CN101908486B - 将中子嬗变掺杂横向磁场直拉硅用于半导体器件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种将中子嬗变掺杂横向磁场直拉硅用于大功率半导体器件的方法。将原始硅棒的头、尾各切成厚度为2mm的硅片，使用红外光谱仪检测硅片的氧碳含量及电阻率作为原始辐照参数，用核反应堆对原始硅棒进行中子辐照后，在硅棒上下表面各切成厚度为2mm的硅片，加温至800℃退火，然后检测硅片的氧碳含量和目标电阻率，按大功率器件使用要求，将辐照后的硅棒切成要求规格硅片，进行分档，然后投入半导体器件工艺；在用第一道抄沙工艺进行抄沙后，依照硅片加工工艺，进行Al和Ga的预沉积处理。制作半导体大功率晶闸管工艺流程步骤如下：清洗抄沙→Al、Ga的预沉积处理→主扩→刻磷→磷扩→氧化→刻硼→硼扩散→刻蚀→蒸铝→检测→电子辐照→管芯成品。
Description
技术领域
本发明涉及一种将中子嬗变掺杂横向磁场直拉硅用于大功率半导体器件的方法，具体的说是涉及一种新型半导体材料的生长方法及用于大功率半导体器件工艺硅片深结双面外吸杂处理的方法，属于半导体材料应用领域。
背景技术
现有的传统硅材料制造方法中，主要是以直拉硅(CZSi)与区熔硅(FZSi)为主，将硅材料应用在大功率器件的早期(第一代)绝大多数使用的是区熔硅(FZSi)。早在50年代，美国杂志【Physics Rev.1954(96)】第833页曾公开发表了直拉硅(CZSi)氧杂质引起的电活性导致电参数严重漂移的现象。随着科学需要的不断发展和进步，半导体器件功率容量的不断增大，在70年代产生了不同于常规化学掺杂的中子嬗变掺杂(NTD)方法，早期被称做NTDSi。目前，国内的中子辐照技术，一般是给定(晶锭)直径、高度以及上、下断面的本征电阻率值，即可非常准确击中目标电阻率。早期的直拉硅(CZSi)比区熔硅(FZSi)其主要杂质含量均高于1～2数量级，导致半导体领域的学者对重金属杂质的剩余放射性产生担忧，致使区熔硅(FZSi)在半导体大功率器件领域(SCR、GTO等双极型)一统天下的局面(直至到80年代)。由于大直径的区熔硅(FZSi)不易生产，尤其是<100>晶向、<110>晶向比<111>晶向生长困难，机械强度差，而直拉硅(CZSi)采用的相关技术(如涂层坩埚，高纯源)除氧碳主要杂质外，已接近了区熔硅(FZSi)的水平。NTDCZSi已在小功率器件领域取代NTDFZSi，但是在半导体大功率器件领域，由于氧施主的产生，容易造成基区电阻率下降，导致击穿电压下降过多。另外，在传统的外吸杂工艺中，由于硅片硼、磷、镓及粗糙的表面具有吸收杂质的作用，杂质总是被吸收到硅片表面，良好的吸杂可以把杂质从一面吸收到另一面，但是采用该外吸杂工艺其吸收杂质的速度较慢，达不到更好改善半导体器件性能的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供了一种将中子嬗变掺杂横向磁场直拉硅用于大功率半导体器件的方法；本发明的目的在于使用横向磁场控制氧杂质到4×1017cm-3以下，碳控制在[Cs]＜1016cm-3，使氧施主不再产生，用NTDHMCZSi取代NTDFZSi，提高微区均匀性，有利于直拉硅(CZSi)超大直径生长，为大功率半导体器件的生产开辟新的领域；本发明的目的还在于利用硅片中子辐照空位与金属杂质相互作用，加快深结双面外吸杂速度，从而可改善半导体器件的性能。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术手段来实现的：
