CN107845570B - 绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，包括依次进行的以下步骤：步骤一、将硅衬底材料采用纯水清洗后放入反应器内；步骤二、采用氢气作为载流气体排出反应器内的空气；步骤三、将反应器内部升温至1160～1180℃，再采用HCL刻蚀3～4min，然后将反应器内部的HCL排除；步骤四、将反应器内部的温度降至1130～1140℃的生长温度；步骤五、向反应器内通入由氢气和四氯化硅气体混合构成的反应气体，使得硅衬底表面生成硅单晶层，得到硅外延片；步骤六、停止向反应器内通入反应气体，待反应器内部降至室温时，向反应器内通入氮气3～4min；步骤七、打开反应器取出硅外延片。本发明整体工艺简单，便于实现，成本低，且应用时能减小N+/P+交界面处过渡区的宽度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的制备工艺技术，具体是绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺。
背景技术
近年来，随着消费类电子产品的不断发展，越来越多的设备应用到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。绝缘栅双极型晶体管的主要结构为N-/N+/P+的异型结构，其中，P+为衬底部分，N-/N+为外延生长部分。在重掺杂衬底上进行外延生长时，电阻率的纵向、径向分布均匀一致性及其可控性变差。产生的主要原因是自掺杂现象，它使外延层电阻率偏离目标参数，N+/P+交界面处形成较宽的缓变杂质过渡区，过渡区出现较宽的宽度会造成埋层图形漂移和P-N结向外延层推移，严重时甚至形成反型夹层，致使器件偏离特性，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其应用时能减小N+/P+交界面处过渡区的宽度。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，包括依次进行的以下步骤：
步骤一、将硅衬底材料采用纯水清洗后放入反应器内；
步骤二、采用氢气作为载流气体排出反应器内的空气；
步骤三、将反应器内部升温至1160～1180℃，再采用HCL刻蚀3～4min，然后将反应器内部的HCL排除；
步骤四、将反应器内部的温度降至1130～1140℃的生长温度；
步骤五、向反应器内通入由氢气和四氯化硅气体混合构成的反应气体，使得硅衬底表面生成硅单晶层，得到硅外延片；其中，硅外延片的N+层生长前预先通入PH3持续5min，N-层生长前将反应器内部温度升高120℃，向反应器内以30s为一个周期通入氢气进行12个周期，每个周期前15s氢气的流量为2L/min，后15s氢气的流量为20L/min，再将反应器内部温度降至生长温度。
步骤六、停止向反应器内通入反应气体，待反应器内部降至室温时，向反应器内通入氮气3～4min；
步骤七、打开反应器取出硅外延片。本发明采用四氯化硅(SiCL4)在加热的硅衬底表面与氢气发生还原反应生成硅，并以单晶的形式沉积在硅衬底表面。SiCL4与H2外延硅的方程式表示如下：SiCL4+2H2→Si↓+4HCL。其中，SiCL4与氢在600℃时即可发生还原反应，本发明将生长温度控制在1130～1140℃，以保证淀积原子具有足够的动能在衬底表面运动，并找到合适的晶格位置固定下来形成单晶。本发明在取出硅外延片前，采用氮气流代替氢气流，以便于更安全地打开反应器。
本发明通过的通入PH3作为掺杂剂，其化学反应式为：2PH3(气)→2P(固)+3H2(气)。
本发明应用时在衬底上形成了许多大小约为数纳米的分立岛状物，随着外延时间的增加，这些岛状物逐渐长大，最后连成一片，发展成新的晶面，因此可以认为在外延的起始阶段首先在衬底表面形成众多的晶核，然后是晶核的不断长大，最后邻近的晶核相连而形成晶面。
进一步的，所述反应器为卧式反应器，其内部构成有石英反应腔，石英反应腔内部设有石墨基座及支承石墨基座的石英支架，石墨基座外覆有一层80μm的碳化硅，石英反应腔外壁上环绕有射频线圈；所述步骤一在放置硅衬底材料时具体放置在石英反应腔内的石墨基座上；所述步骤三、步骤四及步骤六中所述的温度控制具体为控制石英反应腔内部的温度，所述反应器通过其射频线圈加热石墨基座来实现石英反应腔内部升温控制。本发明应用时从石英反应腔的一端通入反应气体，采用射频线圈加热石墨基座，四氯化硅气体与氢气发生还原反应析出硅沉积于硅衬底及石墨基座的表面。因采用射频感应加热，腔壁温度较低，硅在壁上沉积量远远小于硅衬底上沉积量，此外，较低腔壁温度也有利于减少自腔壁的污染。
