CN103354242A - 高压功率器件用极厚外延片及其制造方法 - Google Patents

高压功率器件用极厚外延片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压功率器件用极厚外延片，包括衬底和外延层，其特征在于，所述衬底为6寸以上，所述外延层厚度为100μm以上。本发明可以有效的解决在大量的工业连续生产过程中大尺寸极厚外延在外延后晶片碎裂、边缘压痕、长晶大缺陷、厚度均匀性和电阻率均匀性差的问题，以满足器件设计后道对外延片边缘和晶片表面的需求，并且，本发明所涉及的极厚外延片可以被广泛应用于高压功率器件，所承受的电压可以高达1900V，目前，在国内，此极厚外延及所承受的高电压属于零的突破。按照本发明中的制造方法生产的用于高压功率器件的极厚外延片，厚度非均匀性可降低至2.03%。电阻率非均匀性可降低至4.24%。

Description

高压功率器件用极厚外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高压功率器件用极厚外延片及其制造方法。
背景技术
外延即在硅单晶衬底上沿原来的晶向再生长一层硅单晶薄膜的工艺。硅外延片是制作半导体分立器件的主要材料，因为它既能保证PN结的高击穿电压，又能降低器件的正向压降。一些高压功率器件对耐压的要求达到了1500V甚至更高，对应的，对于外延的厚度要求达到了100um以上，甚至到160um。
衡量外延品质有三项重要参数，分别是厚度、电阻率、表面缺陷。随着外延厚度的增加，尤其是大尺寸如6寸以上的外延片，外延层厚度和阻值均匀性都会变得难以调节，而做到完美的晶圆表面更是难上加难。
在6寸或8寸的外延上长如此厚的外延，按照传统的工艺和相关设备、物料配置制造出的外延片有以下几个缺陷：1、碎片或裂片，外延层可看做是一层一层极薄的膜累积堆叠在基板上，在外力的作用下会发生弯曲，晶片各点的温度会随着外延厚度的增加而产生越来越大的差异，当同一片晶片不同位置的温度梯度达到一定程度时即会发生破裂；2、厚度均匀性和电阻率均匀性差，已有大量的试验数据能得出，在其它条件不变的情况下，长晶厚度从40um变为100um以上，厚度均匀性从2%变差为6%，电阻率均匀性变从3%变差为8%甚至更差，这同样是由于热应力和极厚外延层的热损耗和热传递不均匀导致不同点的各种化学成分的沉积速率不一致；计算公式:厚度/电阻率非均匀性=（MAX-MIN）*100%/(MAX+MIN),MAX为晶片上不同位置9个点中最大厚度/电阻率数值，MIN为9个点中最小厚度/电阻率数值。3、表面的长晶缺陷尤其是在晶片边缘的长晶缺陷，由于外延相比于衬底的原子、分子排列松散些，表现在物理特性上即硬度不如衬底，随着外延层的不断增厚，边缘的缺陷会增多，尤其是这种大于100um的极厚外延，会在边缘长成有小丘、层错等长晶形成的大尺寸（>0.5um）缺陷；4、晶片边缘被外延长晶炉台机械手臂压伤形成压痕，这是由于极厚外延对于设备的调节要求非常高，尤其是在机械手臂放入和拿出晶片时由于晶片长晶前后的厚度差极大和长晶用的石墨坑大小不合理所造成的手臂对外延后晶片边缘的压痕。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服现有技术中的不足，提供一种高压功率器件用极厚外延片。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
高压功率器件用极厚外延片，包括衬底和外延层，其特征在于，所述衬底为6寸以上，所述外延层厚度为100μm以上。
优选地是，所述衬底为6寸或8寸。
优选地是，所述外延层厚度为100μm-199μm。
优选地是，所述外延层的厚度非均匀性小于等于5%。
优选地是，所述外延层的电阻非均匀性小于等于5%。
优选地是，所述衬底为N型衬底。
优选地是，所述N型衬底掺杂砷、磷及锑中的至少一种元素。
优选地是，所述衬底为P型衬底。
优选地是，所述P型衬底掺杂有硼元素。
本发明的目的之二是为了克服现有技术中的不足，提供一种一种高压功率器件用极厚外延片的制造方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
前述高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，包括步骤：分两步将衬底自室温升高至长晶温度，然后在衬底表面生长外延层；
第一步，以80℃-120℃/min的速度自室温升至950℃-1000℃；
第二步，以10℃-20℃/min的速度升温至长晶温度。
优选地是，所述长晶温度为1040℃～1100℃。
优选地是，以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。
优选地是，第一步，以100℃-110℃/min的速度自室温升至960℃-990℃。
优选地是，第二步，以14℃-18℃/min的速度升温至长晶温度。
优选地是，所述的衬底放置于石墨坑内长晶，所述放置6寸衬底的石墨坑直径为152mm；所述放置8寸衬底的石墨坑直径为202mm。
优选地是，所述衬底为自边缘起3mm内无大于0.3μm缺陷的衬底。
优选地是，使用LPE3061系列机型外延长晶炉完成外延长晶。
本发明涉及的目的是提供一种外延层厚度大于100μm的用于高压功率器件的极厚外延片及其制造方法，其有效的解决了上述的外延后晶片碎裂、边缘压痕、长晶缺陷、厚度均匀性和电阻率均匀性的问题。
本发明中的非均匀性=(最大值-最小值)×100%/(最大值+最小值)。
本发明可以有效的解决在大量的工业连续生产过程中大尺寸极厚外延在外延后晶片碎裂、边缘压痕、长晶大缺陷、厚度均匀性和电阻率均匀性差的问题，以满足器件设计后道对外延片边缘和晶片表面的需求，并且，本发明所涉及的极厚外延片可以被广泛应用于高压功率器件，所承受的电压可以高达1900V，目前，在国内，此极厚外延及所承受的高电压属于零的突破。按照本发明中的制造方法生产的用于高压功率器件的极厚外延片，厚度非均匀性可降低至2.03%。电阻率非均匀性可降低至4.24%。
