用于高壓快恢復(fù)二極管的硅外延片材料的生長

  1. 引言
  隨著絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體( VDMOSFET)等大功率器件的廣泛應(yīng)用，與之配套的快恢復(fù)二極管(FRD)得到了快速發(fā)展。與普通二極管相比，F(xiàn)RD具有耐高壓、快速開通和高速關(guān)斷等特點(diǎn)，其反向恢復(fù)不僅時(shí)間短而且具有軟恢復(fù)特性。1200V FRD器件由于設(shè)計(jì)復(fù)雜、工藝技術(shù)要求苛刻，核心技術(shù)仍然掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家中，尤其是高品質(zhì)的1200V FRD用硅外延材料的生長是制約其工藝的主要因素。外延技術(shù)經(jīng)過幾Ω十年的發(fā)展，其技術(shù)和工藝越來越成熟和穩(wěn)定，尤其是其精確的摻雜濃度控制和厚度控制，使越來越多的分立式器件和集成電路在硅外延材料上進(jìn)行芯片加工，例如肖特基、雙極晶體管和VDMOSFET等器件。但是對(duì)于1200V FRD器件用外延材料，由于要求外延層電阻率較高(約60Ω·cm)、厚度較厚(約130μm)，同時(shí)硅外延片尺寸迅速擴(kuò)大，由100mm和150mm發(fā)展到200 mm，其外延工藝控制相對(duì)于普通器件難度較大，工藝瓶頸主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
  ①延層滑移線缺陷不容易控制。當(dāng)前，對(duì)于硅外延缺陷方面研究很多，層位錯(cuò)等缺陷控制已非常成熟。但是對(duì)于200mm硅片厚層外延，滑移線問題還未得到徹底解決?；凭€的產(chǎn)生與增殖是外延層機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。
  200 mm硅襯底在生長過程中，由于存在溫場(chǎng)差，其襯底中心與邊緣的溫場(chǎng)差較125 mm或150mm大，因此其熱應(yīng)力也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 mm或150mm襯底；另外，由溫場(chǎng)差造成的淀積速率不同，造成中心和邊緣同樣存在機(jī)械應(yīng)力。由于1200V FRD器件用外延生長高溫工藝時(shí)間長，當(dāng)熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力累積到一定程度，達(dá)到或者超過硅材料晶格滑移的應(yīng)力臨界值時(shí)，滑移線便產(chǎn)生并急劇增殖。
  ②外延層電阻率均勻性控制更加困難。由于1200V FRD用外延片外延層較厚，約為130μm，生長時(shí)間較長，系統(tǒng)自摻雜對(duì)外延層影響時(shí)間較長，導(dǎo)致電阻率分布不均，另外由于襯底的去邊和邊緣拋光工藝，邊緣倒角部分缺少SiO₂背封層，高雜質(zhì)濃度的襯底直接裸露于反應(yīng)腔內(nèi)，襯底雜質(zhì)很容易通過該區(qū)域進(jìn)入邊緣外延層，導(dǎo)致該區(qū)域雜質(zhì)濃度升高，電阻率下降。
  ③為了滿足FRD器件的軟恢復(fù)特性，在外延層和襯底之間要制備一層濃度介于兩者之間的緩沖層。該層的外延參數(shù)要求控制精確，其過渡區(qū)的陡峭性是外延工藝的關(guān)鍵，陡峭性不足，則造成緩沖層有效厚度降低，以致不足以阻擋耗盡層擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档汀?br />   本文通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析200mm硅襯底與125mm和150mm硅襯底在相同外延工藝條件下的溫場(chǎng)差別，找到滑移線產(chǎn)生并增殖臨界窗口，改善1200V FRD器件用200mm。硅外延片的滑移線問題；通過優(yōu)化氫氣變流量趕氣工藝，改善外延層電阻率不均勻性問題；通過預(yù)生長本征覆蓋層(帽層)改善FRD緩沖層的過渡區(qū)陡峭性問題。
 
  2. 工藝實(shí)驗(yàn)
  2.1外延設(shè)備
  采用意大利LPE公司生產(chǎn)的LPE-3061D外延爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備為水平板式外延爐，反應(yīng)室結(jié)構(gòu)如圖1所示。腔體截面為矩形，針閥控制氣流分布，石墨基座感應(yīng)加熱，氣流走向?yàn)閱蜗?，自?dòng)機(jī)械手裝取片。每爐可以裝5片200mm硅襯底片，8片150 mm硅襯底片或者10片125 mm硅襯底片。

