，可以在将组件装载到等离子体反应器的反应室中之前使用校准或定心装置。

可选地，如图5所示，附加的硅片4’可以叠置于在抬高的衬底支撑体31上承载的一个硅片4的顶部上。在叠置的相邻硅片4和4’之间，设置抬高的衬底支撑体31’，从而允许在相邻硅片进行均匀a-C：H沉积。可选地，可以省略该附加的抬高的衬底支撑体，从而允许背对背地叠置两个硅片，每个硅片仅具有一个高电压阻断pn结，例如二极管、GTO和GCT，并且因此仅对一个斜面进行钝化。于是两个硅片的这些斜面将可以被设置在这两个硅片的叠置的外部。可选地，冷却装置可以设置在附加的衬底支撑体31’和/或设置在该叠置顶部的掩模5中。可选地，在附加的抬高的衬底支撑体31’与电连接到下部电极2的一个或多个或所有部件(即抬高的衬底支撑体31、衬底承载板3或下部电极2本身)之间设置有导电连接34。

Claims (15)

1.一种衬底承载板(3)，用于在等离子体反应器室中的硅片(4)的表面上沉积电钝化层(7)的沉积工艺期间承载硅片(4)，其特征在于，所述衬底承载板(3)包括用于承载硅片(4)的抬高的衬底支撑体(31)。

2.根据权利要求1所述的衬底承载板，其特征在于，包括圆柱形抬高的衬底支撑体(31)。

3.根据权利要求1所述的衬底承载板，其特征在于，包括具有凹陷横截面的蘑菇形抬高的衬底支撑体(31)。

4.一种沉积设备，用于在硅片(4)上沉积电钝化层，该设备包括等离子体反应器的反应室(8)中的两个平行板电极(1，2)、可以放置在所述电极(2)之一上的衬底承载板(3)、和至少一个硅片(4)，其特征在于，所述衬底承载板(3)包括用于承载所述硅片(4)的抬高的衬底支撑体(31)。

5.根据权利要求4所述的沉积设备，其特征在于，包括用于在所述沉积工艺期间对所述硅片(4)进行冷却的冷却装置(22，32)。

6.根据权利要求5所述的沉积设备，其特征在于，所述冷却装置(22)被设置在所述衬底承载板(3)承载的电极(2)中或者附近。

7.根据权利要求5所述的沉积设备，其特征在于，所述冷却装置(32)被设置在所述衬底承载板(3)中或设置在所述衬底承载板的所述抬高的衬底支撑体(31)中。

8.根据权利要求5所述的沉积设备，其特征在于，所述冷却装置被设置在掩模(5)中，该掩模覆盖与所述两个平板电极(1)中另一个电极面对的所述硅片(4)的表面。

9.根据权利要求6所述的沉积设备，其特征在于，所述冷却装置(32)被设置在所述衬底承载板(3)中或设置在所述衬底承载板的所述抬高的衬底支撑体(31)中。

10.根据权利要求6所述的沉积设备，其特征在于，所述冷却装置被设置在掩模(5)中，该掩模覆盖与所述两个平板电极(1)中另一个电极面对的所述硅片(4)的表面。

11.根据权利要求4至10中任意一项所述的沉积设备，其特征在于，叠置多个硅片(4，4’)，其中第一硅片(4)由所述抬高的衬底支撑体(31)来承载。

12.根据权利要求11所述的沉积设备，其特征在于，在叠置的相邻硅片(4，4’)之间设置附加的抬高的衬底支撑体(31’)。

13.根据权利要求12所述的沉积设备，其特征在于，在所述附加的抬高的衬底支撑体(31’)中设置冷却装置(32)。

14.根据权利要求12所述的沉积设备，其特征在于，在所述附加的抬高的衬底支撑体(31’)与所述抬高的衬底支撑体(31)和/或所述衬底承载板(3)和/或衬底承载板(3)承载的电极(2)之间设置导电连接(34)。

15.根据权利要求13所述的沉积设备，其特征在于，在所述附加的抬高的衬底支撑体(31’)与所述抬高的衬底支撑体(31)和/或所述衬底承载板(3)和/或衬底承载板(3)承载的电极(2)之间设置导电连接(34)。

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