附图说明
图1为用于高压功率器件的极厚外延片的制造方法流程图。
图2为现有技术生产的边缘存在压伤的晶圆示意图。
图3为现有技术生产的边缘存在撞伤的晶圆示意图。
图4为现有技术生产的边缘存在裂痕的晶圆示意图。
图5为本发明生产的晶圆示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明进行详细的描述：
实施例1
使用外延长晶机台为LPE3061系列机台，其内部的承载6寸、8寸晶片的基底装置，6寸外延机台包含8个石墨坑，8寸包含5个石墨坑，石墨坑用来承载所需长晶的衬底。
如图1所示，以生产8寸外延片为例，石墨坑尺寸为202mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有As的N型衬底放入石墨坑内。分两步升温，第一步，以100℃/min的速度自室温升至950℃；第二步，以10℃/min的速度升温至长晶温度1040℃，然后在衬底表面长晶形成150μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为70ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例2
如图1所示，以生产8寸外延片为例，石墨坑尺寸为202mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有磷的N型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以80℃/min的速度自室温升至980℃；第二步，以15℃/min的速度升温至长晶温度1050℃，然后在衬底表面长晶形成160μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为70ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例3
如图1所示，以生产6寸外延片为例，石墨坑尺寸为152mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有锑的N型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以110℃/min的速度自室温升至960℃；第二步，以20℃/min的速度升温至长晶温度1100℃然后在衬底表面长晶形成120μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为90ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例4
如图1所示，以生产6寸外延片为例，石墨坑尺寸为152mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有硼的P型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以120℃/min的速度自室温升至950℃；第二步，以10℃/min的速度升温至长晶温度1050℃，然后在衬底表面长晶形成180μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为100ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例5
如图1所示，以生产6寸外延片为例，石墨坑尺寸为152mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有硼的P型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以105℃/min的速度自室温升至980℃；第二步，以15℃/min的速度升温至长晶温度1050℃，然后在衬底表面长晶形成170μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为100ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例6
如图1所示，以生产6寸外延片为例，石墨坑尺寸为152mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有硼的P型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以108℃/min的速度自室温升至970℃；第二步，以16℃/min的速度升温至长晶温度1060℃，然后在衬底表面长晶形成170μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为80ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例7
如图1所示，以生产8寸外延片为例，石墨坑尺寸为202mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有硼的P型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以103℃/min的速度自室温升至990℃；第二步，以14℃/min的速度升温至长晶温度1070℃，然后在衬底表面长晶形成160μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为100ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例8