 
  2.2工藝設(shè)定
  原材料使用摻As硅襯底，襯底晶向?yàn)?lt;100>，電阻率區(qū)間為0.001~0.003 Ω•cm，生長用硅源為三氯氫硅(SiHC1₃)。
  實(shí)驗(yàn)參數(shù)外延層電阻率Ρ₁為63•cm，厚度w₁，為110μm；緩沖層電阻率p₂為4。5Ω•cm，厚度為w₂為25μm。
  采用常壓外延工藝，生長溫度控制在1040℃，外延生長前，使用氯化氫(HC1)氣體對(duì)襯底表面進(jìn)行原位腐蝕拋光，目的是去除殘留的表層缺陷和二氧化硅(SiO₂)外延生長分兩步進(jìn)行：①生長FRD器件需要的緩沖層，其電阻率介于襯底電阻率和外延電阻率之間；②生長同F(xiàn)RD需要的外延層。
  使用硅片表面分析儀SP1測(cè)試外延片滑移線分布；汞探針電容電壓法(Hg-CV)測(cè)試緩沖層和外延層電阻率分布；擴(kuò)展電阻法(SRP)測(cè)試緩沖層過渡區(qū)剖面分布。
 
  3. 結(jié)果與分析
  3.1外延層滑移線缺陷改善
  設(shè)備膠體、感應(yīng)線圈和生長溫度等工藝條件完全一致的情況下，直徑d分別為200，150和125mm的硅片在感應(yīng)線圈中的相對(duì)位置如圖2所示。共計(jì)有13個(gè)位置點(diǎn)P，其中相鄰兩點(diǎn)的間隔為20 mm。  
  125mm的硅片橫跨溫場(chǎng)在位置2~位置9之間，150mm的硅片橫跨溫場(chǎng)在位置2~位置10之間，而200mm的硅片橫跨溫場(chǎng)則擴(kuò)大至位置2~位置13之間，在外延工藝完全一致的條件下，滑移線總長度l及滑移線條數(shù)n測(cè)試結(jié)果見表1。圖3為不同硅外延片滑移線分布示意圖。  
  由表1和圖3比較可以看出，200mm的厚層硅外延片滑移線不論總長還是條數(shù)均明顯高于150mm和125mm硅外延片。為進(jìn)一步分析其產(chǎn)生的根本原因，設(shè)定生長溫度θ為1 040℃不變的前提下，測(cè)量多種外延片的不同位置P的溫度場(chǎng)，其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。  
  由圖4得知，位置3~13之間，125,150和200 mm硅外延片溫區(qū)波動(dòng)基本相當(dāng)；而從位置1~3，125mm硅外延片溫差為6℃，150mm為15℃，而200mm硅外延片溫差則達(dá)到了20℃，
200mm硅外延片的溫差明顯高于150mm和125mm?？梢?，隨著硅片尺寸增大，邊緣溫度落差越大。明顯的溫度落差導(dǎo)致了200mm FRD用硅外延片的滑移線形核并增殖。
  由于調(diào)整空間限制，通過設(shè)備調(diào)整如感應(yīng)線圈等手段不能從根本上改變溫度落差，且如果調(diào)整過度，不僅不能使滑移線得到改善，而且會(huì)引起外延層電阻率波動(dòng)，導(dǎo)致均勻性波動(dòng)。
  為了從工藝上找到1200V FRD 200 mm硅外延層滑移線的改善方法，在溫度控制上進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
  實(shí)驗(yàn)一，采用普通外延生長工藝，與125mm和150 mm硅外延片一致。升溫15 min，由室溫升至生長溫度區(qū)間，生長完畢之后降溫10 min，由生長溫度降至室溫?；凭€測(cè)試值為95.74 mm。
  實(shí)驗(yàn)二，采用區(qū)間恒溫工藝，即在升降溫進(jìn)入850，900和950℃區(qū)間，分別恒溫4,5和6 min,然后再按照實(shí)驗(yàn)一升降溫速率進(jìn)行。外延生長完畢之后，測(cè)試的滑移線結(jié)果見圖5和表2。表2為不同工藝條件下，200mm硅外延片滑移線的總長數(shù)據(jù)，圖5為不同工藝條件下，200 mm硅外延片滑移線的分布測(cè)試結(jié)果。    
  由表2和圖5可以看出，采用升降溫900℃區(qū)間恒溫工藝，滑移線總長較普通工藝(95.74 mm)有明顯降低。經(jīng)研究分析認(rèn)為，硅片加熱至800℃以上時(shí)，就進(jìn)入范性溫度區(qū)間，如果不采取恒溫手段，由于溫度梯度存在，熱應(yīng)力無法釋放，極易產(chǎn)生滑移線井增殖，而如果在升降溫至900℃左右時(shí)，溫度穩(wěn)定一段時(shí)間，降低了硅片內(nèi)外的溫度梯度，使熱應(yīng)力釋放，從而減少了滑移線的數(shù)量。進(jìn)一步分析比較850，900和950℃的恒溫區(qū)間和時(shí)間，900℃恒溫5 min效果最佳。采用此方法，雖不能完全杜絕滑移線的產(chǎn)生，但是使外延層內(nèi)的熱應(yīng)力得到了釋放，雖然邊緣仍然存在溫度落差，但滑移線總長度明顯減少，滿足了200V FRD器件對(duì)外延材料的使用要求。
 
