CN101275284A - 铝杂质源转移扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝杂质源转移扩散方法。该方法提供真空扩散炉和一个带有塞子的半封闭扩散管，先以高纯铝源对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂，然后以饱和扩散掺杂后的硅陪片和扩散管内壁对试验芯片进行t1时间的扩散掺杂，测量试验芯片的薄层电阻，根据经验公式计算出正式芯片扩散所需时间t2，最后以饱和扩散掺杂后的硅陪片和扩散管内壁按照t2时间对正式芯片进行精确控制的扩散掺杂。因此可以降低生产成本、消除使用氢气的安全隐患，提供均匀、稳定和可控的芯片表面掺杂浓度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种功率半导体器件芯片的铝杂质源转移扩散方法。
背景技术
随着功率半导体器件向着高电压、大电流、高转换功率的发展，要求在功率半导体器件芯片上制作出高击穿电压的PN结，为此通常采用低浓度的铝扩散掺杂方法来形成PN结的P区。
目前国内外厂家普遍采用“闭管扩铝”方法进行铝掺杂。图1～图4为该现有技术的过程示意图，这种技术的主要方法是：参照图1所示，将清洗干净的正式器件芯片7和高纯铝源1装入半封闭的石英管2内，参照图2所示，抽真空后用氢氧火焰将石英管口10密封住，保持管内真空，然后，参照图3所示，将石英管放入高温扩散炉11中，利用铝源蒸汽在真空、封闭、高温的石英管2内对正式芯片7进行饱和扩散掺杂，扩散完毕后，参照图4所示，取出石英管2，击碎管口10，取出正式芯片7即完成闭管扩散。
该现有技术主要存在如下问题，包括：
1.由于每次扩散掺杂后都需要击碎石英管口取芯片，造成石英管每用一次就要抛弃，因而增加了生产成本，同时击碎石英管时产生的玻璃碎末也可能造成对芯片的污染。
2.为了使扩散时石英管内保持高真空状态，利用真空泵将管内抽至高真空后需用氢氧火焰密封石英管口，而氢气是一种易燃易爆的气体，因此存在安全隐患，危及生产和人身的安全。
3.由于用高纯铝源直接对正式芯片掺杂，其芯片表面掺杂浓度的相对标准偏差通常在6-10％，因此误差较大，掺杂效果不太理想，影响了产品的稳定性和合格率。
4.由于用高纯铝源直接对正式芯片掺杂，虽然进行长时间的饱和扩散，但是无法确定扩散掺杂时间与芯片表面掺杂浓度的关系，因此不能准确计算扩散时间和控制芯片表面浓度。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种功率半导体器件芯片的铝杂质源扩散的方法，该方法能够无须密封扩散反应管就可提供高真空状态，同时实现准确的计算扩散时间和控制芯片表面浓度。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：提供真空扩散炉和一个带有塞子的半封闭扩散管，先以高纯铝源对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂，然后以饱和扩散掺杂后的硅陪片和扩散管内壁对试验芯片进行t1时间的扩散掺杂，测量试验芯片的薄层电阻，根据经验公式计算出正式芯片扩散所需时间t2，最后以饱和扩散掺杂后的硅陪片和扩散管内壁按照t2时间对正式芯片进行精确控制的扩散掺杂。
所述经验公式为t1/t2＝(R2/R1)2，其中：t1为试验芯片扩散时间，单位：h，t2为正式芯片扩散所需时间，单位：h，R1为试验芯片表面浓度的薄层电阻率实测值，单位：mV/mA，R2为正式芯片所需表面浓度的薄层电阻率目标值，单位：mV/mA。
对所述硅陪片饱和扩散掺杂时，将分成两份的硅陪片垂直于扩散管管轴方向间隔放置，高纯铝源放于它们中间，扩散完成后再对试验芯片或正式芯片进行扩散掺杂。
对所述硅陪片饱和扩散掺杂时，将分成若干份的高纯铝源与若干数量的硅陪片交替放入扩散管内，硅陪片垂直于管轴方向，扩散完成后再对试验芯片或正式芯片进行扩散掺杂。
对所述试验芯片或正式芯片扩散掺杂时，硅陪片与芯片垂直于扩散管管轴方向交替间隔放置。
对所述试验芯片或正式芯片扩散掺杂时，硅陪片与芯片以两片陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向交替间隔放置。
所述扩散管为石英管、碳化硅管和多晶硅管中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.“闭管扩铝”方法由于每次扩散掺杂后都需要击碎石英管口取芯片，石英管每用一次就要抛弃，击碎石英管时产生的玻璃碎末也可能造成对芯片的污染，而本发明直接利用真空扩散炉加热半封闭的扩散管，无须击碎石英管，因而降低了生产成本，同时避免了击碎石英管时产生的玻璃碎末污染。
2.“闭管扩铝”方法为了使扩散时石英管内保持高真空状态，利用真空泵将管内抽至高真空后需用氢氧火焰密封石英管口，而本发明无须密封管口，也就避免了使用易燃易爆的氢气，排除了安全隐患。
3.“闭管扩铝”方法中由于用纯铝源直接对正式芯片饱和扩散掺杂，正式芯片的表面掺杂浓度的相对标准偏差通常在6-10％，而本发明则先用纯铝源对扩散管内壁和硅陪片进行饱和扩散掺杂，再利用硅陪片进行转移掺杂，正式芯片表面掺杂浓度的相对标准偏差通常在1-2％，掺杂浓度更为均匀和稳定。
4.由于采用高纯铝源直接对正式芯片掺杂，虽能进行长时间的饱和扩散，但是无法确定扩散掺杂时间与芯片表面掺杂浓度的关系，而本发明通过试验芯片的掺杂进而利用经验公式准确计算扩散时间，以控制芯片表面浓度，得到所需的芯片表面浓度。
