CN106449382A - 一种改善igbt磷扩散均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善IGBT磷扩散均匀性的方法，包括：将磷扩散炉升温至680℃～720℃，通入流量为15slm～30slm的氮气，将放置有需磷扩散的IGBT芯片的小舟推入所述磷扩散炉内；调温至800℃～850℃，通入流量为15slm～30slm的氮气和流量为500sccm～2000sccm的氧气，炉内的APC压力控制在0.05KPA～0.3KPA，在所述IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层；保持温度、压力和氮气流量不变，进行第一次磷扩散。所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，通过在IGBT芯片表面形成氧化阻挡层，提升磷扩散的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，特别是涉及一种改善IGBT磷扩散均匀性的方法。
背景技术
由于IGBT出具备DMOS输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、易电压控制、热稳定好、驱动电路简单、易于集成等特点外，通过集电极空穴注入的电导调制效应，大大降低了导通电阻，减少了通态功耗。目前功率IGBT已广泛应用于变频家电、风能发电、机车牵引、智能电网等领域是一种性能优良的功率器件、市场前景广阔。其应用的制约因素是成本较高，其电学性能还有进一步提高的可能，因此对于公益研发人员来说，如何改善IGBT的电学性能，降低生产成本是至关重要的。
而在IGBT的工艺生产中，磷扩工艺是其中最关键的技术之一。磷扩工艺只要是指N+区磷扩工艺，N+区的电学特性及结构特性对芯片的性能如Vgeth、Vceon等有重要影响。现有技术中主要使用液态三氯氧磷源为掺杂源，由于其掺杂的目的以形成PN结的浓度梯度差为主，用来评估这项工艺是否满足要求的指标比较单一，一般采用统计监控平均值以及均匀性进行比较。这类磷扩散工艺的最大问题是较差的均匀性，采用三氯氧磷液态源的扩散方式，无论是片内、片间还是批间，都存在极差大、分布离散、重复性不高的现象，进而影响产品成品率，造成生产周期加长、原材料浪费和生产成本提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善IGBT磷扩散均匀性的方法，提高磷扩散的均匀性，提高和控制IGBT芯片内的磷扩散的浓度和均匀性，保证表面掺杂浓度，使大量杂质扩散且符合浅结及窄杂质分布，起到了对杂质起到分凝吸杂效果，保证PN结一致性，提高工艺的优良率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种改善IGBT磷扩散均匀性的方法，包括：
步骤1，将磷扩散炉升温至680℃～720℃，通入流量为15slm～30slm的氮气，将放置有需磷扩散的IGBT芯片的小舟推入所述磷扩散炉内；
步骤2，将所述磷扩散炉调温至800℃～850℃，通入流量为15slm～30slm的氮气和流量为500sccm～2000sccm的氧气，所述磷扩散炉内的APC压力控制在0.05KPA～0.3KPA，在所述IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层；
步骤3，保持所述磷扩散炉的温度、压力和氮气流量不变，对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散。
其中，在所述步骤3之后，还包括：
步骤4，停止所述第一次磷扩散，通入流量15slm～30slm的氮气吹扫所述磷扩散炉内的所述第一次磷扩散残留的气体，将所述磷扩散炉内的温度升高至900℃～980℃，将所述磷扩散炉内的APC压力保持在0.05KPA～0.3KPA，对所述IGBT芯片进行恒温推阱。
其中，在所述步骤4之后，还包括：
步骤5，保持所述磷扩散炉内的压力和氮气流量不变，将所述磷扩散炉内的温度降低到750℃～800℃后，对所述IGBT芯片进行第二次磷扩散、退火。
其中，在所述步骤5之后，还包括：
步骤6，将所述磷扩散炉的温度降低至680℃～720℃，将所述小舟推出所述磷扩散炉。
其中，所述步骤2，包括：
调温至800℃～850℃，通入流量为500sccm～2000sccm的氧气，
