CN105575772A - Frd用硅外延片制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种FRD用硅外延片制备方法，涉及半导体材料在基片上的沉积方法技术领域。包括如下步骤：在硅衬底上表面生长一层本征层；固定硅源流量，将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时将稀释氢流量逐渐变大，在本征层的上表面生长杂质浓度渐变的缓冲层；在所述缓冲层上生长外延层。所述方法通过对流量的控制，形成一个可控的外延浓度渐变的长过渡区外延层，不仅能提高器件的软度因子，还能保持器件原有的电学特性。

Description

FRD用硅外延片制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料在基片上的沉积方法技术领域，尤其涉及一种FRD用硅外延片制备方法。
背景技术
PIN结构二极管在正向偏置电压下，导通阻抗很小，近似短路；反向偏压下，阻抗很高，近似开路；并且它具有功率容量大、损耗小、速度快等特点，因此在功率二极管中广泛应用。例如：开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。
随着电子技术、集成电路的不断发展，对功率半导体器件的稳定性和可靠性提出更高的要求。对于快恢复二极管（FRD）来说，它在反向恢复过程中产生电流的瞬变，强烈的电流瞬变过程会使得即使寄生电感很小，也会产生较高的感应电压，烧毁电路中的器件。同时，电流瞬变还会在LC共振电路中产生振荡，振荡会产生大量辐射，造成EMI问题，加速绝缘材料的老化，对电路的稳定性和可靠性造成很大的威胁。
为了减小这种电压的震荡，提升器件的稳定性及可靠性，就需要在反向恢复过程中形成一个较为合适的反向恢复电流，即提高器件的软因子。在加工工艺中，通常采取在N+区和N-基区之间增加一个缓冲层的方法进行改善，这是由于缓冲层中大量载流子的存在，抑制电流瞬变的发生。在反向偏压下，势垒区在通过缓冲层结构时扩展减缓，这样经过少子存储之后，缓冲层中还有大量的自由载流子未被抽走，从而提高二极管的下降时间tf，而提高软度因子。
S=tf/ts
tf：从电流过零点开始，到反向恢复峰值电流的时间间隔
ts：从反向恢复峰值电流到电流到零点的时间间隔为ts
S：软度因子
常规的外延工艺是在衬底上直接使用恒定注入、稀释流量的方法生长外延层，外延层浓度一致不变，这种方法形成的过渡区非常短，对抗击反向恢复电流冲击的能力很小。而传统的制作缓冲层工艺方法是使用注入、扩散工艺在N-衬底形成缓冲层及N+层，由于注入过程的不可控，造成缓冲层杂质浓度、缓冲层厚度、杂质浓度分布等参数不可控，最终导致器件参数的不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种FRD用硅外延片制备方法，所述方法通过对流量的控制，形成一个可控的外延浓度渐变的长过渡区外延层，不仅能提高器件的软度因子，还能保持器件原有的电学特性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种FRD用硅外延片制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）在硅衬底上表面生长一层本征层；
2）固定硅源流量，将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时将稀释氢流量逐渐变大，在本征层的上表面生长杂质浓度渐变的缓冲层；
3）在所述缓冲层上生长外延层。
进一步的技术方案在于：在所述的步骤1）之前，还包括对硅衬底进行进行HCL气腐的步骤，用于将硅衬底表面的自然氧化层及抛光处理时形成的微缺陷层去除。
进一步的技术方案在于：所述的HCL气腐过程是在1120-℃-1170℃温度下进行的，将HCL通入外延炉的腔室内，利用HCL对抛光片表面进行轻腐蚀处理，去除厚度为0.1μm-0.2μm。
进一步的技术方案在于：在所述的步骤1）之前，还包括使用HCl对外延炉的腔室进行处理以及将石墨基座进行包硅处理的步骤。
进一步的技术方案在于：所述衬底使用重掺砷的N型〈111〉抛光片，电阻率0.002Ω.cm-0.004Ω.cm。
进一步的技术方案在于：所述本征层的厚度为0.5μm-1μm。
进一步的技术方案在于：所述渐变缓冲层的电阻率为0.02Ω.cm-0.5Ω.cm，厚度为20μm-30μm。
进一步的技术方案在于：在缓冲层生长之前，首先使用大流量H2进行bake，用于将表层及腔室内杂质得到控制，之后生长本征层。
进一步的技术方案在于：所述步骤2）中在渐变缓冲层的生长时，固定硅源流量，首先，使用最大流量的掺杂剂，其流量值为850sccm，并使用最小流量的稀释氢，其流量值为0.3slm，得到0.02Ω.cm电阻率的缓冲层，然后将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时稀释氢流量逐渐变大，最终形成0.5Ω.cm电阻率的缓冲层，完成渐变的缓冲层生长。
进一步的技术方案在于：所述的外延层的生长温度为1130℃-1170℃，电阻率为18Ω.cm-20Ω.cm，厚度为70μm-80μm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明使用注入及稀释流量同时渐变（Ramp）的方法，通过对流量的精确控制，可以形成一个可控的外延浓度渐变的长过渡区外延层，缓冲层杂质浓度及分布、缓冲层厚度等参数可控，且重复性、一致性较好。在过渡区生长完成后，采用传统工艺生长最外层N-层，以保持器件需要的反向电压等电参数特性，因此本方法不仅能提高器件的软度因子，还能保持器件原有的电学特性。
附图说明
图1是本发明所述的外延片的结构示意图；
图2是常规FRD外延片纵向电阻率分布曲线；
图3是本发明所述方法三次加工渐变缓冲层外延片纵向电阻率分布曲线叠加图；
其中：1、硅衬底2、本征层3、杂质浓度渐变的缓冲层4、外延层。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明公开了一种FRD用硅外延片制备方法，包括如下步骤：
1）在硅衬底1上表面生长一层本征层2上，所述衬底使用重掺砷的N型〈111〉抛光片，电阻率0.002Ω.cm-0.004Ω.cm。为提高外延质量，在外延生长前需要进行HCL气腐，将硅衬底1表面的自然氧化层及抛光处理时形成的微缺陷层去除。气腐过程一般是在高温1150℃下进行，将HCL通入腔室内，利用HCL对抛光片表面进行轻腐蚀处理，一般去除厚度约为0.1μm。
2）固定硅源流量，将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时将稀释氢流量逐渐变大，在本征层2上的上表面生长杂质浓度渐变的缓冲层3上；缓冲层生长之前，为保证外延层参数的一致性，首先使用大流量H2进行bake，将表层及腔室内杂质得到有效控制，之后生长0.5μm的本征层；
在渐变缓冲层的生长时，固定硅源流量，首先，使用最大流量的掺杂剂，其流量值为850sccm，并使用最小流量的稀释氢，其流量值为0.3slm，得到0.02Ω.cm电阻率的缓冲层，然后将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时稀释氢流量逐渐变大，最终形成0.5Ω.cm电阻率的缓冲层，完成渐变的缓冲层生长，厚度约为25μm；由于掺杂浓度较大，为避免掺杂剂成核、表面缺陷的形成此步要求有较高的生长温度1180℃。
3）在所述缓冲层上生长外延层4上，完成所述硅外延片的制备，制备的硅外延片的结构如图1所示。具体的，该步骤使用常规生长温度1150℃，正常的外延工艺进行生长，电阻率为19Ω.cm，外延层厚度75μm。
测试：使用红外膜测厚仪进行厚度测试，使用SSM495测试电阻率，使用SSM2000测试纵向电阻率分布，通过测试验证本发明加工的渐变缓冲层外延片完全符合器件制作要求。
图2是常规FRD外延片纵向电阻率分布曲线；
图3是本发明所述方法三次加工渐变缓冲层外延片纵向电阻率分布曲线叠加图；
图2和图3中的横坐标是Depth，单位是μm，纵坐标是电阻率的对数值。
本发明渐变缓冲层外延片电阻率、厚度片内一致性数据如下表所示：
本发明使用注入及稀释流量同时渐变（Ramp）的方法，通过对流量的精确控制，可以形成一个可控的外延浓度渐变的长过渡区外延层，缓冲层杂质浓度及分布、缓冲层厚度等参数可控，且重复性、一致性较好。在过渡区生长完成后，采用传统工艺生长最外层N-层，以保持器件需要的反向电压等电参数特性，因此本方法不仅能提高器件的软度因子，还能保持器件原有的电学特性。