以上这些优点都有利于制作更高电压、更大电流的功率半导体器件。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1～图4说明现有方法“闭管扩铝”的过程示意图；
图5是本发明的流程示意图；
图6～图8是本发明实施例一的过程示意图；
图9～图11是本发明实施例二的过程示意图；
图12～图14是本发明实施例三的过程示意图；
图15～图17是本发明实施例四的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。
以下结合图5所示的流程示意图说明本发明的具体实施方式。
实施例一，对硅陪片饱和扩散掺杂时，分成两份的硅陪片垂直于扩散管管轴方向间隔放置，高纯铝源放于它们中间；对芯片扩散掺杂时，硅陪片与试验芯片或正式芯片垂直于扩散管管轴方向交替间隔放置。
步骤501：对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂。
参照图6所示的实施例示意图，清洗扩散管2、高纯铝源1和硅陪片3，然后将一半数量的硅陪片3逐个的垂直于管轴放入扩散管2内，每片之间留有一段间隔，而后放入高纯铝源1，再将另一半硅陪片3按照同样的方法放入扩散管2内，最后管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散50小时，对扩散管内壁和硅陪片进行饱和扩散掺杂。
步骤502：对试验芯片进行t1时间的饱和扩散掺杂。
参照图7所示的实施例示意图，依次取出塞子4、已饱和扩散掺杂的硅陪片3’、高纯铝源1，将清洗好的试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’垂直于管轴方向交替间隔放置入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t1时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对试验芯片6扩散掺杂。
步骤503：计算出正式芯片扩散所需时间t2。
依次取出塞子4、试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’，因为试验芯片6的薄层电阻率直接反映了其表面铝掺杂浓度，所以测试试验芯片6的薄层电阻率R1(多片的平均值)，根据转移扩散之间的时间和芯片表面浓度的经验公式：t1/t2＝(R2/R1)2，计算出正式芯片扩散所需时间t2，其中：t1为试验芯片扩散时间，单位：h，t2为正式芯片扩散所需时间，单位：h，R1为试验芯片表面浓度的薄层电阻率实测值，单位：mV/mA，R2为正式芯片所需表面浓度的薄层电阻率目标值，单位：mV/mA。
步骤504：对正式芯片饱和扩散掺杂t2时间。
参照图8所示的实施例示意图，将清洗好的正式芯片7与已掺杂的硅陪片3’垂直于管轴方向交替间隔放置入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t2时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对正式芯片饱和扩散掺杂，正式芯片即扩散得到所需表面浓度。
实施例二，对硅陪片饱和扩散掺杂时，分成两份的硅陪片垂直于扩散管管轴方向间隔放置，高纯铝源放于它们中间；对试验芯片或正式芯片扩散掺杂时，以两片硅陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向交替间隔放置。
步骤501：对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂。
参照图9所示的实施例示意图，清洗扩散管2、高纯铝源1和硅陪片3，然后将一半数量的硅陪片3逐个的垂直于管轴放入扩散管2内，每片之间留有一段间隔，而后放入高纯铝源1，再将另一半硅陪片3按照同样的方法放入扩散管2内，最后管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散50小时，对扩散管内壁和硅陪片进行饱和扩散掺杂。
步骤502：对试验芯片进行t1时间的饱和扩散掺杂。
参照图10所示的实施例示意图，依次取出塞子4、已饱和扩散掺杂的硅陪片3’、高纯铝源1，将清洗好的试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’以两片陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向间隔放置入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t1时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对试验芯片6扩散掺杂。
步骤503：计算出正式芯片扩散所需时间t2。
依次取出塞子4、试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’，因为试验芯片6的薄层电阻率直接反映了其表面铝掺杂浓度，所以测试试验芯片6的薄层电阻率R1(多片的平均值)，根据转移扩散之间的时间和芯片表面浓度的经验公式：t1/t2＝(R2/R1)2，计算出正式芯片扩散所需时间t2，其中：t1为试验芯片扩散时间，单位：h，t2为正式芯片扩散所需时间，单位：h，R1为试验芯片表面浓度的薄层电阻率实测值，单位：mV/mA，R2为正式芯片所需表面浓度的薄层电阻率目标值，单位：mV/mA。
