專利名稱：低壓tvs用硅外延片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅外延片，具體是指低壓TVS用硅外延片的制造方法，屬于硅外延片的制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電子通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，高密度、小型化和具有復(fù)雜功能的通訊設(shè)備，已成為市場的主流。但是，由于其工作電壓低，極易受到靜電放電(ESD)的威脅，甚至造成破壞性后果。同時，由于器件特征尺寸逐漸縮小，IC產(chǎn)品的特征尺寸已達(dá)到幾十納米量級，集成電路的有源層及柵氧化層相對更薄，因而對電路瞬間電流、電壓沖擊更為敏感。因此，ESD 損傷成為集成電路的主要可靠性問題之一，研究表明大多數(shù)情況下ESD損傷表現(xiàn)為潛在損傷，以至于使器件的長期可靠性都受到嚴(yán)重影響，因而電路必須具備低箝位電壓，響應(yīng)時間快的保護(hù)器件，以保證有效的ESD保護(hù)。瞬態(tài)抑制二極管(Transient Voltage Suppressor)簡稱TVS，就是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負(fù) 12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞；同時，它具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、 汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表等系統(tǒng)的保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為在N型襯底上生長P型外延層的工藝條件如下首先用HCl氣腐以去除襯底表面的雜質(zhì)和金屬沾污，其次用大流量的氫氣吹除高濃度的N型雜質(zhì)，再用高溫烘烤N型襯底使表面的N型雜質(zhì)逃逸到氣相中， 最后在外延生長前預(yù)通P型摻雜劑(B2H6) ；HCl氣腐溫度的為1130°C，氣腐的時間4分鐘和HCl流量lOL/min ；外延生長前預(yù)通P型雜質(zhì)劑(B2H6) 3 min，且最初的一分鐘內(nèi)P型摻雜流量為50 L/min,后兩分鐘P型摻雜流量35L/min，生長溫度1050°C，生長速率0. 15 μ m/ min。本發(fā)明的有益效果是1、用HCl氣腐以清除殘留在襯底表面的雜質(zhì)和金屬原子， 形成潔凈的生長區(qū)；2、大流量氫氣吹除，減小氣相雜質(zhì)在外延反應(yīng)器中的濃度和吸附在基座及襯底表面的雜質(zhì)濃度，以減小N型雜質(zhì)與P型雜質(zhì)的補(bǔ)償度；3、P型層生長前預(yù)通P型摻雜劑以改善反應(yīng)器內(nèi)的氣相條件，這可保證在器件制作高溫工藝后，過度區(qū)的寬度也基本穩(wěn)定，以獲得穩(wěn)定的外延層厚度，從而保證器件保護(hù)電壓的穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明的新型TVS器件材料結(jié)構(gòu)。
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圖2為Μ 各模型中P+區(qū)和P-區(qū)的結(jié)深和摻雜濃度。圖3為本發(fā)明的I-V特性圖(Nbl=IEl5CnT3)。圖4為本發(fā)明的TVS外延層濃度分布圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)地說明。低壓ESD保護(hù)器件是瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的關(guān)鍵器件，它采用新型復(fù)合型穿通器件結(jié)構(gòu)(如圖1)。首先在N+襯底上外延生長一層P型高阻外延層，并在外延層上注入調(diào)整形成一個P+阱，再在該阱上通過擴(kuò)散形成N+區(qū)，使得在反向偏置下耗盡層延伸至N+襯底區(qū)，形成N+P+P—N+四層結(jié)構(gòu)。