在通入氧气预定时间后，再通入15slm～30slm流量的氮气。
其中，所述对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散，或所述对所述IGBT芯片进行第二次磷扩散、退火，包括：
对所述磷扩散炉通入氧气和携磷源气体对所述IGBT芯片进行磷扩散，所述氧气的流量为500sccm～2000sccm，所述携磷源气体的流量为1000～2000sccm。
其中，所述磷扩散炉为立式磷扩散炉或水平磷扩散炉。
本发明实施例所提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明实施例提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法，包括：
步骤1，将磷扩散炉升温至680℃～720℃，通入流量为15slm～30slm的氮气，将放置有需磷扩散的IGBT芯片的小舟推入所述磷扩散炉内；
步骤2，将所述磷扩散炉调温至800℃～850℃，通入流量为15slm～30slm的氮气和流量为500sccm～2000sccm的氧气，所述磷扩散炉内的APC压力控制在0.05KPA～0.3KPA，在所述IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层；
步骤3，保持所述磷扩散炉的温度、压力和氮气流量不变，对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散。
所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，通过在对IGBT芯片进行磷扩散之前，在磷扩散炉中通入氧气对IGBT芯片氧化，在IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层，提升后续的磷扩散的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法的另一种具体实施方式的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1～图2，图1为本发明实施例提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；图2为本发明实施例提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法的另一种具体实施方式的步骤流程示意图。
在一种具体实施方式中，所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，包括：
步骤1，将磷扩散炉升温至700℃，通入流量为20slm的氮气，将放置有需磷扩散的IGBT芯片的小舟推入所述磷扩散炉内；在较低温度下将装载有IGBT芯片的小舟推入磷扩散炉内，并将IGBT芯片置于氮气环境下，对IGBT芯片形成保护，使得IGBT形成氧化阻挡层的温度和环境严格控制，这样可以通过在指定温度和氧气环境下获得指定生长速率的氧化阻挡层，使得最终获得的氧化阻挡层的厚度更加精确，需要指出的是，本发明对IGBT芯片进入磷扩散炉的温度不做具体限定，一般在680℃～720℃，对通入的氮气的流量不做限定，一般在15slm～30slm。除了通入氮气外，还可以通入其它的保护气体。
步骤2，将所述磷扩散炉调温至800℃，通入流量为20slm的氮气和流量为500sccm～2000sccm的氧气，所述磷扩散炉内的APC压力控制在0.05KPA～0.3KPA，在所述IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层；通过在对IGBT芯片进行磷扩散之前，在磷扩散炉中通入氧气对IGBT芯片氧化，在IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层，提升后续的磷扩散的均匀性，本发明对从步骤1到步骤2中磷扩散炉的升温方式和速度不做限定，形成氧化阻挡层的温度一般在800℃～850℃，但是在形成氧化阻挡层的过程中，温度尽量恒定或者波动幅度较小，这样能够提高获得氧化阻挡层的厚度更加精确，同理通入氮气的流量不变。由于需要的氧化阻挡层的厚度很小，通入的参与氧化的氧气的流量一般500sccm～2000sccm，而氧气的流量一般是在500sccm～2000sccm中取一个定值，只要气压控制0.05KPA～0.3KPA即可，本发明对具体的氧气流量不做具体限定。