将原始硅棒的头、尾各切成厚度为2mm的硅片，使用红外光谱仪检测硅片的氧碳含量及电阻率作为原始辐照参数，然后使用核反应堆对原始硅棒进行中子辐照，中子将原始硅棒辐照完成后，再在硅棒的上、下表面各切成厚度为2mm的硅片，使用高温炉将硅片加温至800℃退火处理，退火时间为30分钟，然后使用检测仪器检测硅片的氧碳含量和目标电阻率，按大功率半导体器件的使用要求，将中子辐照后的硅棒切成工艺生产要求规格的硅片，然后进行分档，不再使用其它设备对硅片进行热处理(无预退火工艺)，直接投入半导体器件工艺；在使用第一道抄沙工艺进行抄沙后，依照硅片加工的原工艺的高于1000℃的炉中，进行Al和Ga的预沉积处理。
所述的原始硅棒为：[Oi]≤4×1017cm-3；[Cs]＜1016cm-3横向磁场拉晶硅棒。
中子辐照空位有利于金属杂质的替位反应，完成第一步深结双面快速外吸杂，减少热处理的步骤，降低硅片的沾污和生产成本，明显改善半导体器件的耐压及通态压降和门极的电流。
将加工完成后的硅片用于制作半导体大功率晶闸管的工艺流程步骤如下：
清洗抄沙→Al、Ga的预沉积处理→主扩→刻磷→磷扩→氧化→刻硼→硼扩散→刻蚀→蒸铝→检测→电子辐照→管芯成品在Al、Ga的预沉积处理过程中，炉温温度高于1000℃，主扩过程中每分钟升温4℃，加热时间为1140分钟，将炉温维持在1280℃，磷扩过程中的炉温维持在1150℃，在氧化过程中的炉温维持在1000℃，在硼扩散过程中4小时内的炉温维持在1190℃。
本发明主要具有以下有益效果：
1、使用横向磁场控制氧杂质到4×1017cm-3以下，碳控制在[Cs]＜1016cm-3，使氧施主不再产生，用NTDHMCZSi取代NTDFZSi，提高微区均匀性，有利于磁场直拉硅超大直径生长，为大功率半导体器件的生产开辟新的领域；
2、利用硅片中子辐照空位与金属杂质相互作用，加快深结双面外吸杂速度，从而可改善半导体器件的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图是半导体大功率晶闸管的结构图。
具体实施方式 实施例
将原始硅棒头、尾各切成厚度为2mm的硅片，使用红外光谱仪检测硅片的氧碳含量及电阻率作为原始辐照参数，然后使用核反应堆对原始硅棒进行中子辐照，中子将原始硅棒辐照完成后，再在硅棒的上、下表面各切成厚度为2mm的硅片，使用高温炉将硅片加温至800℃退火处理，退火时间为30分钟，然后使用检测仪器检测硅片的氧碳含量和目标电阻率，按大功率半导体器件的使用要求，将中子辐照后的硅棒切成工艺生产要求规格的硅片，然后进行分档，不再使用其它设备对硅片进行热处理(无预退火工艺)，直接投入半导体器件工艺；在使用第一道抄沙工艺进行抄沙后，依照硅片加工的原工艺的高于1000℃的炉中，进行Al和Ga的预沉积处理。
所述的原始硅棒为：[Oi]≤4×1017cm-3；[Cs]＜1016cm-3横向磁场拉晶硅棒。
中子辐照空位有利于金属杂质的替位反应，完成第一步深结双面快速外吸杂，减少热处理的步骤，降低硅片的沾污和生产成本，明显改善半导体器件的耐压及通态压降和门极的电流。
实施例1
<111>晶向大功率晶闸管材料NTDHMCZSi无预退火工艺：
目标电阻率ρ＝100～130Ωcm Φ76.2±0.5mm
硅片厚度0.64±0.01mm
氧[Oi]＝(4-6)×1017cm-3[Cs]＜2×1016cm-3
孔道0.264，时间34.42h，通量0.32712×1018n/s·cm2
将加工完成后的硅片用于制作半导体大功率晶闸管的工艺：
清洗抄沙→Al、Ga的预沉积处理→主扩→刻磷→磷扩→氧化→刻硼→硼扩散→刻蚀→蒸铝→检测→电子辐照→管芯成品
在Al、Ga的预沉积处理过程中，炉温温度高于1000℃，在主扩过程中每分钟升温4℃，加热时间为1140分钟，将炉温维持在1280℃，磷扩过程中的炉温维持在1150℃，在氧化过程中的炉温维持在1000℃，在硼扩散过程中4小时内的炉温维持在1190℃。
