CN117626425A - 一种igbt用8英寸硅外延片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种IGBT用8英寸硅外延片的制备方法，包括如下步骤：将清洗后的衬底片上片至刻蚀后的外延炉反应腔室内，烘焙外延炉，之后通入氢气对外延炉反应腔室吹扫；随后在衬底片上生长外延层；外延层生长过程为：第一阶段：在1050～1060℃下以5～6μm/min的生长速度进行生长；第二阶段：在1040～1050℃下以2～3μm/min的生长速度继续生长外延层；第三阶段：在1030～1040℃下以低于1μm/min的生长速度继续生长补足外延层至目标厚度；外延层生长结束后降温取出外延片。本发明所述的制备方法在提高硅外延生长速率的同时，保证外延片厚度和电阻率的可控，并有效降低裂片和滑移线的产生。
Description
技术领域
本发明属于半导体制备领域，尤其是涉及一种IGBT用8英寸硅外延片的制备方法。
背景技术
IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由（BJT）双极型三极管和（MOS）绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有（MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和（GTR）电力晶体管的低导通压降两方面的优点。硅外延是在高温下通过气相化学反应，在抛光的硅单晶片上生长一层或多层硅单晶薄膜，通过控制生长条件，可以获得不同电阻率，不同厚度及不同型号的外延层。IGBT因其特性需要，生长的外延层厚度较厚，需要的生长时间较长，生长过程中容易积攒内部势能和晶格畸变产生裂片。
传统采用的工艺方法如中国专利ZL 202111005605.6中公开的制备方法，通过组合缩短反应腔体顶部与基座的垂直距离，进而缩短边界层距离、提高硅外延生长原料中三氯氢硅的浓度、硅外延层的生长温度、氢气的进气流量、在中间进气孔的分配占比、加快基座的转速等制备方法，大幅提高硅外延反应的转化效率。但是一味追求高速率生长不能完全满足IGBT硅外延片对于成品率和外延参数的要求，需要在保证高速率生长的前提下，避免裂片和滑移线的产生并对外延层的厚度和电阻率有良好的控制。随着汽车行业的高速发展，IGBT材料的需求量有了大幅度的提升，因此迫切需要技术创新去迎合IGBT硅外延片的制备需求，并且保证合格的厚度、电阻率参数，工艺流程简单可操作性强，能够适应工业化连续生产的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种IGBT用8英寸硅外延片的制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种IGBT用8英寸硅外延片的制备方法，包括如下步骤：
将清洗后的衬底片上片至刻蚀后的外延炉反应腔室内，升温到1160～1180℃烘焙外延炉，之后通入氢气对外延炉反应腔室吹扫；随后在衬底片上生长外延层；外延层生长结束后降温取出外延片；
所述外延层生长过程分为如下三个阶段：
第一阶段：在1050～1060℃下以5～6μm/min的生长速度进行生长，生长时间为5-15min；
第二阶段：在1040～1050℃下以2～3μm/min的生长速度继续生长外延层，生长时间为5-15min；
第三阶段：在1030～1040℃下以低于1μm/min的生长速度继续生长补足外延层至目标厚度。
优选地，所述外延层生长过程中，通入携带气态三氯氢硅的氢气，氢气流量为70～90 L/min，三氯氢硅气体流量为5～20 L/min，掺杂管路气体流量为40～60 sccm，生长时间为1500～3000 s，基座转速为30 r/min。
优选地，所述衬底片上片时，将奇数片主参朝向外延炉反应腔的外侧，偶数片主参朝向外延炉反应腔的内侧。
优选地，所述外延炉反应腔的刻蚀使用的刻蚀气体为氯化氢气体，氯化氢气体的流量为25～30L/min，刻蚀温度为1160℃～1180℃，刻蚀时间为10～15min。
优选地，所述外延炉反应腔室吹扫为用流量为60～80L/min的氢气对外延炉反应腔室吹扫90～120s。
优选地，所述外延炉反应腔的升温功率为78-85KW。
优选地，所述外延层生长结束温度降低到300℃后取出外延片。
优选地，所述氯化氢气体纯度≥99.99%，三氯氢硅气体纯度≥99.95%。
优选地，所述衬底片选择直径为200mm的轻掺磷衬底，轻掺磷衬底电阻率为1.5～4.5 Ω•cm。
优选地，所述外延炉为北方华创630多片式外延炉。
第二方面，本发明还提供了由上述制备方法制备得到的硅外延片。
优选地，所述硅外延片的厚度5点均值为94～96μm ， 5点测试位置为主参朝上的中心点和与中心点正上、下、左、右四个距边缘6mm的点。