Claims (10)

1.一种FRD用硅外延片制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）在硅衬底（1）上表面生长一层本征层（2）上；
2）固定硅源流量，将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时将稀释氢流量逐渐变大，在本征层（2）上的上表面生长杂质浓度渐变的缓冲层（3）上；
3）在所述缓冲层上生长外延层（4）上。
2.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：在所述的步骤1）之前，还包括对硅衬底（1）进行进行HCL气腐的步骤，用于将硅衬底（1）上表面的自然氧化层及抛光处理时形成的微缺陷层去除。
3.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：所述的HCL气腐过程是在1120-℃-1170℃温度下进行的，将HCL通入外延炉的腔室内，利用HCL对抛光片表面进行轻腐蚀处理，去除厚度为0.1μm-0.2μm。
4.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：在所述的步骤1）之前，还包括使用HCl对外延炉的腔室进行处理以及将石墨基座进行包硅处理的步骤。
5.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：所述衬底使用重掺砷的N型〈111〉抛光片，电阻率0.002Ω.cm-0.004Ω.cm。
6.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：所述本征层（2）的厚度为0.5μm-1μm。
7.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：所述渐变缓冲层的电阻率为0.02Ω.cm-0.5Ω.cm，厚度为20μm-30μm。
8.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：在缓冲层生长之前，首先使用大流量H2进行bake，用于将表层及腔室内杂质得到控制，之后生长本征层。
9.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：所述步骤2）中在渐变缓冲层的生长时，固定硅源流量，首先，使用最大流量的掺杂剂，其流量值为850sccm，并使用最小流量的稀释氢，其流量值为0.3slm，得到0.02Ω.cm电阻率的缓冲层，然后将注入的掺杂剂流量逐渐变小，同时稀释氢流量逐渐变大，最终形成0.5Ω.cm电阻率的缓冲层，完成渐变的缓冲层生长。
10.如权利要求1所述的FRD用硅外延片制备方法，其特征在于：所述的外延层（4）的生长温度为1130℃-1170℃，电阻率为18Ω.cm-20Ω.cm，厚度为70μm-80μm。
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