一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法。通過優(yōu)化現(xiàn)有工藝，抑制自摻雜效應，提高了外延片厚度及電阻率參數(shù)的均勻性，降低了晶體缺陷的發(fā)生的概率，以滿足器件的使用要求，大大提高快速恢復二極管器件的可靠性與成品率。制備的硅外延片的厚度不均勻性<1%，電阻率不均勻性<2%，無晶格缺陷，過渡區(qū)寬度<4um，在參數(shù)上完全滿足器件對硅外延材料的要求。該硅外延產(chǎn)品現(xiàn)已得到了用戶的一致認可，極大推進國產(chǎn)快速恢復二極管器件性能的提高。
【專利說明】—種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體材料的制備工藝技術，尤其涉及一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法。

【背景技術】
[0002]快速恢復二極管具有快速開通和高速關斷的能力，其反向恢復時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓較高?？焖倩謴投O管主要應用于脈寬調制器、變頻調速器、超聲波電源、開關電源等高頻大功率電子電路中。硅外延片作為制備快速恢復二極管器件的關鍵基礎材料，衡量其性能有三項重要參數(shù)，分別是厚度、電阻率和表面缺陷。目前普遍要求外延層厚度不均勻性< 3%，電阻率不均勻性< 5%，同時無晶格缺陷，外延層與襯底之間形成的過渡區(qū)寬度 < 外延層厚度的15%。
[0003]目前，制備硅外延片的通用方法是化學氣相外延生長，即利用三氯氫硅(SiHCl3)和氫氣等氣態(tài)物質在高溫環(huán)境下反應后，在硅單晶襯底的表面上淀積單晶薄層。由于該方法可以對外延層的晶體結構、幾何參數(shù)和電學參數(shù)實現(xiàn)良好的控制，因而得到了最廣泛的應用?？焖倩謴投O管用硅外延片需要在重摻雜硅襯底上生長高阻外延層，受襯底雜質揮發(fā)的自摻雜效應的影響，制備電阻率均勻性高且過渡區(qū)窄的外延層比較困難，尤其在所需的外延層厚度較厚，生長時間較長時，獲得高電阻率均勻性、窄過渡區(qū)寬度的外延層的工藝難度更大。因此需通過優(yōu)化現(xiàn)有外延工藝，加強對自摻雜效應的有效抑制，以成功實現(xiàn)滿足器件要求的外延片。
[0004]


【發(fā)明內容】

本發(fā)明的目的是提供一種快速恢復二極管器件用硅外延片的制造方法，通過優(yōu)化現(xiàn)有工藝，抑制自摻雜效應，提高了外延片厚度及電阻率參數(shù)的均勻性，降低了晶體缺陷的發(fā)生的概率，以滿足器件的使用要求，大大提高快速恢復二極管器件的可靠性與成品率。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的:一種快速恢復二極管器件用硅外延片的制造方法，其特征在于:包括以下步驟:
步驟一.先利用HCl在高溫下對外延爐基座進行刻蝕，以去除基座上的殘余沉積物質，溫度設定為112(Tll50°C，HCl氣體流量設定為廣3 L/min，刻蝕時間設定為3?5 min，隨后對基座重新包上一層本征多晶硅，生長原料為三氯氫硅氣體，流量設定為3(T35 g/min，時間設定為10?15 min ；
步驟二.在外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐反應腔體8?10分鐘，氣體流量設定為100?150 L/min ；
步驟三.對硅襯底片表面進行氣相拋光，采用氫氣輸送拋光氣體HCl進入反應腔室，氫氣流量設定為250?300 L/min, HCl流量設定為I?3 L/min，溫度設定為115(Tl200°C，拋光時間設定為2?3 min ；
步驟四.在氫氣環(huán)境下對硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的雜質，氫氣氣體流量設定為28(T320 L/min，烘焙溫度設定為112(Tll50°C，烘焙時間設定為2?5 min ； 步驟五.在硅襯底上生長硅本征層，生長溫度設定為112(T115(TC，采用氫氣輸送生長原料三氯氫硅氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為25(T300 L/min，三氯氫硅流量設定為14?16 g/min,生長速率控制在0.6?I ym/min,生長時間為I?3 min ；
步驟六.采用HCl氣體刻蝕掉受自摻雜嚴重的本征層表層，減小自摻雜效應，HCl流量設定為3?5 L/min,拋光時間設定為10?12 min ；
