CN104319235A - 一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法。通过优化现有工艺，抑制自掺杂效应，提高了外延片厚度及电阻率参数的均匀性，降低了晶体缺陷的发生的概率，以满足器件的使用要求，大大提高快速恢复二极管器件的可靠性与成品率。制备的硅外延片的厚度不均匀性<1%，电阻率不均匀性<2%，无晶格缺陷，过渡区宽度<4um，在参数上完全满足器件对硅外延材料的要求。该硅外延产品现已得到了用户的一致认可，极大推进国产快速恢复二极管器件性能的提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的制备工艺技术，尤其涉及一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法。
背景技术
快速恢复二极管具有快速开通和高速关断的能力，其反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压较高。快速恢复二极管主要应用于脉宽调制器、变频调速器、超声波电源、开关电源等高频大功率电子电路中。硅外延片作为制备快速恢复二极管器件的关键基础材料，衡量其性能有三项重要参数，分别是厚度、电阻率和表面缺陷。目前普遍要求外延层厚度不均匀性≤3%，电阻率不均匀性≤5%，同时无晶格缺陷，外延层与衬底之间形成的过渡区宽度≤外延层厚度的15%。
目前，制备硅外延片的通用方法是化学气相外延生长，即利用三氯氢硅(SiHCl3)和氢气等气态物质在高温环境下反应后，在硅单晶衬底的表面上淀积单晶薄层。由于该方法可以对外延层的晶体结构、几何参数和电学参数实现良好的控制，因而得到了最广泛的应用。快速恢复二极管用硅外延片需要在重掺杂硅衬底上生长高阻外延层，受衬底杂质挥发的自掺杂效应的影响，制备电阻率均匀性高且过渡区窄的外延层比较困难，尤其在所需的外延层厚度较厚，生长时间较长时，获得高电阻率均匀性、窄过渡区宽度的外延层的工艺难度更大。因此需通过优化现有外延工艺，加强对自掺杂效应的有效抑制，以成功实现满足器件要求的外延片。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速恢复二极管器件用硅外延片的制造方法，通过优化现有工艺，抑制自掺杂效应，提高了外延片厚度及电阻率参数的均匀性，降低了晶体缺陷的发生的概率，以满足器件的使用要求，大大提高快速恢复二极管器件的可靠性与成品率。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种快速恢复二极管器件用硅外延片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一.先利用HCl在高温下对外延炉基座进行刻蚀，以去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1120~1150℃，HCl气体流量设定为1~3 L/min，刻蚀时间设定为3~5 min，随后对基座重新包上一层本征多晶硅，生长原料为三氯氢硅气体，流量设定为30~35 g/min，时间设定为10~15 min；
步骤二.在外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体8~10分钟，气体流量设定为100~150 L/min；
步骤三.对硅衬底片表面进行气相抛光，采用氢气输送抛光气体HCl进入反应腔室，氢气流量设定为250~300 L/min，HCl流量设定为1~3 L/min，温度设定为1150~1200℃，抛光时间设定为2~3 min；
步骤四.在氢气环境下对硅衬底片进行高温烘焙，以去除衬底表面的杂质，氢气气体流量设定为280~320 L/min，烘焙温度设定为1120~1150℃，烘焙时间设定为2~5 min；
步骤五.在硅衬底上生长硅本征层，生长温度设定为1120~1150℃，采用氢气输送生长原料三氯氢硅气体进入反应腔室，氢气流量设定为250~300 L/min，三氯氢硅流量设定为14~16 g/min，生长速率控制在0.6~1 μm/min，生长时间为1~3 min；
步骤六.采用HCl气体刻蚀掉受自掺杂严重的本征层表层，减小自掺杂效应，HCl流量设定为3~5 L/min，抛光时间设定为10~12 min；