步骤3，保持所述磷扩散炉的温度、压力和氮气流量不变，对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散，通过在IGB芯片的表面已经形成氧化阻挡层，然后进行第一次磷扩散，提高了磷扩散的均匀性。
需要指出的是，本发明对所述第一次磷扩散的时间不作具体限定，掺杂时间可根据掺杂阻值需要进行确定。
为了进一步提高掺杂杂质在IGBT芯片中的均匀性，一般通过采用高温过程使杂质在硅片中分布扩散，即一般通过采用推阱的方法使得杂质在IGBT芯片中进一步进行扩散，改善掺杂均匀性。
因此，在所述步骤3之后，还包括：
步骤4，停止所述第一次磷扩散，通入流量15slm～30slm的氮气吹扫所述磷扩散炉内的所述第一次磷扩散残留的气体，将所述磷扩散炉内的温度升高至900℃～980℃，将所述磷扩散炉内的APC压力保持在0.05KPA～0.3KPA，对所述IGBT芯片进行恒温推阱。
需要指出的是，在步骤3之后，还可以采用其它的推阱工艺使得第一次磷扩散中的杂质进一步进行扩散，提高扩散的均匀性。
通过在第一次进行磷扩散掺杂之后，停止气体的通入，不再对IGBT芯片中进行杂质注入，而是提高磷扩散炉内的温度，将已经注入IGBT芯片中的杂质在高温条件下进一步进行扩散，这时由于在第一次磷扩散过程中，磷扩散是从掺杂源扩散到IGBT芯片的其它位置，杂质粒子的分布很不均匀，通过高温推阱的方式，使得掺杂粒子继续在IGBT芯片中继续进行扩散，从浓度高的位置扩散到浓度低的位置，提高掺杂杂质在IGBT芯片中的均匀性。
需要指出的是，在本发明的高温推阱过程中，采用的是恒温推阱，即高温推阱可以是900℃～980℃中的某一个值，在确定推阱温度值之后，磷扩散炉内的温度就不需要继续改变，或者是磷扩散炉内的温度的波动很小，这样就使得掺杂粒子在IGBT芯片中不会由于温度的波动而造成IGBT芯片的温度分布不均匀而造成扩散的不均匀性。本发明对步骤4中的恒温推阱的具体温度值不做具体限定，对恒温推阱的时间不作具体限定，恒温推阱的时间应该根据推阱温度以及掺杂结深度进行设定。
由于在恒温推阱的过程中，IGBT芯片的表面总是比内部的温度高一些，掺杂粒子容易向IGBT内部扩散，恒温推阱过程中使得表面的浓度较低，为避免这种情况的发生，需要进行表面补偿，使得IGBT芯片的N+区的表面浓度接近，从而改善磷扩散的均匀性，因此，在所述步骤4之后，还包括：
步骤5，保持所述磷扩散炉内的压力和氮气流量不变，将所述磷扩散炉内的温度降低到750℃～800℃后，对所述IGBT芯片进行第二次磷扩散、退火。
通过进行第二次磷扩散，再次低温掺杂(磷)补偿表面浓度，使得N+区域的表面浓度接近，避免高温过程使得表面浓度降低，从而改善磷扩散的均匀性。
需要指出的是，本发明对所述二次磷扩散的扩散时间、温度和掺杂浓度不做具体限定。
在完成二次磷扩散之后，对整个IGBT的磷扩散已经基本完成，但是磷扩散炉内的温度还较高，不利于装载IGBT芯片的小舟的取出，因此，在所述步骤5之后，还包括：
步骤6，将所述磷扩散炉的温度降低至680℃～720℃，将所述小舟推出所述磷扩散炉。
通过将磷扩散炉内的温度降低，一般与进舟的温度相近即可，需要指出的是，并不是在磷扩散炉内的温度下降到该温度范围内，即将小舟取出，毕竟小舟的温度下降与磷扩散炉内的温度下降大多时候还不同步，一般在温度稳定一端时间之后，再将小舟取出。
在本发明中，在第一磷扩散之前在IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层，提高磷扩散的均匀性，本发明对氧气与氮气的通入的时间和顺序不做具体限定，但是为了精确控制氧化阻挡层的厚度，一般先通入氧气，后通入氮气，而氧气的通入时间和浓度与需要形成的氧化阻挡层的厚度相关，因此对所述步骤2，包括：
调温至800℃～850℃，通入流量为500sccm～2000sccm的氧气，
在通入氧气预定时间后，再通入15slm～30slm流量的氮气。
需要指出的是，从步骤1到步骤2，由于可以通入相同流量的氮气，因此一般只要先切断氮气的通入，在氧气通入形成氧化层后，在通入氮气。
在本发明中，对IGBT芯片进行了两次磷扩散，第一次为主，第二次为辅，本发明对具体的磷扩散工艺不做具体限定，一般的磷扩散工艺，即所述对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散，或所述对所述IGBT芯片进行第二次磷扩散、退火，包括：