在外延生长中会在石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架上沉积一些杂质，为了清除这些杂质，进一步的，所述步骤七之后还包括以下步骤：先采用氢氟酸清洗石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架，再采用纯水清洗石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架。
进一步的，所述步骤三将反应器内部的HCL排除时包括以下步骤：将反应器内部温度升高120℃，向反应器内以30s为一个周期通过氢气进行5个周期，再将反应器内部温度降至生长温度以后30s为一个周期通过氢气进行2个周期，其中，每个周期前15s氢气的流量为2L/min，后15s氢气的流量为20L/min。
进一步的，所述步骤四将反应器内部的温度降至生长温度之前还包括以下步骤：将反应器内部的温度升温110℃后保持30min。其中，在外延生长过程中易出现层错，层错也称堆积层错，是外延层上最常见而又容易检测到的缺陷，是因原子排列次序发生错乱所引起的。本发明在外延生长前将反应器内部的温度升温110℃后保持30min，使得衬底材料经高温处理，能减少层错。
金属杂质在外延过程中易向表面集中，进而会导致最后生长的外延表层出现微缺陷增殖。进一步的，所述步骤五在生成硅单晶层时比所需的硅单晶层厚1.2～1.5μm，所述步骤七在取出硅外延片后对硅单晶层进行气相抛光得到所需的硅单晶层厚度。本发明通过去除多生长的硅单晶层，即去除了重金属杂质和微缺陷高聚集层。如此，能进一步提升本发明生长的硅外延片的性能。
进一步的，所述步骤七在取出硅外延片后还包括以下步骤：SPM清洗去除硅外延片表面的杂质，再碱液去除硅外延片上的氧化膜，然后采用纯水清洗后风干得到成品。
进一步的，卧式反应器具体包括：石英壳体，石英壳体内部构成有石英反应腔，石英壳体上构成有用于输入反应气体的反应气体输入口、用于输入盐酸的盐酸输入口、用于输入氢气的氢气输入口、用于输入氮气的氮气输入口、以及用于排出气体的排气口；其中，石英反应腔内部设有石墨基座及支承石墨基座的石英支架，石英壳体外壁上环绕有射频线圈；硅衬底放置在石墨基座上上。
进一步的，所述卧式反应器设有射频线圈调节结构，射频线圈调节结构包括：
第一固定环、第二固定环、2个滑轮、横杆；反应器外表面设有滑槽，滑轮镶嵌在所述滑槽内，第一固定环、第二固定环均套设在反应器外表面，第一固定环和第二固定环分别通过滑轮与反应器滑动连接，横杆采用弹性材料制成，横杆上均匀分布有多个凹槽，凹槽的尺寸与射频线圈尺寸匹配，滑轮外表面设有电磁铁层，滑轮为空腔结构，滑轮内设有电池，电池铁层通过滑轮外表面的开关与电池连接。
其中，本申请中是利用射频线圈加热石墨基座来实现石英反应腔内部升温控制，其原理是利用电磁感应来加热，而现有技术仅是利用这些射频线圈进行粗糙的加热，导致在加热时温度不容易控制以及温度分布不均匀，导致反应效果下降，具体是因为电磁感应加热与射频线圈的匝数和距离有着密切的关系，而本申请中设置的射频线圈调节结构，可以灵活的调整线圈匝数和距离，便于对反应器的温度和温度分布进行调整，具体调整方式为：当需要调整时，利用横杆上均匀分布的多个凹槽，放入需要匝数的线圈，然后利用固定环与反应器的滑动连接，调整线圈的距离和分布，调整好有，打开开关，使得电磁铁产生磁力，滑轮吸附固定在凹槽内，保持线圈的形态稳固，保障反应器的合理加热，加热温度和加热区域分布合理。
进一步的，所述卧式反应器设有加压结构，所述加压结构包括：
增压泵、第一至第六气管、第一至第五密封盖；第一气管一端与增压泵连接，第一气管另一端穿过第一密封盖，第一至第五密封盖均包括：盖体、盖柱，盖体和盖柱均采用橡胶制成，盖柱内为空腔状，第二至第六气管一端均与增压泵连接，第二至第六气管的另一端分别延伸至第一至第五密封盖中的盖柱内。
其中，在反应时，利用加压结构可以对反应器内进行加压，进而增强反应的效果，具体加压的方式为，将第一至第五密封盖中的盖柱分别插入反应器中的用于输入反应气体的反应气体输入口、用于输入盐酸的盐酸输入口、用于输入氢气的氢气输入口、用于输入氮气的氮气输入口、以及用于排出气体的排气口中，然后打开增压泵，使得气体分别通过第一至第六气管进行传输，第二至第六气管传输至盖柱内，使得盖柱膨胀，保障密封效果，第一气管内的气体传输至反应器内进行增压，增强反应效果。