步骤七.进行所需掺杂外延层的生长，生长温度设定为1120~1150℃，外延炉基座转速控制在2.0~3.0 r/min，外延炉的基座顶盘距基座的高度控制在45~50 mm，用氢气输送三氯氢硅和掺杂剂PH3气体进入反应腔室，氢气流量控制在300~350 L/min，三氯氢硅流量设定为25~30 g/min，掺杂剂PH3的纯度为50 ppm，PH3流量设定为32~34 sccm，掺杂外延层生长速率控制在1~1.2 μm/min；
步骤八.掺杂外延层生长达到预定厚度后降温，将氮气和氢气流量设定为100~150 L/min，吹扫外延炉反应腔室5~10分钟；
步骤九.将外延片从基座上取出，利用红外线测试法对外延层的厚度及均匀性进行测量，利用CV测试法对硅外延片的电阻率及其均匀性进行测量，利用扩展电阻技术测量外延层的过渡区的宽度。
本发明的有益效果是，提供了一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法，通过对现有工艺的优化，制备的硅外延片的厚度不均匀性<1%，电阻率不均匀性<2%，无晶格缺陷，过渡区宽度<4 um，在参数上完全满足器件对硅外延材料的要求。该硅外延产品现已得到了用户的一致认可，极大推进国产快速恢复二极管器件性能的提高。
附图说明
图1是实施例1获得的外延片的过渡区测试结果；
图2是实施例2获得的外延片的过渡区测试结果；
图3是实施例3获得的外延片的过渡区测试结果；
图4是实施例4获得的外延片的过渡区测试结果。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
本发明所用的外延炉为PE-2061S型常压桶式外延炉；HCl气体纯度≥99.99；三氯氢硅气体纯度≥99.95%；氮气和氢气气体纯度均≥99.999%。
实施例1
（1）先利用HCl在高温下对外延炉基座进行刻蚀，以去除基座上的残余沉积物，温度设定为1120℃，HCl气体流量设定为3 L/min，刻蚀时间设定为5 min，随后对基座重新包上一层本征多晶硅，生长原料为三氯氢硅气体，流量设定为35 g/min，时间设定为10 min。
（2）在外延炉基座片坑内装入硅衬底片，硅片导电类型为N型，晶向为<111>，电阻率为0.002 Ω?cm，厚度为525 μm，直径为125 mm。依次利用氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体10分钟，气体流量设定为100 L/min。
（3）对硅衬底片表面进行气相抛光，温度设定为1150℃，采用氢气输送抛光气体HCl进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，HCl流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3 min。
（4）在氢气环境下对硅衬底片进行高温烘焙，以去除衬底表面的杂质。烘焙温度设定为1130℃，烘焙时间设定为3 min，氢气气体流量设定为300 L/min。
（5）在硅衬底上生长硅本征层，生长温度设定为1130℃，采用氢气输送生长原料三氯氢硅（SiHCl3）气体进入反应腔室，氢气流量设定为300L/min，SiHCl3流量设定为15 g/min，生长速率控制在0.8 μm/min，生长时间为1 min。
（6）采用HCl气体刻蚀掉受自掺杂严重的本征层表层，减小自掺杂效应，HCl流量设定为5 L/min，抛光时间设定为11 min。
（7）进行所需掺杂外延层的生长，生长温度设定为1130℃，外延炉基座转速控制在3.0 r/min，外延炉的基座顶盘距基座的高度控制在45 mm。用氢气输送三氯氢硅和掺杂剂PH3气体进入反应腔室，氢气流量控制在320 L/min，三氯氢硅流量设定为28 g/min，生长速率控制在1.1 μm/min，掺杂剂PH3的纯度为50ppm，流量设定为33 sccm。
（8）掺杂外延层生长达到预定厚度后降温，将氮气和氢气流量设定为150 L/min吹扫外延炉反应腔室8分钟。
（9）将外延片从基座上取下，利用Nicolet 6700红外厚度测试仪获得硅外延片的厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪获得硅外延片的电阻率及其均匀性，利用SRP 2000 扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底的过渡区的宽度。
