高壓IGBT 器件用200mm 硅外延材料制備技術(shù)研究

魏建宇，楊 帆，王銀海，鄧雪華

（南京國(guó)盛電子有限公司 江蘇 南京 211111）

1 引言

絕緣柵雙極晶體管（簡(jiǎn)稱IGBT）是在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合功率器件，具有MOS 輸入、雙極輸出功能。IGBT 集雙極晶體管器件通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身。作為電力電子變換器的核心器件，為應(yīng)用裝置的高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基礎(chǔ)[1-3]。

本文結(jié)合高壓IGBT 器件用200mm 硅外延材料的特性要求，從表面缺陷控制、滑移線控制，以及產(chǎn)品電阻率縱向結(jié)構(gòu)分布控制等方面，研究了外延材料制備過程中的各項(xiàng)工藝參數(shù)，優(yōu)化了高壓IGBT 器件用大尺寸硅外延片的制備方法。

2 外延制備過程介紹

2.1 外延設(shè)備介紹

采用LPE 公司的PE·3061 平板式外延爐進(jìn)行加工制備，機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖1 所示。

圖1 機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 外延原理介紹

將襯底片置放于包有SiC 涂層的高純石墨基座上，然后放進(jìn)石英鐘罩的反應(yīng)腔室。使用氫氣（H2）作為載體，攜帶三氯氫硅（SiHCl3）通入反應(yīng)腔。經(jīng)過線圈高頻感應(yīng)加熱，在反應(yīng)腔進(jìn)行高溫化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生硅原子在襯底片表面進(jìn)行外延生產(chǎn)。

2.3 外延制備方法介紹

選用200mm 摻磷中阻襯底片，先采用小流量氣腐工藝條件對(duì)襯底片表面做拋光，然后選擇多層外延的工藝條件在合適的溫度下進(jìn)行外延生長(zhǎng)。硅源采用超高純?nèi)葰涔?，先生長(zhǎng)一層電阻率平坦的外延層，然后采用變摻雜流量的工藝條件生長(zhǎng)中間過渡層，最后生長(zhǎng)一層高阻外延層。

3 研究工作及成果

3.1 表面缺陷控制

外延片表面產(chǎn)生晶格缺陷的因素有很多，如反應(yīng)腔的潔凈程度、襯底表面質(zhì)量都會(huì)對(duì)外延片表面的晶格缺陷產(chǎn)生直接影響。本文假設(shè)這些外部條件都正常的情況下，研究生長(zhǎng)溫度對(duì)表面缺陷的影響。

選取合適的機(jī)臺(tái)，在保證其他各項(xiàng)條件相同的前提下，變動(dòng)生長(zhǎng)溫度，驗(yàn)證外延片表面的缺陷產(chǎn)生情況，收集數(shù)據(jù)見表1。

表1 生長(zhǎng)溫度與裂片率的對(duì)應(yīng)性

結(jié)論：外延生長(zhǎng)溫度越低，表面缺陷廢片率越高；當(dāng)生長(zhǎng)溫度高于一定設(shè)定值后，表面缺陷廢片率基本恒定。

3.2 表面滑移線控制

外延片表面滑移線的產(chǎn)生是由多個(gè)因素共同導(dǎo)致的。目前的理論主要是由機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。當(dāng)二者共同作用的總應(yīng)力大于外延溫度下引起的晶體滑移的應(yīng)力臨界值時(shí)，便產(chǎn)生了滑移線[4-5]。目前，襯底在加工過程中已經(jīng)引入了邊緣倒角拋光工藝步驟，且隨著拋光技術(shù)的逐漸成熟，襯底端引入的機(jī)械應(yīng)力已得到明顯的改善。本文主要從改善熱應(yīng)力的角度出發(fā)，控制表面滑移線的產(chǎn)生。

（1）在確認(rèn)其他條件相同的情況下，通過調(diào)整不同的溫場(chǎng)分布趨勢(shì)，關(guān)注產(chǎn)品表面的滑移線結(jié)果。不同的溫場(chǎng)分布趨勢(shì)見圖2 所示。

圖2 溫場(chǎng)趨勢(shì)圖

（2）在不同的溫場(chǎng)結(jié)果下，收集產(chǎn)品表面滑移線數(shù)據(jù)見表2。

表2 溫場(chǎng)與滑移線的對(duì)應(yīng)性

結(jié)論：片內(nèi)溫場(chǎng)極差越小，外延片表面滑移線長(zhǎng)度越短。

3.3 外延片電阻率縱向結(jié)構(gòu)控制

選用多層外延的控制模式，中間過渡層采用變摻雜流量的工藝條件。通過對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了外延片電阻率縱向結(jié)構(gòu)的特殊分布，滿足了客戶端的設(shè)計(jì)要求。如圖3 為外延片電阻率縱向結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 外延片電阻率縱向結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

本文研究了高壓IGBT 器件用200mm 硅外延材料制備技術(shù)。通過研究生長(zhǎng)溫度與表面缺陷的對(duì)應(yīng)性，降低了批產(chǎn)過程中的缺陷廢片率；通過研究溫場(chǎng)分布趨勢(shì)與外延片表面滑移線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，減少了片內(nèi)滑移線的產(chǎn)生；通過多層外延的控制模式，并采用變摻雜的工藝條件，實(shí)現(xiàn)了外延片電阻率縱向結(jié)構(gòu)的特殊分布。