通過工藝控制形成薄的基區(qū)寬度，降低PN結(jié)擊穿電壓，以達(dá)到低壓ESD器件電壓要求。另外，輕摻雜的外延層P-可以防止反偏的N+P+發(fā)生雪崩擊穿。 而且這種結(jié)構(gòu)，易于集成，方便形成多路保護(hù)器件。一些簡單的理論已經(jīng)提供了對不同穿通結(jié)擊穿電壓的計算曲線，經(jīng)典臨界電場法近似方法也廣泛應(yīng)用于各類計算中，考慮到實驗上已觀察到臨界擊穿電場隨外延層摻雜濃度而變化的結(jié)果，對于平行平面穿通結(jié)擊穿電壓有人提出過近似解析方法，通常主要依靠計算機(jī)模擬來仿真出參數(shù)值指導(dǎo)設(shè)計研發(fā)。1.襯底厚度及電阻率，選用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)硅片，N型(111)面，厚度525 μ m, 因為襯底與外延層正偏，且濃度大，厚度對器件的擊穿電壓影響較小。襯底摻雜選用標(biāo)準(zhǔn)的重?fù)絊b襯底，摻雜濃度4. 63el8cm-3,襯底電阻率約為0. 01-0. 02 Ω cm ο2. P型外延層及調(diào)整層
選襯底的電阻率為0.01 Ω-οβ, N+發(fā)射區(qū)的結(jié)深為按通用晶體管的發(fā)射區(qū)參數(shù)約 1. 8 μ m，通過調(diào)整P+和P—區(qū)的厚度和摻雜濃度來獲得不同的穿通電壓值。下面的圖2給出了從M到R共6種模型對應(yīng)的P—和P+的摻雜和結(jié)深情況，而圖3是其對應(yīng)的仿真結(jié)果。分析圖3 I-V特性圖可以得出P+區(qū)和P—區(qū)的結(jié)深和摻雜濃度對該新型TVS器件穿通電壓的決定性影響，特別是圖2揭示了要得到某一穿通電壓將可能有多種模型可供選擇，實際制作過程中將綜合考慮穿通電壓、結(jié)電容和漏電流等因素最終確定器件的結(jié)構(gòu)和摻雜分布。根據(jù)電容和工藝穩(wěn)定性要求，我們選擇模擬結(jié)果中的廠區(qū)濃度為lE15cm-3， P—區(qū)厚度為lym。因外延層厚度薄，所以，PN過渡區(qū)的寬度對厚度的影響極大。PN過渡區(qū)是P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)在PN交界面處進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，兩種雜質(zhì)的濃度分布的迭加決定了 PN過渡區(qū)的大小，影響PN過渡區(qū)的主要因素有以下幾點(diǎn)(a)在高溫下，N型雜質(zhì)向P型層的固固擴(kuò)散；(b)生長P型層時，P型雜質(zhì)的自稀釋作用，其包括P型摻雜劑通過滯留層向外延層表面的擴(kuò)散和P型雜質(zhì)向N型層的固固擴(kuò)散。本發(fā)明的低壓TVS用硅外延片的制造方法，其目的是對PN過渡區(qū)進(jìn)行理想的控制，控制方法為1.在PN交界面處的P型濃度比平坦區(qū)略高；2.P型層生長前預(yù)通P型摻雜劑以改善反應(yīng)器內(nèi)的氣相條件。這可保證在器件制作高溫工藝后，過度區(qū)的寬度也基本穩(wěn)定，以獲得穩(wěn)定的外延層厚度，從而保證器件保護(hù)電壓的穩(wěn)定。其外延層的濃度分布如圖3 所示。本發(fā)明所用的基座是高純石墨表面經(jīng)裂解處理并表面包封SiC，用高頻感應(yīng)方式加熱，氫純化器用分子篩吸附，純度為99. 99999%。在進(jìn)行制造之前，清洗反應(yīng)器及襯底石英鐘罩及石英支架在進(jìn)行外延前必須認(rèn)真清洗，以清除吸附在內(nèi)壁的雜質(zhì)原子和殘留物；同時對石墨基座處理，以去除基座表面的高濃度雜質(zhì)和淀積的多晶硅層。其具體采用的工藝條件是1、用HCl氣腐，氣腐溫度為1130°C，氣腐的時間為4分鐘和HCl流量為lOL/min，氣相腐蝕的目的是去除襯底表面的自然氧化層和表面金屬沾污， 使外延層生長在一清潔的硅表面，以減少外延層中的缺陷。