CN101311340B - 硅反外延片的制造方法及其专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅反外延片的制造方法，首先设计和制造了硅反外延片专用的反外延设备，采用了外延层掺杂用液相掺杂技术，建立了适合硅反外延片的外延工艺条件。所述外延层掺杂用液相掺杂技术，在SiHCL₃料源中加入PCl₃，混合的比例以能达到外延层电阻率的要求为宜，1Kg SiHCL₃加入5ml PCl₃。选择合适的工艺条件：气腐温度1190℃，气腐流量20L/min，生长温度1180℃，生长速率5μm/min，保证外延片表面的平整度和外延层的晶格完整性，保证外延层掺杂浓度。

Description

硅反外延片的制造方法及其专用设备

一、技术领域

本发明涉及硅反外延片的制造方法，具体而言，是高压PIN开关管用硅反外延片的制造方法及其专用设备。

二、背景技术

硅外延是这样一种技术，其生长的原子以单晶方式有序地排列在衬底表面且生长层的晶体结构与衬底完全相同。应用这项技术的最重要的原因是外延层中的杂质易与控制。高压PIN开关管所用外延材料要求平区电阻率大于1000Ωcm，过渡区宽度小于0.8μm，而且所用衬底为电阻率小于10^-3Ωcm的N+型衬底。众所周知，用常规的外延方法是难以达到以上要求的，在N+衬底上生长这样高电阻率的外延层也是极其困难的。也曾有人用键合的方法制作器件，但由于界面键合难以形成理想的键合界面，所以器件成品率很低且性能也差，不能满足器件制作的要求。

硅反外延片制造方法是这样一种技术，之所以称为反外延是因为在使用外延片时，与普通的外延片用法相反，是把外延层作为衬底，而把衬底作为制作器件PN结的区域。其优点是：制作PN结的区域(衬底)电阻率可达到几千欧姆厘米，接近于绝缘体，所以制作PIN器件时，其I层的电阻率很高，可大大提高器件的耐压，也可大大的降低器件的插损。由于其外延层作为基底，为保证器件制作各工序不会碎片，外延层必须有一定的厚度。一般厚度在250～300微米，对于如此厚的外延层，用常规的外延生长方法难以做到。

反外延的基本要求：

1、外延层厚度在200微米以上；

2、外延层浓度在10¹⁹/cm³以上；

3、外延层内不能有大的缺陷如针孔、夹杂、颗粒等。

反外延由于其生长的外延层很厚，所以需要很高的生长数率。用常规外延方法，其生长时间需250分钟左右，这样不但生产效率低下，关键是现有的生产设备也不能胜任。同时，外延层电阻率要求很低，用常规的气相掺杂也不能胜任，因常规的气相掺杂最高到10¹⁸/cm³，而反外延层的浓度需在10¹⁹/cm³以上。

三、发明内容

针对反外延片的3项基本要求，外延层厚度厚、浓度低、不能有大的缺陷等。这要求外延的生产方法和设备与常规外延有很大的区别，反外延由于其生长的外延层很厚，所以需要很高的生长速率。用常规外延，其生长速率为1～1.5μm/min左右，常规的气相掺杂电阻率控制范围为0.05～100Ωcm，而反外延层的浓度需在10¹⁹/cm³以上，所以需用液相掺杂技术。本发明创造采用矩形石英反应管，硅源料用SiHCl₃，并特制了石英饱和鼓泡器，采用高温技术生长外延层，既提高了生长速率，也避免生长时外延层中缺陷的形成，使生长速率达到5μm/min左右，为了解决外延层高浓度的掺杂源问题，选用PCl₃直接加入SiHCl₃料源中，同时因外延层很厚，会引起外延片的翘曲，所以外延片的面积受到限制，本发明创造采用17mm×17mm的衬底，可以保证翘曲度满足器件制作的要求。

本发明的技术方案如下：

一种硅反外延片的制造方法，首先设计和制造了硅反外延片专用的反外延设备，采用了外延层掺杂用液相掺杂技术，建立了适合硅反外延片的外延工艺条件。所述外延层掺杂用液相掺杂技术，即把PCl₃直接加入SiHCl₃料源中，比例为0.9-1.1KgSiHCl₃料源中加入4.5-5.5ml PCl₃；所述适合硅反外延片的外延工艺条件，即采用了高温快速生长工艺，气腐温度1180-1200℃，气腐流量18-22L/min，生长温度1170-1190℃，生长速率4.5-5.5μm/min。