步骤504：对正式芯片饱和扩散掺杂t2时间。
参照图11所示的实施例示意图，将清洗好的正式芯片7与已掺杂的硅陪片3’以两片陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向间隔放入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t2时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对正式芯片饱和扩散掺杂，正式芯片即扩散得到所需表面浓度。
实施例三：对硅陪片饱和扩散掺杂时，高纯铝源与硅陪片交替间隔放置；对试验芯片或正式芯片扩散掺杂时，陪片与芯片垂直于扩散管管轴方向交替间隔放置。
步骤501：对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂。
参照图12所示的实施例示意图，清洗扩散管2、高纯铝源1和硅陪片3，将高纯铝源1分成的若干份(例如4份)，然后与一定数量(例如5片)的硅陪片3交替放入扩散管2内，硅陪片3垂直于管轴方向，每片之间留有一段间隔，最后管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散50小时，对扩散管内壁和硅陪片进行饱和扩散掺杂。
步骤502：对试验芯片进行t1时间的饱和扩散掺杂。
参照图13所示的实施例示意图，依次取出塞子4、已饱和扩散掺杂的硅陪片3’、高纯铝源1，将清洗好的试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’垂直于管轴方向交替间隔放置入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t1时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对试验芯片6扩散掺杂。
步骤503：计算出正式芯片扩散所需时间t2。
依次取出塞子4、试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’，因为试验芯片6的薄层电阻率直接反映了其表面铝掺杂浓度，所以测试试验芯片6的薄层电阻率R1(多片的平均值)，根据转移扩散之间的时间和芯片表面浓度的经验公式：t1/t2＝(R2/R1)2，计算出正式芯片扩散所需时间t2，其中：t1为试验芯片扩散时间，单位：h，t2为正式芯片扩散所需时间，单位：h，R1为试验芯片表面浓度的薄层电阻率实测值，单位：mV/mA，R2为正式芯片所需表面浓度的薄层电阻率目标值，单位：mV/mA。
步骤504：对正式芯片饱和扩散掺杂t2时间。
参照图14所示的实施例示意图，将清洗好的正式芯片7与已掺杂的硅陪片3’垂直于管轴方向交替间隔放置入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t2时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对正式芯片饱和扩散掺杂，正式芯片即扩散得到所需表面浓度。
实施例四：对硅陪片饱和扩散掺杂时，高纯铝源与硅陪片交替间隔放置；对试验芯片或正式芯片扩散掺杂时，以两片陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向交替间隔放置。
步骤501：对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂。
参照图15所示的实施例示意图，清洗扩散管2、高纯铝源1和硅陪片3，将高纯铝源1分成的若干份(例如4份)，然后与一定数量(例如5片)的硅陪片3交替放入扩散管2内，硅陪片3垂直于管轴方向，每片之间留有一段间隔，最后管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散50小时，对扩散管内壁和硅陪片进行饱和扩散掺杂。
步骤502：对试验芯片进行t1时间的饱和扩散掺杂。
参照图16所示的实施例示意图，依次取出塞子4、已饱和扩散掺杂的硅陪片3’、高纯铝源1，将清洗好的试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’以两片陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向间隔放置入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t1时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对试验芯片6扩散掺杂。
步骤503：计算出正式芯片扩散所需时间t2。
依次取出塞子4、试验芯片6与已掺杂的硅陪片3’，因为试验芯片6的薄层电阻率直接反映了其表面铝掺杂浓度，所以测试试验芯片6的薄层电阻率R1(多片的平均值)，根据转移扩散之间的时间和芯片表面浓度的经验公式：t1/t2＝(R2/R1)2，计算出正式芯片扩散所需时间t2，其中：t1为试验芯片扩散时间，单位：h，t2为正式芯片扩散所需时间，单位：h，R1为试验芯片表面浓度的薄层电阻率实测值，单位：mV/mA，R2为正式芯片所需表面浓度的薄层电阻率目标值，单位：mV/mA。
步骤504：对正式芯片饱和扩散掺杂t2时间。