  3.2 外延層電阻率不均勻性控制
  不同器件的外延材料電阻率不均勻性水平不同，肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)襯底大多為紅磷襯底，外延層電阻率不均勻性可以控制到3%以內(nèi)，溝槽MOS器件襯底以摻As襯底為主，外延層電阻率的不均勻性均可以控制在2%以內(nèi)，VDMOSFET和FRD 600V器件所用外延層材料的電阻率不均勻性均可以控制在3%以內(nèi)，而目前FRD 1200V器件所用外延層電阻率不均勻性只能控制到5%左右，究其原因，F(xiàn)RD 1200 V用硅外延片外層電阻率為63Ω·cm，厚度為130 μm。外延生長工藝時(shí)間長，約2h，而普通的外延生長約為1h，如此長的工藝時(shí)間造成外延層邊緣自摻雜嚴(yán)重，邊緣電阻率降低。
  改善電阻率不均勻性，根本方法是減少系統(tǒng)自摻雜的影響，自摻雜主要來自于襯底雜質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用保護(hù)氣H₂變流量趕氣可以改善電阻率不均勻性。即在外延生長前，保持生長溫度不變，在一定時(shí)間內(nèi)，H₂體積流量由2.5×10^-3m³/s增加至5.5×10^-3m³/s，再由5.5×10^-3m³/s降低至2.5×10^-3m³/s，然后再進(jìn)行外延生長。H₂的流量變化，對(duì)逸出襯底的雜質(zhì)起到了類似"虹吸"的效應(yīng)，加速了對(duì)逸出雜質(zhì)的驅(qū)趕和清除，減弱了對(duì)外延層的干擾，從而改善了電阻率不均勻性，改善結(jié)果見表3，表中：p_c為外延層中心電阻率；p₁，p_u，p_d分別為“左、右、上、下”4點(diǎn)(距邊緣6mm)的電阻率，普通工藝的電阻率不均勻性測(cè)試結(jié)果為4.53%。而通過H₂變流量趕氣，F(xiàn)RD 1200V外延層電阻率不均勻性為2.88%只靠任，達(dá)到了小于3%的目的。  
  3.3 本征層(帽層)對(duì)緩沖層有效厚度和電阻率不均勻性的影響
  緩沖層的有效厚度至關(guān)重要。厚度太薄，無法阻擋耗盡層的拓展，造成二極管反向軟恢復(fù)失效，易導(dǎo)致器件燒毀厚度太厚，耗盡層拓展緩慢，造成反向恢復(fù)時(shí)間延長，失去快恢復(fù)意義。
  為保證緩沖層的有效厚度，在緩沖層生長之前預(yù)先生長一薄層本征層(帽層)，目的是抑制襯底對(duì)緩沖層的橫向和縱向自摻雜，保證過渡區(qū)的陡峭和邊緣電阻率的分布。帽層生長既不能太薄也不能太厚，太薄則失去覆蓋層的意義，太厚則會(huì)出現(xiàn)高阻夾層，影響緩沖層緩沖效果。圖6為生長帽層與不生長帽層擴(kuò)展電阻剖面(SRP)分布曲線，圖中：w為外延層厚度；p為電阻率。由SRP分布對(duì)比可以看出，無帽層緩沖層的過渡區(qū)為10μm，而有帽層緩沖層過渡區(qū)為5μm，二者相差5μm，無帽層的緩沖層有效厚度要低于有帽層的。帽層的存在改善了緩沖層的有效厚度，保證了FRD器件的參數(shù)性能。
  有無帽層對(duì)緩沖層的電阻率均勻性也帶來影響。表4為生長帽層與不生長帽層緩沖層工藝電阻率不均勻性的數(shù)據(jù)。生長速率和生長溫度一定的條件下，無帽層覆蓋時(shí)，緩沖層電阻率不均勻性僅為2.5%，而有帽層覆蓋時(shí)，緩沖層的電阻率不均勻性僅為1.1%，明顯好于無帽層。其根本原因同樣是帽層抑制了襯底雜質(zhì)的橫向自摻。  
  4. 結(jié)論
  1200V FRD用200mm厚層硅外延片在生長過程中，由于中心與邊緣溫度落差較大，導(dǎo)致滑移線易于形核并增殖，通過工藝優(yōu)化，采用900℃恒溫工藝，可以明顯降低滑移線總長，由之前的90mm左右降低至15mm左右，滿足器件使用要求。使用H₂變流量趕氣工藝通過抑制系統(tǒng)自摻雜，可以明顯改善外延層電阻率均勻性，由之前的5%以內(nèi)提高到3%以內(nèi)；預(yù)生長本征帽層可以明顯影響緩沖層的過渡區(qū)陡峭性，無帽層的緩沖層過渡區(qū)為10μm，而有帽層的緩沖層過渡區(qū)僅為5μm，帽層的存在改善了緩沖層的有效厚度，并降低了緩沖層的電阻率不均勻性，使其不均勻性由2.5%左右降低至1%左右。通過以上手段的實(shí)施，200 mm厚層外延滿足了1200V FRD器件的材料指標(biāo)要求，外延片出貨量大幅度增加，提升了國產(chǎn)1200V FRD器件用200mm硅外延材料的產(chǎn)業(yè)化水平。



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