毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法
2024-03-08 03:50:15
專利名稱：毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法
技術領域：
本發明涉及矽外延片，具體涉及毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，屬於用矽外延片的製造領域。
背景技術：
在毫米波段，雪崩二極體因其輸出功率大轉換效率高，具有良好的應用前景，是受到廣泛關注的固態功率器件之一。其對稱均勻摻雜的雙漂移(DDR)結構(P+PNN+)與單漂移結構(P+NN+)相比，它具有面積大、熱阻小的特點，提高了器件的輸出功率和轉換效率。使器件在所要求的頻段上獲得最大的輸出功率和效率，首先是器件內部結構的最佳化，而器件的內部結構主要是多層外延材料的摻雜濃度和厚度、PN結面積、PN結過渡區寬度等；其次是外部條件的最佳配合，包括直流偏置、散熱機構、測試系統等。所以外延材料的研究成為器件研究的關鍵所在。本發明為雙漂移雪崩二極體所需PNN+多層外延材料，研究了實現多層機構外延的工藝條件。DDR結構有兩個工作區P區和N區的參雜濃度和厚度的設計應使耗盡層邊緣恰好達到NN+和PP+界面，即所謂「正好穿通型」。因為過厚的未耗盡層會增加器件的串連電阻， 影響功率和效率；而「過穿通型」結構的器件又不耐燒毀。器件設計時，首先不考慮載流子的擴散和複合，用類秘瓦方法解泊松方程和電流連續性方程，得出計算機小信號模擬的數值解；再以小信號模擬的結果作為一級近似計算P區和N區的濃度和厚度，得到如圖1所示的結果。對於8mm雙漂移雪崩二極體，計算得到器件結構的最佳具體參數為
襯底電阻率P < 0.003Ω-cm
N型外延層濃度Nn =3. 3 X IO16 cm_3
N型外延層厚度 Wn=O. 95μπι
P型外延層濃度 Np =3. 9 X IO16 cm—3 P型外延層厚度Wp =0. 85μ m
N+N過渡區寬度Wnn < 0. 15μ m
NP 過渡區寬度(AWt) Wnp < 0. 30μπι
缺陷密度<5X102cm—2
擊穿電壓Vbk =(80 94) V
要求N、P層濃度分布平坦 N+N、NP過渡區越小越好。在P區和N區之間有一過渡區，它的寬度Δ Wt對器件性能有明顯影響。Δ Wt定義為低於P層和N層Νρ、Νν半個數量級之間的距離。Δ Wt越大輸出的功率和效率下降越多，所以Δ Wt越小越好，設計要求Δ Wt < 0. 3 μ m ；在N層和N+層之間有一過渡區，它的寬度Δ Wn 影響到Wn的有效厚度和總厚度的值，對器件的輸出功率和輸出效率都有很大的影響。矽多層外延材料是器件製作的基礎，進一步提高外延材料的參數控制精度和減小 PN結過渡區的寬度是本發明的重點。常規的外延材料製作，有三個參數的要求，電阻率、厚度和過渡區寬度，而本材料要求有六個參數需控制，而且還包含了一個PN結和一 N+N過渡區，如圖2所示為雪崩二極體結構和電場分布。由於存在二個過渡區且N型外延層和P型外延層都比較薄，所以過渡區的控制既影響其寬度也影響外延層的平坦度和厚度。1、N+N過渡區的控制。外延是在高濃度的摻As襯底上進行的，首先是雜質原子由高濃度襯底向外延層的固態擴散，其最終的雜質分布為餘誤差函數分布。其次是外延生長時的汽相自摻雜，汽相自摻雜源由以下幾種因素(a)高溫HCl原位氣腐後產生的高濃度雜質；(b)雜質從襯底背面和襯底邊緣的蒸發；(c)雜質從襯底正面的蒸發；(e)雜質從襯底正面向外延層擴散。所謂汽相自摻雜是在外延生長時，自摻雜源在外延生長時作為摻雜雜質進入外延層裡，消除或減少自摻雜源，是減小自摻雜的主要途徑。2、PN過渡區控制。 PN過渡區是P型雜質和N型雜質在PN交界面處進行補償的結果，兩種雜質的濃度分布的迭加決定了 PN過渡區的大小，影響PN過渡區的主要因素有以下幾點(a)生長完 N型外延層後，在基座、襯底表面和反應鐘罩內形成了 N型雜質的滯留層和吸附層，在生長P 型層時，這些N型雜質重新摻入外延層，這樣，在PN交界處，N型雜質的分布就形成了一個緩變的分布，分布越緩，PN過渡區越寬；(b)在高溫下，N型雜質向P型層的固固擴散；(c) 生長P型層時，P型雜質的自稀釋作用，其包括P型摻雜劑通過滯留層向外延層表面的擴散和P型雜質向N型層的固固擴散。