CN105374668A - 重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法 - Google Patents
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Abstract
重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法，属于半导体技术领域，为了解决重掺杂扩散工艺的固有缺陷，提升衬底材料片均匀性，该方法包括将原始硅单晶放入FSI自动清洗机内，使用酸性腐蚀液配合标准的SC-1/SC-2/硫酸清洗液对其进行清洗；采用高温干氧氧化工艺在硅片表面形成致密SIO2层，并针对不同的产品要求确定不同的厚度档位，厚度设置在之间；光刻腐蚀；N+预扩散，将硅片放入卧式自动高温扩散炉，使用高温恒定源扩散工艺，采用磷源作为掺杂源；N+主扩散，将硅片放入卧式自动高温扩散炉中，使用高温推结条件，即温度1280℃～1310℃，采用背面相对的摆片及快入慢出的出入炉方式操作；磷吸杂；N+氧化。
Description
技术领域
本发明涉及一种重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法，属于半导体技术领域。
背景技术
硅半导体分立器件及集成电路不断创新，制造工艺也随之更新及变化。晶体三极管的集电区、基区及发射区，是由半导体杂质扩散原理为基础工艺制备而成。通常采用Ⅲ族(硼、铝、镓)和Ⅴ族(磷、砷、锑)的半导体杂质元素作为掺杂源，选择N-、N+、P-P+、N-P+型重掺杂深扩散结的硅片作为制造功率晶体管的衬底基片，其中均匀轻掺杂的N-或P-导电类型的硅单晶成作为承受高电压的集电区，其合理的厚度及适当的电阻率是满足器件参数要求的根本。
鉴于功率晶体管反向电压参数设计N-导电类型硅单晶厚度一般在20-150μm之间，如此薄的硅片无法走完全部的工艺过程而不碎，通常衬底的最低厚度要在200μm以上，理想厚度在250μm以上。依照此厚度值直接采用N-或P-型高阻硅单晶，其结果必将芯片参数超标而报废。为此在二十世纪六十年代开始采用N-、N+型等复合结构的硅衬底来制造硅功率半导体。这种复合结构的硅衬底目前主流为两种工艺制备:其一为硅外延技术，低压小功率晶体管大都由硅外延片衬底制成，其特点为均匀性优良，过渡区窄，工艺灵活，但成本较高，外延层厚度有一定的限制。其二为硅三重扩散技术，通过把N+或P+型半导体杂质扩散掺入到N-或P-型单晶中来获得，其特点为成本较低，适合大规模制备，可用于高压大功率晶体管的制备，但均匀性一般，过渡区宽。目前硅三重扩散衬底的应用范围并不局限于硅晶体管，在高压MOS，高压IGBT，FRD二极管等领域都再拓展应用。但要求变得更加严格，尤其是均匀性方面要接近外延片的水平。
传统工艺主要由N+预扩，N+主扩及N+氧化组成，也称为三重扩散。其最主要的弊端为片内扩散浓度会呈现边缘明显高于中心区域的态势，直接影响片内的结深一致性，进而影响芯片参数的一致性。
发明内容
本发明为了解决重掺杂扩散工艺的固有缺陷，提升衬底材料片均匀性，提出一种重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法。
本发明采取的技术方案是：
如图1所示，重掺杂硅衬底高品质屏蔽扩散方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步：将原始硅单晶放入FSI自动清洗机内，使用酸性腐蚀液配合标准的SC-1/SC-2/硫酸清洗液对其进行清洗；
第二步：采用高温干氧氧化工艺在硅片表面形成致密SIO2层，并针对不同的产品要求确定不同的厚度档位，厚度设置在之间；
第三步：光刻腐蚀，光刻前采用标准的BJT一次光刻前处理工艺，包括清洗、烘片和OMR；光刻腐蚀操作，包括匀胶、光刻、腐蚀和去胶清洗；
第四步：N+预扩散，N+预扩散前采用SC-1/SC-2对硅片进行清洗；然后，将硅片放入卧式自动高温扩散炉，使用高温恒定源扩散工艺，采用磷源作为掺杂源；
第五步：N+主扩散，N+主扩散前采用SC-2对硅片进行清洗；然后，将硅片放入卧式自动高温扩散炉中，使用高温推结条件，即温度1280℃～1310℃，采用背面相对的摆片及快入慢出的出入炉方式操作；
第六步：磷吸杂，吸杂前采用SC-2对硅片进行清洗；然后，将硅片卧式自动高温扩散炉中，提高N+/P+表面杂质浓度达到1E+20以上，使用掺杂源为磷源；
第七步：N+氧化，氧化前采用SC-2对硅片进行清洗；采用水汽氧化或H2/O2合成的氧化工艺，在硅片表面生成1.5μm厚度以上的SIO2层。
本发明的有益效果是：重掺杂硅衬底高品质屏蔽扩散技术的成功开发，消除了传统N+预扩散工艺造成的硅片边缘浓度与中部浓度的固有偏差，进而使片内扩散层均匀性得到了大幅度的提升，使用本发明制备的芯片参数一致性明显提升，使大尺寸(6寸)扩散硅衬底品质提升会更加的明显，降低了在均匀性方面与外延工艺的差距，使重掺杂扩散片替代硅外延片的应用范围大幅度拓宽，相关产品的衬底成本能够下降40％，提升了终端产品市场竞争能力及性价比。
附图说明
图1：本发明重掺杂硅衬底高品质屏蔽扩散方法流程图。
图2：采用本发明重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法的工艺流程图。
图3：传统三重扩散工艺FTIR测试片内结深分布图。