如图1所示，以生产6寸外延片为例，石墨坑尺寸为152mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有砷的N型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以102℃/min的速度自室温升至940℃；第二步，以18℃/min的速度升温至长晶温度1060℃，然后在衬底表面长晶形成150μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为90ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
实施例9
如图1所示，以生产6寸外延片为例，石墨坑尺寸为152mm。调整取片手臂，使其平行于晶片正表面且手臂距离衬底片的高度需满足大于长晶后的外延层厚度，避免手臂压伤外延片。调整外延机台温场，使得以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。将掺有砷的N型衬底放入石墨坑内，分两步升温，第一步，以107℃/min的速度自室温升至970℃；第二步，以16℃/min的速度升温至长晶温度1100℃，然后在衬底表面长晶形成140μm厚的外延层。外延层掺杂P，长晶后的外延层电阻率为60ohm·cm。长晶结束后，降温，取出外延片，结束。
以上实施例中生产的外延片，其外延层包含边缘在内外观无大于0.5um的大颗粒，且阻值均匀性和厚度均匀性均在5%以内。
在制造的外延片的外延层上，以圆心为中心均匀选择9个点，检测其电阻率和厚度，计算得出的非均匀性如下表所示。
Site1 Site2 Site3 Site4 Site5 Site6 Site7 Site8 Site9 Avg Uni
Resistivity 73.58 69.64 68.59 69.69 71.78 69.45 67.59 69.41 71.64 70.15 4.24%
Thickness 150.90 147.53 148.56 147.60 148.53 152.01 153.39 153.64 153.56 150.63 2.03%
如图5所示，以上各实施例中生产的48片晶圆，所有晶圆边缘均无撞伤、压伤；也不存在，裂痕或碎片。
对比实施例1
实施例1-9中，石墨坑直径更换为201mm和203mm后，每生产48片晶圆，晶圆1边缘存在压伤区域11的数量为30片以上，晶圆存在压伤的示意图如图2所示。
对比实施例2
实施例1-9中，石墨坑直径更换为151mm和153mm后，每生产48片晶圆，晶圆1边缘存在压伤区域11的数量为30片以上，晶圆存在压伤的示意图如图2所示。
对比实施例3
选用基板边缘3mm内存在>0.3um的颗粒，会造成的图3所示的晶圆1存在撞伤区域12。如果未按照本发明所述调整外延机台温场，最终生产的晶圆1会出现图4所示碎片或裂痕13的现象。
而且，无论压伤、撞伤、还是裂痕，并非是由以上单一原因所述造成。即使石墨坑尺寸与本发明实施例相同，如果其他工艺条件与本发明不同，仍然会出现至少10%以上的晶圆存在压伤。即使温场调节步骤与本发明实施例相同，如果其他工艺条件与本发明不同，仍然会出现至少10%以上的晶圆存在裂痕或碎片。因此，本发明各工艺步骤相互配合，才可达到生产无表面缺陷的晶圆的目标。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (15)

1.高压功率器件用极厚外延片，包括衬底和外延层，其特征在于，所述衬底为6寸以上，所述外延层厚度为100μm以上。
2.根据权利要求1所述的高压功率器件用极厚外延片，其特征在于，所述衬底为6寸或8寸。
3.根据权利要求1所述的高压功率器件用极厚外延片，其特征在于，所述外延层厚度为100μm-199μm。
4.根据权利要求1所述的高压功率器件用极厚外延片，其特征在于，所述外延层的厚度非均匀性小于等于5%。
5.根据权利要求1所述的高压功率器件用极厚外延片，其特征在于，所述外延层的电阻非均匀性小于等于5%。
6.根据权利要求1所述的高压功率器件用极厚外延片，其特征在于，所述衬底为N型衬底；，所述N型衬底掺杂砷、磷及锑中的至少一种元素。
7.根据权利要求1所述的高压功率器件用极厚外延片，其特征在于，所述衬底为P型衬底；所述P型衬底掺杂有硼元素。
8.权利要求1-7任一权利要求所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，包括步骤：分两步将衬底自室温升高至长晶温度，然后在衬底表面生长外延层；
第一步，以80℃-120℃/min的速度自室温升至950℃-1000℃；
第二步，以10℃-20℃/min的速度升温至长晶温度。
9.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，所述长晶温度为1040℃～1100℃。
10.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，以衬底圆心为中心，150mm范围内的温度差小于等于5℃。
11.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，第一步，以100℃-110℃/min的速度自室温升至960℃-990℃。
12.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，第二步，以14℃-18℃/min的速度升温至长晶温度。
13.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，所述的衬底放置于石墨坑内长晶，所述放置6寸衬底的石墨坑直径为152mm；所述放置8寸衬底的石墨坑直径为202mm。
14.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，所述衬底为自边缘起3mm内无大于0.3μm缺陷的衬底。
15.根据权利要求8所述的高压功率器件用极厚外延片的制造方法，其特征在于，使用LPE3061系列机型外延长晶炉完成外延长晶。
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