第三方面，本发明还提供了一种半导体器件，包括如上所述的硅外延片。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
（1）本发明所述的制备方法在提高IGBT用8英寸硅外延生长速率的同时，保证外延片厚度和电阻率的可控，并有效降低裂片和滑移线的产生，相应带来直接经济效益上涨；
（2）本发明通过变温变流量的方式进行外延层的生长，采用先高温大流量快速生长，在短时间达到批量化低成本的要求，进而采用低温大流量中速生长，然后进行低温小流量慢速生长，可以有效释放中高速生长阶段积攒的内部势能和晶格畸变，降低裂片的风险；
（3）本发明所述的制备方法在上片阶段通过将奇数片主参朝向外侧，偶数片主参朝向内侧的分布方式，使得腔体内流场分布均匀，避免主参的平边处厚度过厚引起良率降低，从而满足产品使用要求，达到更好经济效益的突出有益效果；
（4）本发明通过只高速生长、只慢速生长、高中低变速生长做对比试验分析，现高中低变速生长相结合可以实现速度和质量的双重保证。
附图说明
图1为实施例1的厚度分布图；
图2为对比例1的裂片图；
图3为对比例2的厚度分布图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本发明所用的外延炉为北方华创630多片式外延炉。所用氯化氢气体纯度≥99.99%，三氯氢硅气体纯度≥99.95%。选择直径为200mm的轻掺磷衬底，轻掺磷衬底的电阻率为1.5～4.5 Ω•cm。
本发明所述的一种IGBT用8英寸硅外延片的制备方法，包括如下步骤：
S1、抬起所有pin针，调整气流恢复腔体内流场环境，在1160℃～1180℃下用流量为25～30L/min的氯化氢气体对外延炉腔室进行刻蚀，刻蚀时间为10～15min，保证可以刻蚀掉腔室上生长的百微米级外延层；
S2、用流量为60～80L/min的氢气对外延炉反应腔室吹扫90～120s，排净氯化氢气体；
S3、对衬底片进行清洗，保证衬底表面无颗粒，避免后续外延生长后出现埋层，上片时将奇数片主参朝向外侧，偶数片主参朝向内侧，升温到1160～1180℃烘焙外延炉，排净衬底片和外延炉的水气和杂质，以便后续更好地控制外延层参数；
S4、用流量为60～80L/min的氢气对外延炉反应腔室吹扫90～120s，进一步排净水气和杂质；
S5、在外延层生长中，设定携带三氯氢硅的氢气流量为70～90 L/min, 通过鼓泡器裹挟三氯氢硅气体一同进入反应腔室；设定腔体的升温功率为81KW，可以有效减少裂片的发生；设定三氯氢硅气体流量为5～20 L/min, 掺杂管路气体流量为40～60 sccm，生长时间为1500～3000 s, 基座转速为30 r/min；通过变温变流量的方式进行外延层的生长，采用先高温大流量快速生长，在1050～1060℃下以5～6μm/min的生长速度，在短时间达到批量化低成本的要求，进而采用低温大流量中速生长，在1040～1050℃下以2～3μm/min的生长速度继续生长外延层，最后进行低温小流量慢速生长，在1030～1040℃下以低于1μm/min的生长速度继续生长补足外延层，可以有效释放中高速生长阶段积攒的内部势能和晶格畸变，降低裂片的风险；
S6、外延层生长结束，反应腔室开始降温，温度降低到300℃后，从反应腔室内取出外延片。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
S1、抬起所有pin针，调整气流恢复腔体内流场环境，在1170℃下用流量为30L/min的氯化氢气体对外延炉腔室进行刻蚀，刻蚀时间为15min，保证可以刻蚀掉腔室上生长的百微米级外延层；
S2、用流量为80L/min的氢气对外延炉反应腔室吹扫120s，排净氯化氢气体；
S3、对衬底片进行清洗，保证衬底表面无颗粒，避免后续外延生长后出现埋层，上片时将奇数片主参朝向外侧，偶数片主参朝向内侧，升温到1180℃烘焙外延炉，排净衬底片和外延炉的水气和杂质，以便后续更好地控制外延层参数；
S4、用流量为80L/min的氢气对外延炉反应腔室吹扫120s，进一步排净水气和杂质；
S5、在外延层生长中，设定携带三氯氢硅的氢气流量为90 L/min, 通过鼓泡器裹挟三氯氢硅气体一同进入反应腔室；设定腔体的升温功率为81KW，可以有效减少裂片的发生；设定三氯氢硅气体流量为20 L/min, 掺杂管路气体流量为60 sccm, 基座转速为30 r/min；通过变温变流量的方式进行外延层的生长，采用先高温大流量快速生长，在1060℃下以6μm/min的生长速度，生长10min，在短时间达到批量化低成本的要求，进而采用低温大流量中速生长，在1040℃下以3μm/min的生长速度继续生长10min，最后进行低温小流量慢速生长，在1030℃下以低于1μm/min的生长速度继续生长补足外延层，可以有效释放中高速生长阶段积攒的内部势能和晶格畸变，降低裂片的风险；