步驟七.進行所需摻雜外延層的生長，生長溫度設定為112(T1150°C，外延爐基座轉速控制在2.(Γ3.0 r/min,外延爐的基座頂盤距基座的高度控制在45、0 mm,用氫氣輸送三氯氫硅和摻雜劑PH3氣體進入反應腔室，氫氣流量控制在30(T350 L/min，三氯氫硅流量設定為25?30 g/min，摻雜劑純度為50 ppm，PH3流量設定為32?34 sccm，摻雜外延層生長速率控制在f 1.2 μ m/min ；
步驟八.摻雜外延層生長達到預定厚度后降溫，將氮氣和氫氣流量設定為10(T150 L/min,吹掃外延爐反應腔室5?10分鐘；
步驟九.將外延片從基座上取出，利用紅外線測試法對外延層的厚度及均勻性進行測量，利用CV測試法對硅外延片的電阻率及其均勻性進行測量，利用擴展電阻技術測量外延層的過渡區(qū)的寬度。
[0006]本發(fā)明的有益效果是，提供了一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法，通過對現(xiàn)有工藝的優(yōu)化，制備的硅外延片的厚度不均勻性〈1%，電阻率不均勻性〈2%，無晶格缺陷，過渡區(qū)寬度〈4 um，在參數(shù)上完全滿足器件對硅外延材料的要求。該硅外延產(chǎn)品現(xiàn)已得到了用戶的一致認可，極大推進國產(chǎn)快速恢復二極管器件性能的提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是實施例1獲得的外延片的過渡區(qū)測試結果；
圖2是實施例2獲得的外延片的過渡區(qū)測試結果；
圖3是實施例3獲得的外延片的過渡區(qū)測試結果；
圖4是實施例4獲得的外延片的過渡區(qū)測試結果。

【具體實施方式】
[0008]以下結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明:
本發(fā)明所用的外延爐為PE-2061S型常壓桶式外延爐；HC1氣體純度> 99.99 ;三氯氫硅氣體純度> 99.95% ;氮氣和氫氣氣體純度均> 99.999%。
[0009]實施例1
(I)先利用HCl在高溫下對外延爐基座進行刻蝕，以去除基座上的殘余沉積物，溫度設定為1120°C，HC1氣體流量設定為3 L/min，刻蝕時間設定為5 min，隨后對基座重新包上一層本征多晶娃,生長原料為三氯氫娃氣體,流量設定為35 g/min,時間設定為10 min。
[0010](2)在外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，硅片導電類型為N型，晶向為〈111〉，電阻率為0.002 Ω ■ Cm，厚度為525 μ m，直徑為125 mm。依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐反應腔體10分鐘，氣體流量設定為100 L/min。
[0011](3)對娃襯底片表面進行氣相拋光,溫度設定為1150°C,米用氫氣輸送拋光氣體HCl進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min, HCl流量設定為3 L/min，拋光時間設定為3 min。
[0012](4)在氫氣環(huán)境下對硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的雜質。烘焙溫度設定為1130°C，烘焙時間設定為3 min，氫氣氣體流量設定為300 L/min。
[0013](5)在硅襯底上生長硅本征層，生長溫度設定為1130°C，采用氫氣輸送生長原料三氯氫硅(SiHCl3)氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為300L/min，SiHCl3流量設定為15 g/min,生長速率控制在0.8 μ m/min,生長時間為I min。
[0014](6)采用HCl氣體刻蝕掉受自摻雜嚴重的本征層表層，減小自摻雜效應，HCl流量設定為5 L/min,拋光時間設定為11 min。
[0015](7)進行所需摻雜外延層的生長，生長溫度設定為1130°C，外延爐基座轉速控制在
3.0r/min,外延爐的基座頂盤距基座的高度控制在45 mm。用氫氣輸送三氯氫娃和摻雜劑PH3氣體進入反應腔室，氫氣流量控制在320 L/min，三氯氫硅流量設定為28 g/min，生長速率控制在1.1 μ m/min，摻雜劑PH3的純度為50ppm，流量設定為33 sccm。
[0016](8)摻雜外延層生長達到預定厚度后降溫，將氮氣和氫氣流量設定為150 L/min吹掃外延爐反應腔室8分鐘。