大功率晶闸管器件电参数如下表所示：
设计电压2800V，电流3000A
注：“——”表示测高温时，由于测量人员用手掀而使管芯破裂，不是材料与器件工艺本身的问题。
实施例2
采用预退火工艺时，同一器件NTDFZSi <111>晶向大功率晶闸管材料预退火工艺：
目标电阻率ρ＝110±10％Ωcm Φ76.2±0.5mm
硅片厚度0.64±0.01mm
孔道0.264
时间34.42h
通量0.32712×1018n/s·cm2
【NTDFZSi】SCR器件投片75片测试72片统计数据如下：
注：高压U＝2800V；低压1000V≤U≤2300V；合格2300V≤U≤2800V
【NTDFZSi】SCR器件的电参数如下：
从以上两组实验数据可以看出
(1)、NTDHMCZSi在没有电子辐照前，正反向转折电压分别达到理论设计值的90％以上，除抽出8片以外，这10片的电压合格率达100％，而且高压达到30％这说明该档次SCR器件用NTDHMCZSi材料是成功的。
(2)、同一<111>器件用NTDFZSi与NTDHMCZSi对比说明，通态压降及门极电流前者不如后者，表明未预退火和预退火工艺相比，外吸杂起了很大作用。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、低氧[Oi]＜4×1017cm-3，[Cs]＜1016cm-3NTDHMCZSi最适宜做高反压半导体大功率器件(大功率晶闸管SCR，GTO)
A.强烈抑制熔体热对流，为HMCZSi超大直径生长提供优良的控制手段；
B.HMCZSi杂质分布均匀，消除了杂质条纹；
C.HMCZSi氧含量在(0.2～4)×1017cm-3连续可调；
D.提高晶体强度及热稳定性，微区均匀性；
E.由于横向磁场抑制坩埚熔体反应，杂质进一步降低，少数载流子热稳定性好；
F.容易实现高度自动化。
2、硅棒(HMCZSi)采用中子辐照后，不再需任何热处理，可直接分档切片，由大功率半导体器件工艺第一道热处理完成一步深结快速外吸杂过程，这样可减少热处理步骤及杂质沾污，大大提高大功率半导体器件的性能。
Claims (1)
1.一种将中子嬗变掺杂横向磁场直拉硅用于大功率半导体器件的方法，其特征是：将原始硅棒的头、尾各切成厚度为2mm的硅片，使用红外光谱仪检测硅片的氧碳含量及电阻率作为原始辐照参数，然后使用核反应堆对原始硅棒进行中子辐照，中子将原始硅棒辐照完成后，再在硅棒的上、下表面各切成厚度为2mm的硅片，使用高温炉将硅片加温至800℃退火处理，退火时间为30分钟，然后使用检测仪器检测硅片的氧碳含量和目标电阻率，按大功率半导体器件的使用要求，将中子辐照后的硅棒切成工艺生产要求规格的硅片，然后进行分档，不再使用其它设备对硅片进行热处理，直接投入半导体器件工艺；在使用第一道抄沙工艺进行抄沙后，依照硅片加工的原工艺的高于1000℃的炉中，进行Al和Ga的预沉积处理；
所述的原始硅棒为：[Oi]≤4×1017cm-3；[Cs]＜1016cm-3横向磁场拉晶硅棒；
将加工完成后的硅片用于制作半导体大功率晶闸管的工艺流程步骤如下：
清洗抄沙→Al、Ga的预沉积处理→主扩→刻磷→磷扩→氧化→刻硼→硼扩散→刻蚀→蒸铝→检测→电子辐照→管芯成品
在Al、Ga的预沉积处理过程中，炉温温度高于1000℃，主扩过程中每分钟升温4℃，加热时间为1140分钟，将炉温维持在1280℃，磷扩过程中的炉温维持在1150℃，在氧化过程中的炉温维持在1000℃，在硼扩散过程中4小时内的炉温维持在1190℃。
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