6英寸IGBT用硅外延材料制造工艺的设计与实现

摘要

IGBT作为功率器件市场中的一部分，虽然份额较小，但发展快速，随着消费类电子产品的不断发展，越来越多的设备将用到IGBT器件，IGBT用硅外延材料的生产必然能有一个很好的发展前景。然而由于国内技术发展不完善等原因，作为IGBT关键基材的硅外延片主要依赖于进口。进口外延片不仅成本很高，而且其外延层厚度受工艺制约只有60～100微米，国外仅有少数企业能突破这一瓶颈，但其成本非常高昂，此外外延层的电阻率均匀性及厚度均匀性均难达到10％以内，尤其是生长的外延层，随着厚度的增加，其缺陷密度也随之增加，严重影响功率器件的电参数。由于IGBT要求外延水平较高，对技术工艺要求严格。国内能生产IGBT的企业并不多，同时国内专业生产IGBT用硅外延材料基本处于空白状态。因此国产IGBT用硅外延材料的制造技术研究势在必行。
　　 本文主要对6英寸IGBT用硅外延材料的制造工艺进行研究开发。
　　 IGBT器件的主要结构为N-/N+/P+的异型结构，其中P+为衬底部分，N-/N+为外延生长部分，由设计要求可以看到，N+/P+及N-/N+的过渡区宽度要求都很窄，因此必须采用特殊工艺来达成。同时由于外延层厚度很厚，较一般薄层外延更容易产生缺陷。均匀性方面，由于表面电阻率很高，且厚度超过100um，而且采用的是较大尺寸的6英寸片，要达到设计指标所要求的电阻率厚度均匀性有一定的难度。
　　 因此，要实现6英寸IGBT用硅外延材料的生产还有许多问题需要解决，本文主要从以下几个方面入手研究。从生长动力学对硅外延生长进行了理论分析，找出了影响外延层厚度均匀性的关键因素，同时通过实验进一步验证了自掺杂对N/P+型结构外延片的厚度均匀性的影响：分析了外延层中的杂质浓度分布情况，通过对掺杂机理、扩散效应和自掺杂效应的研究，得到了影响硅外延层电阻率均匀性的关键因素。而后由生长动力学提出了用H2变温变速解吸法来减小自掺杂效应的影响，从而有效的解决了电阻率均匀性的问题，这个也是本论文的重点；对IGBT用硅外延材料的N/N+/P+结构进行分析研究，得到了对过渡区影响的关键因素，提出了用预通掺杂剂的技术来控制N+/P+过渡区，通过实验验证并改进，得到了符合要求的N+/P+、N/N+过渡区。
　　 通过理论研究，对关键工艺因素进行设计，结合多次实验并分析，最终得到了满足要求的6英寸IGBT用硅外延材料，电阻率厚度均匀性＜8%，过渡区宽度＜5um，表面缺陷都符合指标要求。实验的成功也为6英寸IGBT用硅外延材料的批量生产打下了好的基础。