综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明在外延生长时，硅外延片的N+层生长前预先通入PH3持续5min，N-层生长前将反应器内部温度升高120℃，并循环通入流速相差十倍的氢气，通过提高表面温度，会使吸附在硅衬底表面的重金属杂质迅速被解吸，并及时带出反应室外，而原来被吸附的位置，被无害的氢气所代替，能使得有害金属杂质被解吸掉。本发明利用切换流量的方式改变反应器内的气流状态，迅速降低了自掺杂杂质浓度，简洁有效地提高了电阻率的均匀一致性，简化了生产工艺，缩短了生产周期，降低了生产成本。
(2)本发明在外延生长时通入PH3作为掺杂剂，即在生长N+型层前，首先进行掺杂剂预通，当掺杂剂原子扩散到P+衬底表面，并接近达到稳态浓度时开始生长N层。掺杂剂的通入大大降低了杂质自稀释作用，从而大大减小了过渡区的宽度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个具体实施例的流程图；
图2为本发明一个具体实施例中石英反应腔的剖视结构示意图
图3为射频线圈调节结构的结构示意图；
图4为加压结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，包括依次进行的以下步骤：步骤一、将硅衬底材料采用纯水清洗后放入反应器内；步骤二、采用氢气作为载流气体排出反应器内的空气；步骤三、将反应器内部升温至1160℃，再采用HCL刻蚀4min，然后将反应器内部的HCL排除；步骤四、将反应器内部的温度降至1135℃的生长温度；步骤五、向反应器内通入由氢气和四氯化硅气体混合构成的反应气体，使得硅衬底表面生成硅单晶层，得到硅外延片；步骤六、停止向反应器内通入反应气体，待反应器内部降至室温时，向反应器内通入氮气3～4min；步骤七、打开反应器取出硅外延片。其中，纯水洗的目的是去除硅衬底材料表面的表面杂质。
如图2所示，本实施例的反应器为卧式反应器，其包括石英壳体1，石英壳体1内部构成有石英反应腔，石英壳体1上构成有用于输入反应气体的反应气体输入口2、用于输入盐酸的盐酸输入口3、用于输入氢气的氢气输入口4、用于输入氮气的氮气输入口5、以及用于排出气体的排气口6。其中，石英反应腔内部设有石墨基座8及支承石墨基座8的石英支架7，石英壳体1外壁上环绕有射频线圈9。为防止碳的污染，石墨基座8外覆有一层80μm的碳化硅。本实施例的步骤一在放置硅衬底10时具体放置在石墨基座上8上。本实施例应用时，反应器通过其射频线圈加热石墨基座来实现石英反应腔内部升温控制，步骤三、步骤四及步骤六中所述的温度控制具体为控制石英反应腔内部的温度。
本实施例的步骤三将反应器内部的HCL排除时包括以下步骤：将反应器内部温度升高120℃，向反应器内以30s为一个周期通过氢气进行5个周期，再将反应器内部温度降至生长温度以后30s为一个周期通过氢气进行2个周期，其中，每个周期前15s氢气的流量为2L/min，后15s氢气的流量为20L/min。本实施例的步骤五在具体实施时，硅外延片的N+层生长前预先通入PH3持续5min，N-层生长前将反应器内部温度升高120℃，向反应器内以30s为一个周期通入氢气进行12个周期，每个周期前15s氢气的流量为2L/min，后15s氢气的流量为20L/min，再将反应器内部温度降至生长温度。本实施例在排除HCL和外延生长时，通过提升反应器内部温度，并通过改变流量的方式通入氢气，是因为温度的升高可促使衬底表层杂质的蒸发，减少自掺杂效应。当赶气流量相差10倍时，每变化两周期，杂质就能降低一个数量级。在极短的时间有效的解决了外延前的沾污、吸附，又解决了生长期间气体、系统、反应器和硅片本身等多种因素引起的沾污和在外延表层的集中。
本实施例的步骤四将反应器内部的温度降至生长温度之前还包括以下步骤：将反应器内部的温度升温110℃后保持30min。
本实施例的步骤五在生成硅单晶层时比所需的硅单晶层厚1.2～1.5μm，所述步骤七在取出硅外延片后对硅单晶层进行气相抛光得到所需的硅单晶层厚度。本实施例在硅单晶层生长后利用反抛光工艺，可以有效去除硅外延层表面的重金属杂质和微缺陷的凝聚现象，并且对外延层的厚度一致性也会有所改善。