採用變流量生長法和常規外延生長對PN交界面處N型雜質分布的影響如圖3所示，常規生長法分布平緩，變流量生長法分布陡直。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明依據自摻雜的產生機理及抑制方法和固態擴散的理論而發展起來一種多層外延技術。本發明所採用的技術方案如下一種毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於首先用HCl來氣腐襯底表面的雜質和金屬原子並用大流量氫氣吹除；其次是在高濃度的襯底表面生長第一層外延並對襯底片表面和邊緣進行包封；然後生長一層N型外延層；最後生長一層P型外延層；HCl氣腐溫度為1130°C， 氣腐時間為4分鐘，HCl流量為lOL/min ；第一層外延生長時的生長溫度為1090°C，澱積速率為0. 15ym/min ；第二層外延生長時，N型摻雜(PH3)流量為12L/min，在N型層生長的最後一分鐘，N型摻雜(PH3)流量調整為15L/min，生長溫度為1050°C，澱積速率為0. 15 μ m/ min ；在第三層外延生長前預通P型雜質(B2H6)劑3 min, P型摻雜流量在最初一分鐘內為 20L/min, 一分鐘後P型摻雜流量為15L/min生長溫度為1050°C，澱積速率為0. 15 μ m/min。本發明的有益效果是1、HCl氣腐可以清除殘留在襯底表面的雜質和金屬原子， 形成潔淨的生長區；2、大流量氫氣吹除，減小氣相雜質在外延反應器中的濃度和吸附在基座及襯底表面的雜質濃度，可以減小N型雜質與P型雜質的補償度；3、在N型、P型外延層生長前預通N型、P型摻雜劑以改善反應器內的氣相條件，以獲得穩定的外延層厚度；4、採用較低的生長溫度和較低的澱積速率，可以減小過渡區。
圖1為毫米波雪崩二極體所需外延材料的結構和濃度分布。
圖2為毫米波雪崩二極體結構和電場分布。圖3為不同生長方法對過渡區的影響。圖4為採用本發明生長的外延層濃度分布。圖5為本發明毫米波雪崩二極體的生長工藝程序。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明的進行詳細地說明
針對過度區的大小直接影響雪崩二極體的輸出功率和轉換效率，針對P型和N型外延層濃度直接影響雪崩二極體的工作頻率，針對P型和N型外延厚度直接影響雪崩二極體的擊穿電壓進行了本發明創造。本發明是依據自摻雜的產生機理及抑制方法和固態擴散的理論而發展起來的一種多層外延技術。對雪崩二極體提出的特殊要求，與常規的外延相比，其技術的特點是控制HCl的氣腐量並對襯底表面用純度外延層包封；採用較低的生長溫度和較低的澱積速率，以減小N+N過渡區；其次是採取二步外延法並通過預通P型摻雜劑，產生氣一固擴散，以減小PN過渡區。本發明的雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其目的是對PN過渡區和N+N過渡區進行理想的控制，控制方法為1.在PN交界面的P型和N型濃度比平坦區略高；2.P型層生長前預通P型摻雜劑一改善反應器內的氣相條件。這可保證在器件製作高溫工藝後，過度區的寬度也基本能滿足器件性能的要求，保證器件最大的輸出功率和最大的轉換效率。對 N型和P型外延層的濃度和厚度進行理想的控制，保證器件的擊穿電壓和工作頻率。本發明所用的基座是高純石墨表面經裂解處理並表面包封SiC，用高頻感應方式加熱，氫純化器用分子篩吸附，純度為99. 99999%。在進行製造之前，清洗反應器及襯底石英鐘罩及石英支架在進行外延前必須認真清洗，以清除吸附在內壁的雜質原子和殘留物；同時對石墨基座處理，以去除基座表面的高濃度雜質和澱積的多晶矽層。其具體採用的工藝條件是1、用HCl氣腐，氣腐溫度為1130°C，氣腐的時間為4分鐘和HCl流量為lOL/min，氣相腐蝕的目的是去除襯底表面的自然氧化層和表面金屬沾汙， 使外延層生長在清潔的矽表面，以減少外延層中的缺陷，然後用氫氣吹除5分鐘；2、第一層外延生長溫度為1090°C，澱積速率為0. 2ym/min，生長的時間為1分鐘，生長的外延層覆蓋至整個襯底片的表面和邊緣，減少外延生長時的自摻雜和外延生長時的過渡區；3、第二層外延N型摻雜(PH3)流量在前面的4. 