另一方面发明人研制了专用的反外延设备，其特征在于，H₂供给源7、SiHCl₃和PCl₃源8、HCl源9通过气体控制系统6与反应器5相连，反应器5由反应器密封盖密封，反应器5周边布有高频加热线圈4，基座2安装于反应器5内。反应器5用矩形石英管，基座2用高纯石墨表面经裂解处理。该设备的主要性能是：生长速率快，外延层掺杂浓度高，结构简单，操作容易，适应小规模生产；其次选用高阻P型硅单晶(电阻率＞2000Ωcm)，加工成17×17mm的小方片，且对边缘进行处理，表面进行镜面抛光；第三，外延层掺杂用液相掺杂技术，在SiHCl₃料源中加入PCl₃，混合的比例以能达到外延层电阻率的要求为宜，1Kg SiHCl₃加入5ml PCl₃。选择合适的工艺条件：气腐温度1190℃，气腐流量20L/min，生长温度1180℃，生长速率5μm/min，保证外延片表面的平整度和外延层的品格完整性，保证外延层掺杂浓度。

由于PCl₃再室温下会自燃，所以对石英反应器的密封性要求较高，对气体控制系统的要求也高，同时在操作时必须注意安全。

四、附图说明

图1：本发明所用的专用设备示意图

其中：1为反应器密封盖；2为基座；3为硅衬底片；4为高频加热线圈；5为石英反应器；6为气体控制系统；7为H₂供给源；8为SiHCl₃+PCl₃源；9为HCl源。

五、具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细地说明：

本发明所用的专用设备参见图1，H₂供给源7、SiHCl₃和PCl₃源8、HCl源9通过气体控制系统6与反应器5相连，反应器5由反应器密封盖密封，反应器5周边布有高频加热线圈4，基座2安装于反应器5内。反应器5用长方形石英管制成，基座2用高纯石墨表面经裂解处理，尺寸为80mm×200mm×10mm，为了提高基座前后外延层厚度的均匀性，基座与石英反应管成5°夹角，利于高频感应方式加热，石墨基座温度可达1200℃。氢纯化器用钯管炉。

反应器及衬底清洗：石英反应管及石英支架在进行外延前必须认真清洗，以清除吸附在内壁的杂质和残留物；衬底选用P型高阻单晶，电阻率需大于2000Ωcm，加工成17×17mm的抛光片并进行清洗，以提高表面质量。

为了提高外延层浓度，用液相掺杂技术，把PCl₃直接按比例加入到SiHCl₃料源中，其比例按工艺要求，比例为1Kg SiHCl₃料源中加入5ml PCl₃，但由于PCl₃为易燃易爆液体，操作时需十分小心。

具体生长工艺：

①.外延用衬底密排在高纯石墨基座上面，一般装40片；

②.将石墨基座推入石英反应器内；

③.通N₂气赶反应器内的空气，通H₂气赶反应器内的N₂气；

④.加温到气相腐蚀的温度，约1180-1200℃，气腐流量18-22L/min，并进行气腐；

⑤.加温到外延生长温度，约1170-1190℃，用H₂携SiHCl₃+PCl₃液体进入反应器进行外延生长；

⑥.通H₂降温并出炉。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (5)

1.一种硅反外延片的制造方法，设计和制造了硅反外延片所用的外延设备，采用了外延层掺杂用液相掺杂技术，建立了适合硅反外延片的外延工艺条件，其特征在于：

所述外延层掺杂用液相掺杂技术，即把PCl₃直接加入SiHCl₃料源中，比例为0.9-1.1Kg SiHCl₃料源中加入4.5-5.5ml PCl₃；

所述适合硅反外延片的外延工艺条件，即采用了高温快速生长工艺，气腐温度1180-1200℃，气腐流量18-22L/min，生长温度1170-1190℃，生长速率4.5-5.5μm/min。

2.根据权利要求1所述的硅外延片的制造方法，其具体包括以下工艺步骤：

步骤一、外延用衬底密排在高纯石墨基座上面；

步骤二、将石墨基座推入石英反应器内；

步骤三、通N₂气赶反应器内的空气，通H₂气赶反应器内的N₂气；

步骤四、加温到气相腐蚀的温度，1180-1200℃，气腐流量18-22L/min，并进行气腐；

步骤五、加温到外延生长温度，1170-1190℃，用H₂携SiHCl₃+PCl₃液体进入反应器进行外延生长；

步骤六、通H₂降温并出炉。

3.根据权利要求2所述的硅外延片的制造方法，其特征在于：

最佳工艺条件，气腐温度1190℃，气腐流量20L/min，生长温度1180℃，生长速率5μm/min，在SiHCl₃料源中加入PCl₃，混合的比例以1Kg SiHCl₃加入5ml PCl₃为宜。

4.一种根据权利要求1所述硅反外延片的制造方法专用的反外延设备，其特征在于：H₂供给源(7)、SiHCl₃和PCl₃源(8)、HCl源(9)通过气体控制系统(6)与反应器(5)相连，反应器(5)由反应器密封盖密封，反应器(5)周边布有高频加热线圈(4)，基座(2)安装于反应器(5)内。

5.根据权利要求4所述的反外延设备，其特征在于：所述反应器(5)用矩形石英管，所述基座(2)用高纯石墨表面经裂解处理，基座(2)与石英反应管(5)成5°夹角。

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