本实施例的步骤七在取出硅外延片后还包括以下步骤：SPM清洗去除硅外延片表面的杂质，再碱液去除硅外延片上的氧化膜，然后采用纯水清洗后风干得到成品。步骤七之后还包括以下步骤：先采用氢氟酸清洗石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架，再采用纯水清洗石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架。
本实施例应用时，可将缺陷密度降低到102/cm2，高于国际指标103/cm2的水平，能提供整个外延层洁净的优质衬底，能提升本发明消除重金属杂质和微缺陷的性能。本实施例生长10μm外延层过渡区为0.68μm，对比通常工艺制备的硅外延片过渡区3μm以上，过渡区宽度减小显著。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例步骤三中将反应器内部升温至1180℃，HCL刻蚀3min，步骤四中将反应器内部的温度降至1130℃。本实施例生长10μm外延层过渡区为0.66μm，对比通常工艺制备的硅外延片过渡区3μm以上，过渡区宽度减小显著。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例步骤三中将反应器内部升温至1170℃，HCL刻蚀3.5min，步骤四中将反应器内部的温度降至1140℃。本实施例生长10μm外延层过渡区为0.70μm，对比通常工艺制备的硅外延片过渡区3μm以上，过渡区宽度减小显著。
进一步的，请参考图3，所述卧式反应器设有射频线圈调节结构，射频线圈调节结构包括：
第一固定环11、第二固定环12、2个滑轮13、横杆14；反应器外表面设有滑槽，滑轮镶嵌在所述滑槽内，第一固定环、第二固定环均套设在反应器外表面，第一固定环和第二固定环分别通过滑轮与反应器滑动连接，横杆采用弹性材料制成，横杆上均匀分布有多个凹槽，凹槽的尺寸与射频线圈尺寸匹配，滑轮外表面设有电磁铁层，滑轮为空腔结构，滑轮内设有电池，电池铁层通过滑轮外表面的开关与电池连接。
其中，本申请中是利用射频线圈加热石墨基座来实现石英反应腔内部升温控制，其原理是利用电磁感应来加热，而现有技术仅是利用这些射频线圈进行粗糙的加热，导致在加热时温度不容易控制以及温度分布不均匀，导致反应效果下降，具体是因为电磁感应加热与射频线圈的匝数和距离有着密切的关系，而本申请中设置的射频线圈调节结构，可以灵活的调整线圈匝数和距离，便于对反应器的温度和温度分布进行调整，具体调整方式为：当需要调整时，利用横杆上均匀分布的多个凹槽，放入需要匝数的线圈，然后利用固定环与反应器的滑动连接，调整线圈的距离和分布，调整好有，打开开关，使得电磁铁产生磁力，滑轮吸附固定在凹槽内，保持线圈的形态稳固，保障反应器的合理加热，加热温度和加热区域分布合理。
进一步的，请参考图4，所述卧式反应器设有加压结构，所述加压结构包括：
增压泵15、第一至第六气管、第一至第五密封盖；第一气管16一端与增压泵连接，第一气管另一端穿过第一密封盖17，第一至第五密封盖均包括：盖体18、盖柱19，盖体和盖柱均采用橡胶制成，盖柱内为空腔状，第二至第六气管一端均与增压泵连接，第二至第六气管的另一端分别延伸至第一至第五密封盖中的盖柱内，第二气管20，第三气管21。
其中，在反应时，利用加压结构可以对反应器内进行加压，进而增强反应的效果，具体加压的方式为，将第一至第五密封盖中的盖柱分别插入反应器中的用于输入反应气体的反应气体输入口、用于输入盐酸的盐酸输入口、用于输入氢气的氢气输入口、用于输入氮气的氮气输入口、以及用于排出气体的排气口中，然后打开增压泵，使得气体分别通过第一至第六气管进行传输，第二至第六气管传输至盖柱内，使得盖柱膨胀，保障密封效果，第一气管内的气体传输至反应器内进行增压，增强反应效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：
步骤一、将硅衬底材料采用纯水清洗后放入反应器内；
步骤二、采用氢气作为载流气体排出反应器内的空气；
步骤三、将反应器内部升温至1160～1180℃，再采用HCL刻蚀3～4min，然后将反应器内部的HCL排除；
步骤四、将反应器内部的温度降至1130～1140℃的生长温度；
