一种IGBT硅外延片的制造方法

摘要

本发明公开了一种IGBT硅外延片的制造方法，选用重掺硼的P型抛光片，电阻率≤0.02Ωcm，局部平整度≤1.5mm，背封LTOSiO2厚度为5000±500A，背面边缘氧化层去除宽度≤1mm；适当增加抛光时间和提高工艺温度，在1180℃，选择合适的HCl流量8－10L/min，抛光时间10min，抛光结束以后大流量H2吹扫10min以上；综合考虑自掺杂、晶格质量、电阻率控制以及生产效率等因素，选择适当的双层外延工艺条件，硅源采用超高纯三氯氢硅，第一步生长温度1080－1100℃，生长速率控制在0.8－1.0μm/min，第二步生长温度1120－1150℃，生长速率控制在1.2－1.6μm/min，双层外延生长时由不同的掺杂源精确控制。

说明书

一、技术领域

本发明涉及半导体基础材料------硅外延片，具体而言，是关于一种新型电力电子器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)硅外延片的制造方法。

二、背景技术

IGBT(绝缘栅双极晶体管)是高频与大电流电子电力装置的核心部件，具有输入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、安全工作区宽、电流处理能力强等优点，在高压领域中克服了VDMOS导通电阻大的缺点，兼容了MOS和双极型器件的优点，深受电路设计者的欢迎，在电机控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速低损耗的许多领域中有了越来越广泛的应用，成为电力电子器件领域中很有前途的竞争者。

为了降低成本、提高器件性能，IGBT在横向上单元设计的优化、单元结构的精细化等方面进展迅速，通过现代IC微细加工技术实现高微精结构，IGBT器件单元逐步高密度化，对硅外延片的技术要求大大提高，为保证器件成品率，外延层电阻率和外延层厚度的径向偏差应尽可能小，外延片的几何尺寸精度要求更加苛刻，大尺寸芯片则希望外延片具有极低的晶格缺陷密度。

IGBT的设计是通过PNP-NPN晶体管的连接形成晶闸管，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，IGBT用硅外延片具有特殊的N^-/N⁺/P⁺多层结构，其技术要求如下：第一，反型外延，衬底片为P型掺杂，低电阻率(＜0.02Ωcm)，外延层为N型掺杂，高电阻率(＞10Ωcm)；第二，双层外延，N^-层和P⁺层之间存在高掺杂浓度的N⁺层，双外延层的电阻率相差2个数量级以上；第三，高阻厚层外延，外延层厚度在80um以上，甚至超过100um。

外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层的方法，由于对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性，气相外延得到了最广泛的应用。在重掺杂衬底上进行外延生长，自掺杂效应是必须考虑的问题。在外延前的HCl腐蚀、H₂x处理和外延生长时的高温，使重掺衬底片的杂质原子从正面、边缘和背面从由固相蒸发到反应室的气相中，进入外延层形成气相自掺杂，同时反应室的气氛与衬底杂质化学反应产物进入外延层也会形成非人为掺杂，自掺杂的程度取决于淀积温度、硅源、生长速率、反应室尺寸和压强(与边界层厚度有关)。

由于P型参杂元素硼的蒸汽压以及在硅中的扩散系数较大，外延高温过程中，重掺P型衬底的自掺杂现象更为明显，加上IGBT用硅外延片特殊的N^-/N⁺/P⁺多层结构，外延工艺难度远大于常规外延品种，主要体现在：a、反型外延，外延层导电类型与衬底相反，存在一定的补偿，外延层与衬底之间的过渡区难以精确控制；b、双层外延，电阻率相差2个数量级以上，外延层电阻率均匀性和重复性控制难度极大；c、厚外延层，容易导致硅片边缘翘边现象，晶格缺陷密度增加；d、特殊的外延结构，增加了外延层电阻率、厚度以及纵向分布的测试难度。

三、发明内容

针对现有技术中存在的问题，依据外延工艺自掺杂效应的产生机理、抑制方法以及固态扩散理论，本发明提出了一种新型的硅外延工艺技术，与常规外延方法相比较，其技术特点如下：变温HCl原位抛光工艺，以控制重掺P型衬底的自掺杂效应；变速外延生长，以满足双层外延的技术要求；衬底片的特殊加工工艺，如边缘倒角角度及形状、背面处理及氧化层封闭、背面边缘氧化层去除等。