[0017](9)將外延片從基座上取下，利用Nicolet 6700紅外厚度測試儀獲得硅外延片的厚度及其均勻性，利用SSM495汞探針C-V測試儀獲得硅外延片的電阻率及其均勻性，利用SRP 2000擴展電阻測試儀獲得硅外延層與襯底的過渡區(qū)的寬度。
[0018]以上實施例1制得的硅外延層的導電類型為N型，外延片表面光亮，無缺陷，厚度平均值為38.742 μ m，厚度不均勻性為0.811%，電阻率平均值為18.1686 Q_cm，電阻率不均勻性為1.545%，過渡區(qū)測試結果如圖1所示，寬度為3.11 Mm，界面分布陡峭，所制硅外延片的參數(shù)滿足快速恢復二極管器件的指標要求。
[0019]實施例2
(I)先利用HCl在高溫下對外延爐基座進行刻蝕，以去除基座上的殘余沉積物，溫度設定為1120°C，HC1氣體流量設定為2 L/min，刻蝕時間設定為4 min,隨后對基座重新包上一層本征多晶娃,生長原料為三氯氫娃氣體,流量設定為35 g/min,時間設定為10 min。
[0020](2)在外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，硅片導電類型為N型，晶向為〈111〉，電阻率為0.002 Ω ■ cm，厚度為525 μ m，直徑為125 mm。依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐反應腔體8分鐘，流量設定為120 L/min。
[0021](3)對娃襯底片表面進行氣相拋光,溫度設定為1180°C,米用氫氣輸送拋光氣體HCl進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min, HCl流量設定為3 L/min，拋光時間設定為3 min。
[0022](4)在氫氣環(huán)境下對硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的雜質。烘焙溫度設定為1150°C，烘焙時間設定為5 min，氫氣流量設定為300 L/min。
[0023](5)在硅襯底上生長硅本征層，生長溫度設定為1130°C，采用氫氣輸送生長原料三氯氫硅(SiHCl3)氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min，SiHCl3流量設定為15 g/min,生長速率控制在0.8 μ m/min,生長時間為I min。
[0024](6)采用HCl氣體刻蝕掉受自摻雜嚴重的本征層表層，減小自摻雜效應，HCl流量設定為3 L/min,拋光時間設定為12 min。
[0025](7)進行所需摻雜外延層的生長，生長溫度設定為1130°C，外延爐基座轉速控制在3.0r/min,外延爐的基座頂盤距基座的高度控制在45 mm。用氫氣輸送三氯氫娃和摻雜劑PH3氣體進入反應腔室，氫氣流量控制在300 L/min，三氯氫硅流量設定為29 g/min，生長速率控制在1.1 μ m/min，摻雜劑PH3的純度為50ppm，流量設定為33 sccm。
[0026](8)摻雜外延層生長達到預定厚度后降溫，將氮氣和氫氣流量設定為100 L/min吹掃外延爐反應腔室8分鐘，
(9)將外延片從基座上取下，利用Nicolet 6700紅外厚度測試儀獲得硅外延片的厚度及其均勻性，利用SSM495汞探針C-V測試儀獲得硅外延片的電阻率及其均勻性，利用SRP2000擴展電阻測試儀獲得硅外延層與襯底的界面過渡區(qū)的寬度。
[0027]以上實施例2制得的硅外延片表面光亮，無缺陷，厚度平均值為38.758 μ m，厚度不均勻性為0.877%，電阻率平均值為18.1812 Ω ■ cm,電阻率不均勻性為1.206%,過渡區(qū)測試結果如圖2所示，寬度為2.56 Mffl，界面分布陡峭，所制硅外延片的參數(shù)滿足快速恢復二極管器件的指標要求。
[0028]實施例3
(I)先利用HCl在高溫下對外延爐基座進行刻蝕，以去除基座上的殘余沉積物，溫度設定為1120°C，HC1氣體流量設定為3 L/min，刻蝕時間設定為5 min，隨后對基座重新包上一層本征多晶娃,生長原料為三氯氫娃氣體,流量設定為35 g/min,時間設定為10 min。
[0029](2)在外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，硅片導電類型為N型，晶向為〈111〉，電阻率為0.002 Ω ■ cm，厚度為525 μ m，直徑為125 mm。依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐反應腔體8分鐘，氮氣和氫氣純度均彡99.999%，流量設定為100 L/min。