步骤五、向反应器内通入由氢气和四氯化硅气体混合构成的反应气体，使得硅衬底表面生成硅单晶层，得到N-/N+结构的硅外延片；其中，硅外延片的N+层生长前预先通入PH3持续5min，N-层生长前将反应器内部温度升高120℃，向反应器内以30s为一个周期通入氢气进行12个周期，每个周期前15s氢气的流量为2L/min，后15s氢气的流量为20L/min，再将反应器内部温度降至生长温度；
步骤六、停止向反应器内通入反应气体，待反应器内部降至室温时，向反应器内通入氮气3～4min；
步骤七、打开反应器取出硅外延片。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述反应器为卧式反应器，其内部构成有石英反应腔，石英反应腔内部设有石墨基座及支承石墨基座的石英支架，石墨基座外覆有一层80μm的碳化硅，石英反应腔外壁上环绕有射频线圈；所述步骤一在放置硅衬底材料时具体放置在石英反应腔内的石墨基座上；所述步骤三、步骤四及步骤六中所述温度的控制具体为控制石英反应腔内部的温度，所述反应器通过其射频线圈加热石墨基座来实现石英反应腔内部升温控制。
3.根据权利要求2所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述步骤七之后还包括以下步骤：先采用氢氟酸清洗石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架，再采用纯水清洗石英反应腔内壁、石墨基座及石英支架。
4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述步骤三将反应器内部的HCL排除时包括以下步骤：将反应器内部温度升高120℃，向反应器内以30s为一个周期通过氢气进行5个周期，再将反应器内部温度降至生长温度以后30s为一个周期通过氢气进行2个周期，其中，每个周期前15s氢气的流量为2L/min，后15s氢气的流量为20L/min。
5.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述步骤四将反应器内部的温度降至生长温度之前还包括以下步骤：将反应器内部的温度升温110℃后保持30min。
6.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述步骤五在生成硅单晶层时比所需的硅单晶层厚1.2～1.5μm，所述步骤七在取出硅外延片后对硅单晶层进行气相抛光得到所需的硅单晶层厚度。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述步骤七在取出硅外延片后还包括以下步骤：SPM清洗去除硅外延片表面的杂质，再碱液去除硅外延片上的氧化膜，然后采用纯水清洗后风干得到成品。
8.根据权利要求2所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，卧式反应器具体包括：石英壳体，石英壳体内部构成有石英反应腔，石英壳体上构成有用于输入反应气体的反应气体输入口、用于输入HCL的HCL输入口、用于输入氢气的氢气输入口、用于输入氮气的氮气输入口、以及用于排出气体的排气口；其中，石英反应腔内部设有石墨基座及支承石墨基座的石英支架，石英壳体外壁上环绕有射频线圈；硅衬底放置在石墨基座上上。
9.根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述卧式反应器设有射频线圈调节结构，射频线圈调节结构包括：
第一固定环、第二固定环、2个滑轮、横杆；反应器外表面设有滑槽，滑轮镶嵌在所述滑槽内，第一固定环、第二固定环均套设在反应器外表面，第一固定环和第二固定环分别通过滑轮与反应器滑动连接，横杆采用弹性材料制成，横杆上均匀分布有多个凹槽，凹槽的尺寸与射频线圈尺寸匹配，滑轮外表面设有电磁铁层，滑轮为空腔结构，滑轮内设有电池，电池铁层通过滑轮外表面的开关与电池连接。
10.根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管的硅外延片生产工艺，其特征在于，所述卧式反应器设有加压结构，所述加压结构包括：
增压泵、第一至第六气管、第一至第五密封盖；第一气管一端与增压泵连接，第一气管另一端穿过第一密封盖，第一至第五密封盖均包括：盖体、盖柱，盖体和盖柱均采用橡胶制成，盖柱内为空腔状，第二至第六气管一端均与增压泵连接，第二至第六气管的另一端分别延伸至第一至第五密封盖中的盖柱内。
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