但是，在氣腐時硅表面層中的高濃度雜質(zhì)會轉(zhuǎn)移到氣相中，會產(chǎn)生嚴(yán)重的PN補(bǔ)償結(jié)果，也會影響到器件的保護(hù)電壓。因此，在氣腐時嚴(yán)格控制氣腐速率和氣腐時間，既保證了襯底表面的清潔，又使轉(zhuǎn)移到氣相中的雜質(zhì)最少。2、大流量氫氣吹除，減小氣相雜質(zhì)在外延反應(yīng)器中的濃度和吸附在基座及襯底表面的雜質(zhì)濃度，以減弱外延生長時N型雜質(zhì)對P型雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，以保證PN過渡區(qū)的理想分布；3、氫氣高溫烘烤，使N型襯底表面的雜質(zhì)原子在高溫下提高固固擴(kuò)散，逃逸到氣相中，以減弱PN雜質(zhì)的補(bǔ)償作用；4、選擇合適的外延條件外延生長前預(yù)通P型雜質(zhì)劑 (B2H6) 3 min,生長溫度1050°C，生長速率0. 15 μ m/min, P型摻雜流量在最初的一分鐘內(nèi)P 型摻雜流量為50 L/min，后兩分鐘P型摻雜流量35L/min生長一層電阻率和厚度符合器件要求的外延層。本發(fā)明方法所采用多項外延工藝技術(shù)有效地控制了 PN過渡區(qū)分布，所得到的硅外延片完全符合器件的要求。雖然本發(fā)明通過實施例進(jìn)行了描述，但實施例并非用來限定本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)，做出各種變形和改進(jìn)，所附的權(quán)利要求應(yīng)包括這些變形和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種低壓TVS用外延片的制造方法，其特征在于在N型襯底上生長P型外延層的工藝條件如下首先用HCl來氣腐襯底表面的雜質(zhì)和金屬原子后用高溫大流量的氫氣吹除， 然后用氫氣高溫烘烤N型襯底的雜質(zhì)原子，最后在外延生長前預(yù)通P型摻雜劑(B2H6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅外延片的制造方法，其特征在于HCl氣腐溫度為 1130°C，氣腐時間為4分鐘，HCl流量為lOL/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅外延片的制造方法，其特征在于外延生長前預(yù)通P型雜質(zhì)劑(B2H6)為3 min,且最初的一分鐘內(nèi)P型摻雜流量為50 L/min，后兩分鐘P型摻雜流量為35L/min，生長溫度為1050°C，生長速率為0. 15 μ m/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅外延片的制造方法，其特征在于外延生長前預(yù)通P型雜質(zhì)劑(B2H6)3 min,外延生長溫度1050°C，外延生長速率0. 15 μ m/min,外延生長時P型摻雜流量從50 L/min到35L/min ；生長一層P型外延層，靠近PN交界面的濃度高于平坦區(qū)的濃度，其電阻率和厚度符合器件要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅外延片的制造方法，具體是指低壓TVS用硅外延片的制造方法，其采用的技術(shù)方案如下在N型襯底上生長P型外延層的工藝條件首先用HCl來氣腐襯底表面的雜質(zhì)和金屬原子后用高溫大流量的氫氣吹除，然后用氫氣高溫烘烤N型襯底的雜質(zhì)原子，最后在外延生長前預(yù)通P型摻雜劑(B2H6)；這樣，可以減小氣相雜質(zhì)在外延反應(yīng)器中的濃度和吸附在基座及襯底表面的雜質(zhì)濃度，以減小N型雜質(zhì)與P型雜質(zhì)的補(bǔ)償度，形成潔凈的生長區(qū)；又可以改善反應(yīng)器內(nèi)的氣相條件，保證獲得穩(wěn)定的外延層厚度，從而保證器件保護(hù)電壓的穩(wěn)定。
文檔編號H01L21/20GK102290337SQ20111028670
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者金龍, 馬林寶, 駱紅 申請人:南京國盛電子有限公司