CN102945796B - 弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对半导体芯片实施高质量开管掺杂的弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管，包括管身和管口盖，管身包括外套、内衬和舟撑。本发明高温掺杂工艺过程中由舟撑支撑载片舟而无需舟铲存在于恒温区，管口盖保热性提高、管口管尾分别经流量控制计等流量排气使管内温度气压均匀，杂质源从内衬管壁上分布的弥漫孔弥漫而出、无阻挡进入恒温区使所有待掺杂芯片的整个表面同条件地接触到杂质源。使用本发明对大直径半导体芯片进行气体携带液态源掺杂，达到高的均匀性、重复性以保证大直径分立器件的电特性及特殊应用要求，同时显著提高生产成品率。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体加工技术领域，是一种对半导体芯片实施开管掺杂时用以提高均匀性、重复性的弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管。
背景技术
目前，为满足特高压直流输电工程的需求，半导体分立器件特高压晶闸管直径已达6英寸，阻断电压高于8500V，通流能力大于5000A，且需要上百只晶闸管串联组成换流阀臂。换流阀工作时不单要求每只晶闸管重复承受高电压、通过大电流，而且要求阀臂上的所有晶闸管几乎同时开通和关断。这对每一只晶闸管特性参数水平及换流阀臂所有串联晶闸管一致性要求很高。其实质是对制造过程中扩散掺杂工艺的均匀性、重复性要求很高。不仅要求每个芯片上要有均匀的杂质浓度和结深分布；而且要求同批次各芯片间、批与批之间杂质浓度和结深分布要有极高的一致性与重复性。其原因是：整个芯片上杂质浓度和结深分布中最不利于器件性能的点将劣化该晶闸管的最终特性，特性最劣的晶闸管成为上百只阀臂串联线路上的薄弱环节导致系统崩溃。分立器件面积越大、串并联器件数量越多这种效应越明显。所以大面积高均匀性、重复性掺杂技术是特高压直流输电晶闸管及其它大规模串并联应用大功率分立半导体器件制造的核心工艺技术。
长期以来，在功率半导体器件加工行业，作为关键工艺的N+发射区掺杂，传统采用气体携带液态源扩散系统。该系统工作过程如下：在舟铲上放置装有半导体芯片的载片舟伸入到扩散工艺管的恒温区内；气体携带的液态杂质源从工艺管尾端进气管通入，沉积到芯片表面上，经化学反应后杂质原子扩散进入芯片体内，携带气体及其它反 应生成气体由工艺管管盖上排气管排出。这样的扩散系统存在以下几方面的缺陷：
1、用舟铲作为装有半导体芯片的载片舟的载体，在高温掺杂过程中始终从里到外横穿工艺管像一个长条散热器造成温度梯度对工艺管内获取较长、较高精度的恒温区及其不利。
2、工艺管口由于进出半导体芯片的需要，口径较大，而且管口盖还要留一定孔径的排气管，将携带气体及其它反应生成气体由此管单方向、无压阻地排放；此外，由于舟铲与工艺管盖之间的缝隙，也会散热、漏气。而工艺管尾则只有进气通道，且开口小、密封严、无缝隙保热性较好。这种管口管尾散热保热性大不相同，管尾进气与管口排气、气流单向流动的情形有在工艺管内形成温度及气压梯度的不良趋势。
3、通源气流趋势与待掺杂芯片表面垂直，会造成两方面的不利影响：①从管尾到管口存在掺杂源浓度梯度，始终是管尾浓度高，管口浓度低；②由于芯片对气流趋势有累积阻挡作用，每个芯片的中心部位最难接触到曲折渗透过来的气相杂质源，因而杂质浓度最低。芯片面积越大，这种不均匀性越明显。
如上所述，传统的气体携带液态源掺杂系统存在固有缺陷，无法满足大直径高电压分立半导体器件扩散掺杂的技术要求。
发明内容
本发明为了克服传统气体携带液态源扩散掺杂系统的不均匀性而提供一种弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管。