图4：本发明重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法FTIR测试片内结深分布图。
图5：本发明重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法FTIR测试片内结深分布增强效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，采用重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法工艺流程，包括以下步骤：
第一步：做片前准备，对硅片进行电性参数，物理参数及外观的检验，并进行编批标识，根据打标规则及随工单要求，对硅片逐片进行打标区分；
第二步：N+预扩前处理，在FSI自动清洗机内使用酸性腐蚀液配合标准的SC-1/SC-2/硫酸清洗液进行清洗，达到在氧化前清除表面有机沾污，颗粒沾污，金属沾污及硅单晶损伤的目的。由于氧化目前采用的干氧工艺对表面状态要求十分严格，前处理的效果至关重要，是需要重点控制的工步。
第三步：预扩前氧化，采用高温干氧氧化工艺在硅片表面形成致密SIO2层，并针对不同的产品要求确定不同的厚度档位，厚度设置在之间。不同的扩散工艺形成的SIO2层在物理性质上有着较大的差别，不同的SIO2层厚度对屏蔽N+主扩散、控制主扩结深一致性起主要的调节作用，这种情况使的工艺设计及验证环节变得很复杂。在实际试验后从工艺的稳定性及均匀性上需重点考虑，我们目前选择干氧氧化工艺形成的致密SIO2层，并针对不同的产品要求确定了不同的厚度档位。
第四步：光刻腐蚀，光刻前处理，本发明采用标准的BJT一次光刻前处理工艺，包括清洗、烘片和OMR。之后进行光刻及腐蚀操作，包括匀胶、光刻、腐蚀和去胶清洗。针对工艺需求效果，光刻版的版图横向排布设计需要对应于扩散的片内浓度分布来绘制，针对不同的预扩散工艺需要设计不同的版图形状，以达到需要保存特定区域SIO2层的目的。光刻工艺的合理性直接决定产品的质量品质，通过反复的试验需要攻克侧钻、针孔和漏边等工艺瓶颈，来保证SIO2层的品质。
第五步：N+预扩散前处理，采用SC-1/SC-2对硅片进行清洗，降低硅片的金属含量及颗粒等沾污物，使硅片满足扩散入炉的相关要求。N+预扩散，将硅片放入卧式自动高温扩散炉中，使用高温恒定源扩散工艺，采用磷源作为掺杂源；N+预扩采用一齿两片及慢进快出的出入炉方式，来降低扩散缺陷及气流对工艺目的的影响，通过氧化层对扩散作用的屏蔽调节作用，降低边缘掺杂浓度，达到平衡片内电阻率的目的。
第六步：N+主扩散，主扩散前处理，采用SC-2对硅片进行清洗，降低硅片的金属含量及颗粒等沾污物，使硅片满足扩散入炉的相关要求。将硅片放入卧式自动高温扩散炉中，使用高温推结条件，即温度1280℃～1310℃，采用背面相对的摆片及快入慢出的出入炉方式操作。
第七步：磷吸杂，磷吸杂前处理，采用SC-2对硅片进行清洗，降低硅片的金属含量及颗粒等沾污物，使硅片满足扩散入炉的相关要求。磷吸杂工艺，将硅片卧式自动高温扩散炉中，提高N+/P+表面杂质浓度达到1E+20以上，使用掺杂源为磷源。
第八步：N+氧化，氧化前处理，采用SC-2对硅片进行清洗，降低硅片的金属含量及颗粒等沾污物，使硅片满足扩散入炉的相关要求。氧化工艺，采用水汽氧化或H2/O2合成的氧化工艺，在表面生产1.5μm厚度以上的SIO2层，对表面进行保护，提高衬底强度及降低翘曲的目的。
第九步：氧化后处理，取用刷片及超声清洗工艺，对硅片表面的颗粒进行有效去除，减少后续加工的划伤及暗纹隐患。
第十步：入库检验，按照产品规格要求进行相关检验，入库及出具相关质量证据。
如图3所示，传统三重扩散工艺FTIR测试片内结深分布图。如图4和图5所示，本发明的重掺杂硅衬底高品质屏蔽式扩散方法FTIR测试片内结深分布图。通过对比可见，本发明的方法消除了传统N+预扩散工艺造成的硅片边缘浓度与中部浓度的固有偏差，实现了对硅片结深的控制，进而使片内扩散层均匀性得到了大幅度的提升。
Claims (1)
1.重掺杂硅衬底高品质屏蔽扩散方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步：将原始硅单晶放入FSI自动清洗机内，使用酸性腐蚀液配合标准的SC-1/SC-2/硫酸清洗液对其进行清洗；
第二步：采用高温干氧氧化工艺在硅片表面形成致密SIO2层，并针对不同的产品要求确定不同的厚度档位，厚度设置在之间；
第三步：光刻腐蚀，光刻前采用标准的BJT一次光刻前处理工艺，包括清洗、烘片和OMR；光刻腐蚀操作，包括匀胶、光刻、腐蚀和去胶清洗；
第四步：N+预扩散，N+预扩散前采用SC-1/SC-2对硅片进行清洗；然后，将硅片放入卧式自动高温扩散炉，使用高温恒定源扩散工艺，采用磷源作为掺杂源；
第五步：N+主扩散，N+主扩散前采用SC-2对硅片进行清洗；然后，将硅片放入卧式自动高温扩散炉中，使用高温推结条件，即温度1280℃～1310℃，采用背面相对的摆片及快入慢出的出入炉方式操作；
第六步：磷吸杂，吸杂前采用SC-2对硅片进行清洗；然后，将硅片卧式自动高温扩散炉中，提高N+/P+表面杂质浓度达到1E+20以上，使用掺杂源为磷源；
第七步：N+氧化，氧化前采用SC-2对硅片进行清洗；采用水汽氧化或H2/O2合成的氧化工艺，在硅片表面生成1.5μm厚度以上的SIO2层。
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