S6、外延层生长结束，反应腔室开始降温，温度降低到300℃后，从反应腔室内取出外延片。
实施例1制得的厚度均值95.14微米，不均匀性为0.36%，分布图如图1所示。
对比例1
本实施例在步骤（5）中，在外延层生长中，设定携带三氯氢硅的氢气流量为90 L/min, 通过鼓泡器裹挟三氯氢硅气体一同进入反应腔室；设定腔体的升温功率为81KW，可以有效减少裂片的发生；设定三氯氢硅气体流量为20 L/min, 掺杂管路气体流量为60 sccm,基座转速为30 r/min；通过变温变流量的方式进行外延层的生长，采用先高温大流量快速生长，在1060℃下以6微米/分钟的生长速度，生长达到满足要求的厚度。其它步骤以及参数设定同实施例1相同，在此不再重复描述。
对比例1制得的裂片图如图2所示。
对比例2
本实施例在步骤（5）中，在外延层生长中，设定携带三氯氢硅的氢气流量为90 L/min, 通过鼓泡器裹挟三氯氢硅气体一同进入反应腔室；设定腔体的升温功率为81KW，可以有效减少裂片的发生；设定三氯氢硅气体流量为20 L/min, 掺杂管路气体流量为60 sccm,基座转速为30 r/min；通过变温变流量的方式进行外延层的生长，采用先高温大流量快速生长，在1030℃下以低于1微米/分钟的生长速度，生长达到满足要求的厚度。其它步骤以及参数设定同实施例1相同，在此不再重复描述。
对比例2制得的厚度均值95.16微米，不均匀性为0.56%，分布图如图3所示。
与对比例1、对比例2相比，在其相应的工艺条件下，实施例1所制得的硅外延片所需的时间相对较短，厚度均一性指标最优。因此，实施例1为本发明的指标最优。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种IGBT用8英寸硅外延片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将清洗后的衬底片上片至刻蚀后的外延炉反应腔室内，升温到1160～1180℃烘焙外延炉，之后通入氢气对外延炉反应腔室吹扫；随后在衬底片上生长外延层；外延层生长结束后降温取出外延片；
所述外延层生长过程分为如下三个阶段：
第一阶段：在1050～1060℃下以5～6μm/min的生长速度进行生长，生长时间为5-15min；
第二阶段：在1040～1050℃下以2～3μm/min的生长速度继续生长外延层，生长时间为5-15min；
第三阶段：在1030～1040℃下以低于1μm/min的生长速度继续生长补足外延层至目标厚度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述衬底片上片时，将奇数片主参朝向外延炉反应腔的外侧，偶数片主参朝向外延炉反应腔的内侧。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述外延层生长过程中，通入携带气态三氯氢硅的氢气，氢气流量为70～90 L/min，三氯氢硅气体流量为5～20 L/min，掺杂管路气体流量为40～60 sccm，生长时间为1500～3000 s，基座转速为30 r/min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述外延炉反应腔的刻蚀使用的刻蚀气体为氯化氢气体，氯化氢气体的流量为25～30L/min，刻蚀温度为1160℃～1180℃，刻蚀时间为10～15min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述外延炉反应腔室吹扫为用流量为60～80L/min的氢气对外延炉反应腔室吹扫90～120s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述外延炉反应腔的升温功率为78-85KW。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述外延层生长结束温度降低到300℃后取出外延片。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述氯化氢气体纯度≥99.99%，三氯氢硅气体纯度≥99.95%，所述衬底片选择直径为200mm的轻掺磷衬底，轻掺磷衬底电阻率为1.5～4.5 Ω•cm。
9.一种由权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到的硅外延片，其特征在于：所述硅外延片的厚度5点均值为94～96μm ，5点测试位置为主参朝上的中心点和与中心点正上、下、左、右四个距边缘6mm的点。
10.一种半导体器件，其特征在于：包括权利要求9所述的硅外延片。
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