本发明的技术解决方案是：一种弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管，包括管身和管口盖(4)，管身包括外套(1)、内衬(2)和舟撑(3)，外套(1)内设有内衬(2)，外套(1)与内衬(2)之间为夹层(6)，外套(1)尾端设有锥形石英管(18)，锥形石英管(18)顶部设有管尾排气管(9)串接气体流量计(10)通往排风道，锥形石英管(18)底部两端设有通源管(5)与外套(1)与内衬(2)之间的夹层(6)连通，通源管(5)连接通源枪(19)，内衬(2)壁上 恒温区段(7)设有弥漫孔(8)连接夹层(6)与内衬(2)内的腔体，内衬(2)内设有舟撑(3)，舟撑(3)上设有载片舟(14)和芯片(13)，管口盖(4)中央设有管口排气管(11)串接气体流量计(12)通往排风道，管口盖(4)中空夹层内设有隔热棉(16)，管口盖(4)外设有机械加压臂(17)，管口盖(4)密封管身端部，所述的管尾排气管(9)串接的气体流量计(10)与管口排气管(11)串接的气体流量计(12)在扩散过程中二者流量相等，且二者流量之和等于进气流量。
相对舟铲进入方向舟撑(3)支撑腿间距大于舟铲宽度，载片舟(14)底部与内衬(2)之间最小距离大于舟铲厚度。
弥漫孔(8)由管尾方向向管口方向排列，其孔径为1.0～1.75mm，中心距70～40mm，其间孔径和孔中心距均匀分布过渡。
本发明的有益效果是，高温掺杂工艺过程中由舟撑支撑载片舟而无需舟铲存在于恒温区，管口盖保热性提高、管口管尾分别经流量控制计等流量排气使管内温度气压均匀，杂质源从内衬管壁上分布的弥漫孔弥漫而出、无阻挡进入恒温区使所有待掺杂芯片的整个表面同条件地接触到杂质源。使用本发明对大直径半导体芯片进行气体携带液态源掺杂，达到高的均匀性、重复性以保证大直径分立器件的电特性及特殊应用要求，同时显著提高生产成品率。被掺杂的6英寸芯片薄层电阻标准偏差σ由以前7％下降到2％；不同芯片间的平均薄层电阻标准偏差由以前10％下降到3.5％。可见，无论是同一芯片内部，还是不同芯片间，掺杂的均匀性都有大幅度的提高，使6英寸5000A/8500V特高压晶闸管成品率由30％上升到70％，同时系统绝热性、热均匀性提高，导致耗电量减小20％。模拟表明本发明可满足8英寸分立器件开管扩散掺杂技术要求，为分立半导体器件大直径高电压化攻克关键技术堡垒。
附图说明
图1本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由工艺管身和管口盖4两大部分组成。管身包括外套1、内衬2和舟撑3，外套1内设有内衬2，外套1与内衬2之间为夹层6，外套1尾端设有锥形石英管(18)，锥形石英管(18)顶部设有管尾排气管9串接气体流量计10通往排风道，锥形石英管(18)底部两端设有通源管5与外套1与内衬2之间的夹层6连通，通源管5连接通源枪(19)，内衬2壁上恒温区段7设有弥漫孔8连接夹层6与内衬2内的腔体，内衬2内设有舟撑3，舟撑3上设有载片舟14和芯片13，管口盖4中央设有管口排气管11串接气体流量计12通往排风道，管口盖4中空夹层内设有隔热棉16，管口盖4外设有机械加压臂17，管口盖4密封管身端部。所述的管尾排气管9串接的气体流量计10与管口排气管11串接的气体流量计12由电脑控制，在扩散过程中二者流量相等、二者流量之和等于进气流量，使工艺管内气压趋于恒定。
管身制造：
所有材料为99.99％高纯石英。选取一个外径为280mm、壁厚6mm、长度为2100mm的石英管，管口横断面磨砂做成工艺管外套1。选用外径为238mm、壁厚为4mm、长度为2080mm的石英管作为内衬2，在距离其中一端口为680mm处焊接两个长60mm、厚20mm、宽30mm舟撑，在距离该舟撑710mm处再焊接两个同尺寸的舟撑，每两个面对面的舟撑弦长为210mm，并将所有4个舟撑焊接在同一水平切面上完成舟撑3制作；相对舟铲进入方向舟撑3支撑腿间距大于舟铲宽度，载片舟14底部与内衬2之间最小距离大于舟铲厚度。舟铲能将载片舟14载入、安放在舟撑3上后退出工艺管，反之亦能插入载片舟14与工艺管内衬2之间间歇托起载片舟14并运出工艺管。然后在内衬2管壁上用激光打弥散孔8，弥散孔8分布在大于恒温区长度的740mm范围内。