[0030](3)對娃襯底片表面進行氣相拋光,溫度設定為1150°C,米用氫氣輸送拋光氣體HCl進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min, HCl流量設定為2 L/min，拋光時間設定為3 min ；
(4)在氫氣環(huán)境下對硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的雜質。烘焙溫度設定為1150°C，烘焙時間設定為4 min，氫氣氣體流量設定為280 L/min。
[0031](5)在娃襯底上生長娃本征層，生長溫度設定為1150°C,米用氫氣輸送生長原料三氯氫硅(SiHCl3)氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min，SiHCl3流量設定為16 g/min,生長速率控制在I μ m/min,生長時間為I min。
[0032](6)采用HCl氣體刻蝕掉受自摻雜嚴重的本征層表層，減小自摻雜效應，HCl流量設定為5 L/min,拋光時間設定為12 min。
[0033](7)進行所需摻雜外延層的生長，生長溫度設定為1130°C，外延爐基座轉速控制在
3.0r/min,外延爐的基座頂盤距基座的高度控制在45 mm。用氫氣輸送三氯氫娃和摻雜劑PH3氣體進入反應腔室，氫氣流量控制在320 L/min，三氯氫硅流量設定為30 g/min，生長速率控制在1.2 μ m/min，摻雜劑PH3的純度為50ppm，流量設定為33.2 sccm。
[0034](8)摻雜外延層生長達到預定厚度后降溫，將氮氣和氫氣流量設定為150 L/min吹掃外延爐反應腔室8分鐘。
[0035](9)將外延片從基座上取下，利用Nicolet 6700紅外厚度測試儀獲得硅外延片的厚度及其均勻性，利用SSM495汞探針C-V測試儀獲得硅外延片的電阻率及其均勻性，利用SRP 2000擴展電阻測試儀獲得硅外延層與襯底的過渡區(qū)的寬度。
[0036]以上實施例3制得的硅外延片表面光亮，無缺陷，厚度平均值為38.772 μ m，厚度不均勻性為0.901%,電阻率平均值為18.2566 Ω ■ cm,電阻率不均勻性為0.879%，過渡區(qū)測試結果如圖3所示，寬度為2.03 Mffl，分布陡峭，所制硅外延片的參數(shù)滿足快速恢復二極管器件的指標要求。
[0037]實施例4
(I)先利用HCl在高溫下對外延爐基座進行刻蝕，以去除基座上的殘余沉積物，溫度設定為1130°C，HC1流量設定為2 L/min，刻蝕時間設定為3 min，隨后對基座重新包上一層本征多晶娃，生長原料為三氯氫娃氣體，流量設定為35 g/min,時間設定為10 min。
[0038](2)在外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，硅片導電類型為N型，晶向為〈111〉，電阻率為0.002 Ω ■ cm，厚度為525 μ m，直徑為125 mm。依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐反應腔體8分鐘，氮氣和氫氣純度均彡99.999%，流量設定為150 L/min。
[0039](3)對娃襯底片表面進行氣相拋光,溫度設定為1150°C,米用氫氣輸送拋光氣體HCl進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min, HCl流量設定為3 L/min，拋光時間設定為3 min ；
(4)在氫氣環(huán)境下對硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的雜質，烘焙溫度設定為1150°C，烘焙時間設定為5 min，氫氣氣體流量設定為300 L/min。
[0040](5)在娃襯底上生長娃本征層，生長溫度設定為1130°C,米用氫氣輸送生長原料三氯氫硅(SiHCl3)氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為300 L/min，SiHCl3流量設定為15 g/min,生長速率控制在0.8 μ m/min,生長時間為I min。
[0041](6)采用HCl氣體刻蝕掉受自摻雜嚴重的本征層表層，減小自摻雜效應，HCl流量設定為5 L/min,拋光時間設定為11 min。
[0042](7)進行所需摻雜外延層的生長，生長溫度設定為1130°C，外延爐基座轉速控制在
3.0r/min,外延爐的基座頂盤距基座的高度控制在45 mm。用氫氣輸送三氯氫娃和摻雜劑PH3氣體進入反應腔室，氫氣流量控制在320 L/min，三氯氫硅流量設定為30 g/min，摻雜外延層生長速率控制在L 2 μ m/min，摻雜劑PH3的純度為50ppm，流量設定為33.3 sccm。