参照图17所示的实施例示意图，将清洗好的正式芯片7与已掺杂的硅陪片3’以两片陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向间隔放入扩散管2内，管口用塞子4堵住(未密封)，将扩散管2推入真空扩散炉5，关闭炉门8，从炉口9抽真空，1200℃下饱和扩散t2时间，利用从扩散管内壁及硅陪片释放出的铝杂质源对正式芯片饱和扩散掺杂，正式芯片即扩散得到所需表面浓度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。所述扩散管为石英管、碳化硅管和多晶硅管的一种，其他能够实施本发明的扩散管也在本发明保护范围之内；所述步骤501中高纯铝源与硅陪片及所述步骤502、503中硅陪片与芯片的放置方式仅公开了较佳的实施方式，也不能对本发明做任何限制，其他能够实施本发明的放置方式也在本发明保护范围之内。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种铝杂质源转移扩散方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供真空扩散炉和一个带有塞子的半封闭扩散管；
以高纯铝源对硅陪片和扩散管内壁进行饱和扩散掺杂；
以饱和扩散掺杂后的硅陪片和扩散管内壁对试验芯片进行t1时间的扩散掺杂；
测量试验芯片的薄层电阻，根据经验公式计算出正式芯片扩散所需时间t2；
以饱和扩散掺杂后的硅陪片和扩散管内壁按照t2时间对正式芯片进行精确控制的扩散掺杂。
2.按照权利要求1所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：所述经验公式为t1/t2＝(R2/R1)2，其中：t1为试验芯片扩散时间，单位：h，t2为正式芯片扩散所需时间，单位：h，R1为试验芯片表面浓度的薄层电阻率实测值，单位：mV/mA，R2为正式芯片所需表面浓度的薄层电阻率目标值，单位：mV/mA。
3.按照权利要求1所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：对所述硅陪片饱和扩散掺杂时，将分成两份的硅陪片垂直于扩散管管轴方向间隔放置，高纯铝源放于它们中间，扩散完成后再对试验芯片或正式芯片进行扩散掺杂。
4.按照权利要求1所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：对所述硅陪片饱和扩散掺杂时，将分成若干份的高纯铝源与若干数量的硅陪片交替放入扩散管内，硅陪片垂直于管轴方向，扩散完成后再对试验芯片或正式芯片进行扩散掺杂。
5.按照权利要求3所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：所述硅陪片与试验芯片或正式芯片垂直于扩散管管轴方向交替间隔放置。
6.按照权利要求3所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：所述硅陪片与试验芯片或正式芯片以两片硅陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向交替间隔放置。
7.按照权利要求4所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：所述硅陪片与试验芯片或正式芯片垂直于扩散管管轴方向交替间隔放置。
8.按照权利要求4所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：所述硅陪片与试验芯片或正式芯片以两片硅陪片与一片芯片为周期垂直于管轴方向交替间隔放置。
9.按照权利要求1所述的铝杂质源转移扩散方法，其特征在于：所述扩散管为石英管、碳化硅管和多晶硅管中的一种。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: The age of 412001 in Hunan Province, Zhuzhou Shifeng District Road No. 169 Patentee after: ZHUZHOU CRRC TIMES ELECTRIC Co.,Ltd. Address before: The age of 412001 in Hunan Province, Zhuzhou Shifeng District Road Patentee before: ZHUZHOU CSR TIMES ELECTRIC Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20200929 Address after: 412001 Room 309, floor 3, semiconductor third line office building, Tianxin hi tech park, Shifeng District, Zhuzhou City, Hunan Province Patentee after: Zhuzhou CRRC times Semiconductor Co.,Ltd. Address before: The age of 412001 in Hunan Province, Zhuzhou Shifeng District Road No. 169 Patentee before: ZHUZHOU CRRC TIMES ELECTRIC Co.,Ltd. |