弥散孔8直径与孔间距分为四组，各组孔径、间距分别为1.75mm、40mm，1.5mm、50mm，1.25mm、60mm，1.0mm、70mm。第一组从距离端口650mm处开始向另一端口分布延伸：第一组6圈、第二组8圈、第三组8圈、第四组6圈。用激光打孔精确控制孔径，完成弥散孔8及 内衬2制作。选取一锥形石英管，其尺寸外圆直径为280mm、壁厚6mm、轴高100mm，在锥形石英管的外圆内切处焊接两根长100mm、内径15mm，一端带标准球头15/28的通孔石英件作为通源管5，两根通孔石英件焊接方向在锥形石英管底部的圆直径两端。在锥形石英管的尖顶部焊接长50mm、内径8mm、厚度4mm的石英管通孔作为尾部管尾排气管9，完成尾部制作。最后把石英工艺管外套1、内衬2和锥形石英管焊接在一起，焊接时候保持三者同轴，且焊接牢靠。其中内衬2和外套1管身之间的夹层6为15mm，内衬2管口与外套1管口相比缩进20mm，两根通源管5组成平面与四个舟撑3组成的平面垂直。
焊接后把整体放于退火炉里进行退火以此来消除焊接可能产生的硬力，完成管身制造。使用时在管尾排气管9尾部安装气体流量计10。通源管5连接通源枪(19)。舟铲将载片舟14和芯片13载入，放置在舟撑3后退出工艺管。
带排气管的管口盖4制造：
材料同管身。首先焊接一个双层中空管口盖4，外径为300mm，中空部分的厚度为50mm、壁厚4mm。在双层中空管口盖4中心预埋管口排气管11，排气管内径为8mm、壁厚4mm，排气管一端露出60mm，并向上弯折90度，弯折高度为40mm。在管口盖4露出管口排气管11的一面上切割一填充孔15，孔径为Φ45mm，填充孔15中心位置在排气孔的正上方80mm，然后从此孔向里面填充隔热棉16，隔热棉材料为石棉。不带填充孔的双层中空管口盖4的一面做成磨砂面，完成管口盖4制造。使用时在管口排气管11上接装流量控制计12。管口盖4一侧连接机械加压臂17加压推动管口盖4贴紧在管身上。
在相同工艺条件,不同工艺管对6英寸硅单晶片连续工艺得到工艺测试数据对比如下:
传统的工艺管扩散数据如下:
数据采集区域
Claims (3)
1.一种弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管，包括管身和管口盖(4)，其特征在于：管身包括外套(1)、内衬(2)和舟撑(3)，外套(1)内设有内衬(2)，外套(1)与内衬(2)之间为夹层(6)，外套(1)尾端设有锥形石英管(18)，锥形石英管(18)顶部设有管尾排气管(9)串接气体流量计(10)通往排风道，锥形石英管(18)底部两端设有通源管(5)与外套(1)与内衬(2)之间的夹层(6)连通，通源管(5)连接通源枪(19)，内衬(2)壁上恒温区段(7)设有弥漫孔(8)连接夹层(6)与内衬(2)内的腔体，内衬(2)内设有舟撑(3)，舟撑(3)上设有载片舟(14)和芯片(13)，管口盖(4)中央设有管口排气管(11)串接气体流量计(12)通往排风道，管口盖(4)中空夹层内设有隔热棉(16)，管口盖(4)外设有机械加压臂(17)，管口盖(4)密封管身端部，所述的管尾排气管(9)串接的气体流量计(10)与管口排气管(11)串接的气体流量计(12)在扩散过程中二者流量相等，且二者流量之和等于进气流量。
2.如权利要求1所述的弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管，其特征在于：相对舟铲进入方向舟撑(3)支撑腿间距大于舟铲宽度，载片舟(14)底部与内衬(2)之间最小距离大于舟铲厚度。
3.如权利要求1所述的弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管，其特征在于：弥漫孔(8)由管尾方向向管口方向排列，其孔径为1.0～1.75mm，中心距70～40mm，其间孔径和孔中心距均匀分布过渡。
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