以上实施例1制得的硅外延层的导电类型为N型，外延片表面光亮，无缺陷，厚度平均值为38.742 μm，厚度不均匀性为0.811%，电阻率平均值为18.1686 Ω?cm，电阻率不均匀性为1.545%，过渡区测试结果如图1所示，宽度为3.11 μm，界面分布陡峭，所制硅外延片的参数满足快速恢复二极管器件的指标要求。
实施例2
（1）先利用HCl在高温下对外延炉基座进行刻蚀，以去除基座上的残余沉积物，温度设定为1120℃，HCl气体流量设定为2 L/min，刻蚀时间设定为4 min，随后对基座重新包上一层本征多晶硅，生长原料为三氯氢硅气体，流量设定为35 g/min，时间设定为10 min。
（2）在外延炉基座片坑内装入硅衬底片，硅片导电类型为N型，晶向为<111>，电阻率为0.002 Ω?cm，厚度为525 μm，直径为125 mm。依次利用氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体8分钟，流量设定为120 L/min。
（3）对硅衬底片表面进行气相抛光，温度设定为1180℃，采用氢气输送抛光气体HCl进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，HCl流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3 min。
（4）在氢气环境下对硅衬底片进行高温烘焙，以去除衬底表面的杂质。烘焙温度设定为1150℃，烘焙时间设定为5 min，氢气流量设定为300 L/min。
（5）在硅衬底上生长硅本征层，生长温度设定为1130℃，采用氢气输送生长原料三氯氢硅（SiHCl3）气体进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，SiHCl3流量设定为15 g/min，生长速率控制在0.8 μm/min，生长时间为1 min。
（6）采用HCl气体刻蚀掉受自掺杂严重的本征层表层，减小自掺杂效应，HCl流量设定为3 L/min，抛光时间设定为12 min。
（7）进行所需掺杂外延层的生长，生长温度设定为1130℃，外延炉基座转速控制在3.0 r/min，外延炉的基座顶盘距基座的高度控制在45 mm。用氢气输送三氯氢硅和掺杂剂PH3气体进入反应腔室，氢气流量控制在300 L/min，三氯氢硅流量设定为29 g/min，生长速率控制在1.1 μm/min，掺杂剂PH3的纯度为50ppm，流量设定为33 sccm。
（8）掺杂外延层生长达到预定厚度后降温，将氮气和氢气流量设定为100 L/min吹扫外延炉反应腔室8分钟，
（9）将外延片从基座上取下，利用Nicolet 6700红外厚度测试仪获得硅外延片的厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪获得硅外延片的电阻率及其均匀性，利用SRP 2000 扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底的界面过渡区的宽度。
以上实施例2制得的硅外延片表面光亮，无缺陷，厚度平均值为38.758 μm，厚度不均匀性为0.877%，电阻率平均值为18.1812 Ω?cm，电阻率不均匀性为1.206%，过渡区测试结果如图2所示，宽度为2.56 μm，界面分布陡峭，所制硅外延片的参数满足快速恢复二极管器件的指标要求。
实施例3
（1）先利用HCl在高温下对外延炉基座进行刻蚀，以去除基座上的残余沉积物，温度设定为1120℃，HCl气体流量设定为3 L/min，刻蚀时间设定为5 min，随后对基座重新包上一层本征多晶硅，生长原料为三氯氢硅气体，流量设定为35 g/min，时间设定为10 min。
（2）在外延炉基座片坑内装入硅衬底片，硅片导电类型为N型，晶向为<111>，电阻率为0.002 Ω?cm，厚度为525 μm，直径为125 mm。依次利用氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体8分钟，氮气和氢气纯度均≥99.999%，流量设定为100 L/min。
（3）对硅衬底片表面进行气相抛光，温度设定为1150℃，采用氢气输送抛光气体HCl进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，HCl流量设定为2 L/min，抛光时间设定为3 min；