对所述磷扩散炉通入氧气和携磷源气体对所述IGBT芯片进行磷扩散，所述氧气的流量为500sccm～2000sccm，所述携磷源气体的流量为1000～2000sccm。
由于第一次磷扩散和第二次磷扩散的目的是不同的，即以第一次磷扩散为主、第二次磷扩散为辅，虽然氧气的流量为500sccm～2000sccm，所述携磷源气体的流量为1000～2000sccm，但是第一次磷扩散和第二次磷扩散中的氧气的流量和携磷源气体的流量可以相同也可以不同，但是由于一般是以前者为主，后者只是进行补偿，前者的浓度一般较高，扩散时间较长，而且两次量扩散的温度也是可以相同，可以不同，本发明对第一次磷扩散和第二次磷扩散的氧气的流量和携磷源气体的流量以及磷扩散的时间和温度不做具体限定。
本发明对磷扩散炉不做限定，所述磷扩散炉可以为立式磷扩散炉，也可以为水平磷扩散炉，对磷扩散炉的尺寸大小不做具体限定。
本发明中采用预氧化阻挡层，提升磷扩均匀性；低温掺杂(磷)，高温推阱，可提升工艺窗口改善均与性；再次低温退火掺杂(磷)，补偿高温过程表面浓度减低，使得N+区域的表面浓度接近，对于磷扩散的硅片方阻的片内、片间均匀性均有较大提升。
综上所述，本发明实施例提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法，通过在对IGBT芯片进行磷扩散之前，在磷扩散炉中通入氧气对IGBT芯片氧化，在IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层，提升后续的磷扩散的均匀性。
以上对本发明所提供的改善IGBT磷扩散均匀性的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，包括：
步骤1，将磷扩散炉升温至680℃～720℃，通入流量为15slm～30slm的氮气，将放置有需磷扩散的IGBT芯片的小舟推入所述磷扩散炉内；
步骤2，将所述磷扩散炉调温至800℃～850℃，通入流量为15slm～30slm的氮气和流量为500sccm～2000sccm的氧气，所述磷扩散炉内的APC压力控制在0.05KPA～0.3KPA，在所述IGBT芯片的表面形成氧化阻挡层；
步骤3，保持所述磷扩散炉的温度、压力和氮气流量不变，对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散。
2.如权利要求1所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，在所述步骤3之后，还包括：
步骤4，停止所述第一次磷扩散，通入流量15slm～30slm的氮气吹扫所述磷扩散炉内的所述第一次磷扩散残留的气体，将所述磷扩散炉内的温度升高至900℃～980℃，将所述磷扩散炉内的APC压力保持在0.05KPA～0.3KPA，对所述IGBT芯片进行恒温推阱。
3.如权利要求2所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，在所述步骤4之后，还包括：
步骤5，保持所述磷扩散炉内的压力和氮气流量不变，将所述磷扩散炉内的温度降低到750℃～800℃后，对所述IGBT芯片进行第二次磷扩散、退火。
4.如权利要求3所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，在所述步骤5之后，还包括：
步骤6，将所述磷扩散炉的温度降低至680℃～720℃，将所述小舟推出所述磷扩散炉。
5.如权利要求4所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，所述步骤2，包括：
调温至800℃～850℃，通入流量为500sccm～2000sccm的氧气，
在通入氧气预定时间后，再通入15slm～30slm流量的氮气。
6.如权利要求5所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，所述对所述IGBT芯片进行第一次磷扩散，或所述对所述IGBT芯片进行第二次磷扩散、退火，包括：
对所述磷扩散炉通入氧气和携磷源气体对所述IGBT芯片进行磷扩散，所述氧气的流量为500sccm～2000sccm，所述携磷源气体的流量为1000～2000sccm。
7.如权利要求6所述改善IGBT磷扩散均匀性的方法，其特征在于，所述磷扩散炉为立式磷扩散炉或水平磷扩散炉。
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