[0043](8)摻雜外延層生長達到預定厚度后降溫，將氮氣和氫氣流量設定為150 L/min,吹掃外延爐反應腔室8分鐘。
[0044](9)將外延片從基座上取下，利用Nicolet 6700紅外厚度測試儀獲得硅外延片的厚度及其均勻性，利用SSM495汞探針C-V測試儀獲得硅外延片的電阻率及其均勻性，利用SRP 2000擴展電阻測試儀獲得硅外延層與襯底的過渡區(qū)的寬度。
[0045]以上實施例4制得的硅外延層的導電類型為N型，外延片表面光亮，無缺陷，厚度平均值為38.762 μ m,厚度不均勻性為0.804%,電阻率平均值為18.2371 Ω ■ cm,電阻率不均勻性為0.712%，過渡區(qū)測試結果如附圖4所示，寬度為1.78 μ?,界面分布陡峭，所制硅外延片的參數(shù)完全滿足快速恢復二極管器件的指標要求。并且與實施例1、實施例2和實施例3相比，在其相應的工藝條件下，實施例4所制得的硅外延片的厚度和電阻率不均勻性更低，過渡區(qū)寬度更窄。因此，實施例4為本發(fā)明的最佳實施例。
【權利要求】
1.一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一.先利用HCl在高溫下對外延爐基座進行刻蝕，以去除基座上的殘余沉積物質，溫度設定為112(Tll50°C，HCl氣體流量設定為廣3 L/min，刻蝕時間設定為3?5 min，隨后對基座重新包上一層本征多晶硅，生長原料為三氯氫硅氣體，流量設定為3(T35 g/min，時間設定為10?15 min ； 步驟二.在外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐反應腔體8?10分鐘，氣體流量設定為100?150 L/min ； 步驟三.對硅襯底片表面進行氣相拋光，采用氫氣輸送拋光氣體HCl進入反應腔室，氫氣流量設定為250?300 L/min, HCl流量設定為I?3 L/min，溫度設定為115(Tl200°C，拋光時間設定為2?3 min ； 步驟四.在氫氣環(huán)境下對硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的雜質，氫氣氣體流量設定為28(T320 L/min，烘焙溫度設定為112(Tll50°C，烘焙時間設定為2?5 min ；步驟五.在硅襯底上生長硅本征層，生長溫度設定為112(T115(TC，采用氫氣輸送生長原料三氯氫硅氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為25(T300 L/min，三氯氫硅流量設定為14?16 g/min,生長速率控制在0.6?I ym/min,生長時間為I?3 min ； 步驟六.采用HCl氣體刻蝕掉受自摻雜嚴重的本征層表層，減小自摻雜效應，HCl流量設定為3?5 L/min,拋光時間設定為10?12 min ； 步驟七.進行所需摻雜外延層的生長，生長溫度設定為112(T115(TC，外延爐基座轉速控制在2.(Γ3.0 r/min,外延爐的基座頂盤距基座的高度控制在45、0 mm,用氫氣輸送三氯氫硅和摻雜劑PH3氣體進入反應腔室，氫氣流量控制在30(T350 L/min，三氯氫硅流量設定為25?30 g/min，摻雜劑PH3的純度為50ppm，PH3流量設定為32?34 sccm，摻雜外延層生長速率控制在f 1.2 μ m/min ； 步驟八.摻雜外延層生長達到預定厚度后降溫，將氮氣和氫氣流量設定為10(T150 L/min,吹掃外延爐反應腔室5?10分鐘； 步驟九.將外延片從基座上取出，利用紅外線測試法對外延層的厚度及均勻性進行測量，利用CV測試法對硅外延片的電阻率及其均勻性進行測量，利用擴展電阻技術測量外延層的過渡區(qū)的寬度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法，其特征在于:所用的外延爐為PE-2061S型常壓桶式外延爐。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法，其特征在于:HCl氣體純度彡99.99%，三氯氫硅氣體純度彡99.95%。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種快速恢復二極管用硅外延片的制造方法，其特征在于:氮氣和氫氣氣體純度均> 99.999%。
【文檔編號】H01L21/329GK104319235SQ201410570481
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權日:2014年10月23日
【發(fā)明者】王文林, 李揚, 高航, 李明達 申請人:中國電子科技集團公司第四十六研究所