（4）在氢气环境下对硅衬底片进行高温烘焙，以去除衬底表面的杂质。烘焙温度设定为1150℃，烘焙时间设定为4 min，氢气气体流量设定为280 L/min。
（5）在硅衬底上生长硅本征层，生长温度设定为1150℃，采用氢气输送生长原料三氯氢硅（SiHCl3）气体进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，SiHCl3流量设定为16 g/min，生长速率控制在1 μm/min，生长时间为1 min。
（6）采用HCl气体刻蚀掉受自掺杂严重的本征层表层，减小自掺杂效应，HCl流量设定为5 L/min，抛光时间设定为12 min。
（7）进行所需掺杂外延层的生长，生长温度设定为1130℃，外延炉基座转速控制在3.0 r/min，外延炉的基座顶盘距基座的高度控制在45 mm。用氢气输送三氯氢硅和掺杂剂PH3气体进入反应腔室，氢气流量控制在320 L/min，三氯氢硅流量设定为30 g/min，生长速率控制在1.2 μm/min，掺杂剂PH3的纯度为50ppm，流量设定为33.2 sccm。
（8）掺杂外延层生长达到预定厚度后降温，将氮气和氢气流量设定为150 L/min吹扫外延炉反应腔室8分钟。
（9）将外延片从基座上取下，利用Nicolet 6700红外厚度测试仪获得硅外延片的厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪获得硅外延片的电阻率及其均匀性，利用SRP 2000 扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底的过渡区的宽度。
以上实施例3制得的硅外延片表面光亮，无缺陷，厚度平均值为38.772 μm，厚度不均匀性为0.901%，电阻率平均值为18.2566 Ω?cm，电阻率不均匀性为0.879%，过渡区测试结果如图3所示，宽度为2.03 μm，分布陡峭，所制硅外延片的参数满足快速恢复二极管器件的指标要求。
实施例4
（1）先利用HCl在高温下对外延炉基座进行刻蚀，以去除基座上的残余沉积物，温度设定为1130℃，HCl流量设定为2 L/min，刻蚀时间设定为3 min，随后对基座重新包上一层本征多晶硅，生长原料为三氯氢硅气体，流量设定为35 g/min，时间设定为10 min。
（2）在外延炉基座片坑内装入硅衬底片，硅片导电类型为N型，晶向为<111>，电阻率为0.002 Ω?cm，厚度为525 μm，直径为125 mm。依次利用氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体8分钟，氮气和氢气纯度均≥99.999%，流量设定为150 L/min。
（3）对硅衬底片表面进行气相抛光，温度设定为1150℃，采用氢气输送抛光气体HCl进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，HCl流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3 min；
（4）在氢气环境下对硅衬底片进行高温烘焙，以去除衬底表面的杂质，烘焙温度设定为1150℃，烘焙时间设定为5 min，氢气气体流量设定为300 L/min。
（5）在硅衬底上生长硅本征层，生长温度设定为1130℃，采用氢气输送生长原料三氯氢硅（SiHCl3）气体进入反应腔室，氢气流量设定为300 L/min，SiHCl3流量设定为15 g/min，生长速率控制在0.8 μm/min，生长时间为1 min。
（6）采用HCl气体刻蚀掉受自掺杂严重的本征层表层，减小自掺杂效应，HCl流量设定为5 L/min，抛光时间设定为11 min。
（7）进行所需掺杂外延层的生长，生长温度设定为1130℃，外延炉基座转速控制在3.0 r/min，外延炉的基座顶盘距基座的高度控制在45 mm。用氢气输送三氯氢硅和掺杂剂PH3气体进入反应腔室，氢气流量控制在320 L/min，三氯氢硅流量设定为30 g/min，掺杂外延层生长速率控制在1.2 μm/min，掺杂剂PH3的纯度为50ppm，流量设定为33.3 sccm。
（8）掺杂外延层生长达到预定厚度后降温，将氮气和氢气流量设定为150 L/min，吹扫外延炉反应腔室8分钟。