3分鐘內為12L/min，在N型層生長的最後一分鐘調整為15L/min，生長溫度為1050°C，澱積速率為0. 15ym/min, 4、第三層外延在生長前預通P型雜質劑(B2H6)3 min，P型摻雜流量在最初一分鐘內為20L/min，一分鐘後P型摻雜流量為15L/min，生長溫度為1050°C，澱積速率為0. 15μπι/π η。本發明方法所採用多項外延工藝技術有效地控制了自摻雜，所得到的矽外延片完全符合器件的要求。圖4為採用本發明生長的外延層濃度分布。圖5為本發明毫米波雪崩二極體的生長工藝程序。雖然本發明通過實施例進行了描述，但實施例並非用來限定本發明。本領域技術人員可在本發明的精神的範圍內，做出各種變形和改進，所附的權利要求應包括這些變形和改進。
權利要求
1.一種毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於首先用HCl來氣腐襯底表面的雜質和金屬原子並用大流量氫氣吹除；其次是在高濃度的襯底表面生長第一層純度外延層並對襯底片表面和邊緣進行包封，控制其生長溫度、澱積速率和外延時間，以使包封層達到理想效果，同時考慮低溫澱積以減少自摻雜雜質的蒸汽壓和固態擴散速率，選擇合適的外延條件，保證外延片表面的平整度和局部平整度；然後生長第二層的N型外延層， 靠近PN交界面的濃度高於平坦區的濃度，其電阻率和厚度符合器件要求；最後生長第三層的P型外延層，靠近PN交界面的濃度高於平坦區的濃度，其電阻率和厚度符合器件要求。
2.根據權利要求1所述的毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於氣腐條件的選擇，HCl氣腐溫度為1130°C，氣腐時間為4分鐘，HCl的流量為lOL/min ；氫氣吹除時間為5分鐘。
3.根據權利要求1所述的毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於第一層外延生長時的生長溫度1050-1130°C，澱積速率為0. 15μπι/π η。
4.根據權利要求1所述的毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於第二層外延生長時生長溫度1050-1130°C，澱積速率為0. 15ym/min, N型摻雜(PH3)流量 12 15 L/min。
5.根據權利要求4所述的毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於第二層外延生長，在N型外延層生長的最後一分鐘，N型摻雜(PH3)流量調整為15L/min。
6.根據權利要求1所述的毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於第三層外延生長時生長溫度1050-1130°C，澱積速率為0. 15ym/min, P型摻雜流量20 15 L/min。
7.根據權利要求6所述的毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其特徵在於在第三層外延生長前預通P型雜質(B2H6)劑3 min, P型摻雜流量在最初一分鐘內為20L/ min, 一分鐘後P型摻雜流量為15L/min，生長溫度1050°C，澱積速率為0. 15 μ m/min。
全文摘要
本發明涉及矽外延片，具體涉及毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法，其所採用的技術方案為毫米波雪崩二極體用矽外延片的製造方法的特徵在於首先用HCl來氣腐襯底表面的雜質和金屬原子並用大流量氫氣吹除；其次是在高濃度的襯底表面生長第一層外延並對襯底片表面和邊緣進行包封；然後生長第二層的N型外延層；最後生長第三層的P型外延層；其具有的有益效果是可以形成潔淨的生長區；在N型、P型外延層生長前預通N型、P型摻雜劑可以獲得穩定的外延層厚度且採用較低的生長溫度和較低的澱積速率，可以減小過渡區。
文檔編號C30B29/06GK102332497SQ20111029393
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月8日 優先權日2011年10月8日
發明者金龍, 馬利行, 馬林寶 申請人:南京國盛電子有限公司