本发明的技术方案如下：

a、为满足IGBT器件设计的要求，选用重掺硼的P型<100>抛光片，电阻率≤0.02Ωcm，局部平整度≤1.5mm(15mm×15mm)，背封LTOSiO₂厚度为5000±500A，背面边缘氧化层去除宽度≤1mm；

b、HCl抛光工艺：为了得到外延前洁净的表面，保证厚度外延的晶格质量，适当增加抛光时间和提高工艺温度，在1180℃，选择合适的HCl流量8-10L/min，抛光时间10min，抛光结束以后大流量H₂吹扫10min以上，以排出反应器中残余的P型杂质，减小外延生长时的自掺杂效应；

c、外延生长工艺：综合考虑自掺杂、晶格质量、电阻率控制以及生产效率等因素，选择适当的双层外延工艺条件，硅源采用超高纯三氯氢硅(TCS)，第一步生长温度1080-1100℃，生长速率控制在0.8-1.0um/min，第二步生长温度1120-1150℃，生长速率控制在1.2-1.6um/min，双层外延时掺杂控制由不同的掺杂源精确控制，以确保工艺的稳定性。

本发明“一种IGBT硅外延片的制造方法”，在于优化抛光片的技术参数，有利于高阻厚层硅外延工艺，采取独特的HCl抛光工艺以及大流量H₂吹扫，减小P型杂质对N型外延层的自掺杂效应，双层外延生长采用不同的掺杂源和工艺条件，大大提高外延片的参数均匀性和重复性，从而保证了器件的性能和成品率。

四、附图说明

图1：本发明所用的装置示意图；

图2：采用本发明生长的硅外延层纵向载流子浓度典型分布图；

图3：采用本发明生长的硅外延层典型电阻率和厚度径向分布表图；

图4：本发明的工艺流程图。

五、具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细地说明：

本发明采用设备为意大利PE-2061S常压硅外延生长系统，见图1，高纯石墨基座作为高频感应加热体，主要载气H₂纯度为99.9999％以上。

反应器清洗：石英钟罩以及反应室中使用的石英零件在进行外延前必须仔细清洗，彻底清除石英钟罩内壁和石英件上的淀积残留物。

反应室高温处理：外延生长之前，石墨基座必须进行HCl高温处理，去除基座上残余的反应物，并淀积一层本征多晶硅。

气相抛光：外延生长之前对衬底片进行HCl抛光腐蚀，去除衬底表面机械损伤层及氧化物，清除表面沾污，改善表面状况，减少外延层缺陷，这对于厚层外延尤其重要。本发明采用的工艺条件既充分保证了厚层外延所需的洁净原始硅片表面，又使得进入气相的杂质最少，减小了自掺杂效应。气相抛光温度1180℃，HCl流量8-10L/min，抛光时间10min，抛光腐蚀之后，大流量H₂吹扫10min。

双层外延生长：第一层低阻外延层，生长温度1080-1100℃，生长速率0.8-1.0um/min，第二步生长温度1120-1150℃，生长速率为1.2-1.6um/min，按照外延层技术要求选择适当的掺杂源流量以及生长时间。外延层纵向载流子浓度典型分布如图2，双层外延分布平坦，过渡区陡直。外延层典型电阻率和厚度径向分布如表一，径向偏差的计算公式为：

$W\%=\frac{W_{\mathrm{Max}}-W_{\mathrm{Min}}}{W_{\mathrm{Max}}+W_{\mathrm{Min}}}\times 100\%$

W_Max和W_Min分别表示数据(电阻率或厚度)最大值和数据最小值。其电阻率径向偏差≤5％，厚度径向偏差≤4％，外延片晶格结构完好，表面光亮无细亮点，位错＜500/cm^-2，层错＜100/cm^-2，无翘边和边沿结晶现象。本发明方法所制作的硅外延片完全满足了IGBT器件的要求。

图4为本发明的工艺流程图。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。