（9）将外延片从基座上取下，利用Nicolet 6700红外厚度测试仪获得硅外延片的厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪获得硅外延片的电阻率及其均匀性，利用SRP 2000 扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底的过渡区的宽度。
以上实施例4制得的硅外延层的导电类型为N型，外延片表面光亮，无缺陷，厚度平均值为38.762 μm，厚度不均匀性为0.804%，电阻率平均值为18.2371 Ω?cm，电阻率不均匀性为0.712%，过渡区测试结果如附图4所示，宽度为1.78 μm，界面分布陡峭，所制硅外延片的参数完全满足快速恢复二极管器件的指标要求。并且与实施例1、实施例2和实施例3相比，在其相应的工艺条件下，实施例4所制得的硅外延片的厚度和电阻率不均匀性更低，过渡区宽度更窄。因此，实施例4为本发明的最佳实施例。
Claims (4)
1.一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一.先利用HCl在高温下对外延炉基座进行刻蚀，以去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1120~1150℃，HCl气体流量设定为1~3 L/min，刻蚀时间设定为3~5 min，随后对基座重新包上一层本征多晶硅，生长原料为三氯氢硅气体，流量设定为30~35 g/min，时间设定为10~15 min；
步骤二.在外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体8~10分钟，气体流量设定为100~150 L/min；
步骤三.对硅衬底片表面进行气相抛光，采用氢气输送抛光气体HCl进入反应腔室，氢气流量设定为250~300 L/min，HCl流量设定为1~3 L/min，温度设定为1150~1200℃，抛光时间设定为2~3 min；
步骤四.在氢气环境下对硅衬底片进行高温烘焙，以去除衬底表面的杂质，氢气气体流量设定为280~320 L/min，烘焙温度设定为1120~1150℃，烘焙时间设定为2~5 min；
步骤五.在硅衬底上生长硅本征层，生长温度设定为1120~1150℃，采用氢气输送生长原料三氯氢硅气体进入反应腔室，氢气流量设定为250~300 L/min，三氯氢硅流量设定为14~16 g/min，生长速率控制在0.6~1 μm/min，生长时间为1~3 min；
步骤六.采用HCl气体刻蚀掉受自掺杂严重的本征层表层，减小自掺杂效应，HCl流量设定为3~5 L/min，抛光时间设定为10~12 min；
步骤七.进行所需掺杂外延层的生长，生长温度设定为1120~1150℃，外延炉基座转速控制在2.0~3.0 r/min，外延炉的基座顶盘距基座的高度控制在45~50 mm，用氢气输送三氯氢硅和掺杂剂PH3气体进入反应腔室，氢气流量控制在300~350 L/min，三氯氢硅流量设定为25~30 g/min，掺杂剂PH3的纯度为50ppm，PH3流量设定为32~34 sccm，掺杂外延层生长速率控制在1~1.2 μm/min；
步骤八.掺杂外延层生长达到预定厚度后降温，将氮气和氢气流量设定为100~150 L/min，吹扫外延炉反应腔室5~10分钟；
步骤九.将外延片从基座上取出，利用红外线测试法对外延层的厚度及均匀性进行测量，利用CV测试法对硅外延片的电阻率及其均匀性进行测量，利用扩展电阻技术测量外延层的过渡区的宽度。
2.根据权利要求1所述的一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法，其特征在于：所用的外延炉为PE-2061S型常压桶式外延炉。
3.根据权利要求1所述的一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法，其特征在于：HCl气体纯度≥99.99%，三氯氢硅气体纯度≥99.95%。
4.根据权利要求1所述的一种快速恢复二极管用硅外延片的制造方法，其特征在于：氮气和氢气气体纯度均≥99.999%。
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