埋柵型靜電感應器件研制中的外延技術

0 引言

　　靜電感應晶體管SIT是一種結構靈敏的器件，也是具有類真空三極管特性的新型電力半導體器件，一般為常開型器件。從結構上說SIT與一般場效應晶體管FET相似，但溝道更窄、更短，具有其他半導體器件無法比擬的一系列優(yōu)點，如優(yōu)異的高頻特性和高速開關特性，無電流集中，耐擊穿強度高，驅動功率小，屬于電壓驅動型器件。靜電感應晶體管可廣泛應用于高速、高壓、低功耗場合。就大功率上有高頻感應加熱，在高頻上應用有中波廣播發(fā)射機，在低功耗應用方面有叉車的速度控制器，在小功率應用方面有顯示器CTR的驅動等。另外還有不停電電壓、高壓特殊電壓、超聲波清洗機、魚群探測器等。 在靜電感應晶體管研制過程中，發(fā)現在關鍵工藝外延工序中，即在p型襯底上生長n-型高阻外延層時存在自摻雜效應，即熱蒸發(fā)使襯底p型雜質進入氣相，改變了氣相中的摻雜成分和濃度，導致外延層中的雜質實際分布偏離理想情況，使生長的外延層或者低阻化為n+型，或者反型為p型層，或者可能出現不希望的夾層，從而改變器件結構(如圖1所示)，影響器件性能，最終導致器件研制失敗。本研究中，外延工序主要解決兩個問題：一是保證使外延層高阻化；二是防止自摻雜效應引起的Si片反型。

1 高阻外延中方塊電阻的控制

　　電力埋柵型靜電感應晶體管SIT的單元截面圖如圖2所示。圖中可以看出，所需要的外延層為高阻n-型，設計厚度為10～16μm，首先從結構上保證了柵源擊穿電壓可達到幾十伏的數量級。除外延層厚度外，影響柵源擊穿電壓的主要是外延層方塊電阻的大小。

　　對單邊突變平行平面結，雪崩擊穿電壓VB可表示為


　　式中，N為外延層的摻雜濃度。實際的擊穿電壓比理論值小，經常使用的經驗求算公式有

 
　　式中，ρ為高阻區(qū)的電阻率。擊穿時對應的耗盡層寬度為
 
　　對柵-外延層結來說，由于外延層厚度較小，該結擊穿電壓實際是穿通擊穿，此時擊穿電壓VPT與外延層厚度dep的關系為
 
　　由此可以估計一定外延層電阻率和外延層厚度下對應的柵源擊穿電壓。
圖3給出了外延層厚度為10μm、外延方塊電阻在100～100 000 Ω／□的結果?？梢钥闯觯瑥睦碚撋险f外延方塊電阻控制在幾千到幾萬Ω／□比較合適，相應電阻率為幾個Ω·cm到幾十Ω·cm。外延后由于后繼工藝造成的柵體雜質再擴、源區(qū)擴磷侵蝕等因素影響，最終外延層有效厚度將不足10μm，圖4給出了外延層厚度在5～10μm時不同外延層電阻率對應的擊穿電壓?？紤]到后繼工序對外延層侵蝕，外延電阻率在8～20 Ω·cm為宜，即最佳外延層方塊電阻控制在4 000～10 000Ω／□較合適。

2 外延中的自摻雜及其解決辦法

　　對于SIT，自摻雜效應主要來源于濃硼擴散形成的柵區(qū)中的硼原子在外延層中的反擴散。根據現有條件，需要采用各種方法，減少外延前預烘焙過程中從柵體蒸發(fā)的雜質，保證外延過程不反型。本文采用的方法主要是補償法，包括背封法、兩步外延法和染磷法，并通過實驗驗證了這些方法是有效、合理的。

2.1 背封技術

　　外延過程中，雜質從襯底背面的蒸發(fā)和背面的反向腐蝕效應是導致自摻雜的一個重要原因。為了控制自摻雜、避免外延層反型和提高方塊電阻，可以采用背封技術，用高純Si或SiO2等薄膜把襯底表面封閉起來。具體的背封措施通常采用生長SiO2的辦法來封住背面，防止雜質揮發(fā)。背封的缺點是不可避免的引入了熱應力，導致后工序的碎片率上升。經過實驗，采用此方法得到的外延層方塊電阻為4 000～5 000 Ω／□，管芯外延層類型為n型。

2.2兩步外延法

　　外延生長過程中，摻雜劑引入的雜質和自摻雜引入的雜質，都會摻入外延層。外延補償的思路是通過調控外延過程中摻雜劑的摻雜百分數，對自摻雜引入的雜質進行補償，使外延層雜質濃度、電阻率達到預期值。

　　隨著外延層厚度的逐漸增加，埋柵表面雜質蒸發(fā)引起的自摻雜的影響逐漸減小，所以其影響主要在外延生長的初始階段。為了得到合格的外延層，工藝中采用了兩步外延的方法，即首先用重摻雜生長，對柵體表面蒸發(fā)出來的p型雜質進行充分補償；待外延層生長到一定厚度，柵體表面蒸發(fā)出來的p型雜質的影響很小時，再改用本征生長，直到生長到所需的厚度。

　　兩步外延的具體工藝中要注意的是重摻雜的濃度和厚度：重摻雜補償后、外延再生長前，外延層表面可能的導電類型為p、p-、n-或者n型，為得到高質量、高阻外延層，最好是p-、n-型。也就是說初次外延后的表面雜質濃度控制在5×1014 cm-3(p型)～5×1014cm-3(n型)。多次實驗表明，若外延層厚度約為10 μm，外延方塊電阻為5 000～20 000 Ω／□，則第一步外延以PH3摻雜70％為宜，生長厚度控制在1μm左右。具體時間和厚度，由外延生長條件和外延過程中的具體操作步驟決定，以二次外延正式生長前、各熱處理完成后，被覆蓋的柵體表面的B不至于外溢到表面為前提。但控制摻PH3的量是一個難題。從表1中可以看出，如果量太多，所得到的基本上是低阻外延，和所要求的高阻外延相差很多，且R□的隨機性很大，時高時低；減少PH3的摻雜含量，又出現了反型的情況。鑒于外延工藝調節(jié)的困難，經過大量實驗后，提出外延前的染磷技術。即采用外延前補償，外延時只本征生長，這就是外延前的染磷工藝。

2.3染磷法

　　對于SIT來說柵體表面蒸發(fā)出來的雜質是最主要的，而對SITH來說除了柵體表面蒸發(fā)出來的雜質，還有背面陽極蒸發(fā)出來的p型雜質的影響也是不容忽略的，這就是為什么SITH在外延過程中比SIT更容易反型的原因。

　　兩步外延法是在外延環(huán)節(jié)中用重摻雜的方法把柵體表面蒸發(fā)出來的p型雜質進行充分補償，而擴散染磷法則是在進行外延之前，用擴散方法把SIT、SITH的柵體和SITH的陽極表面用一層薄薄的濃磷層蓋住，這樣在外延的過程中，該層薄磷層能阻止p型雜質的揮發(fā)，又能在外延時同柵體表面的p型雜質同時蒸發(fā)出來，相互之間進行補償，這樣就可以得到所預期的外延層。經過多次試驗，確定染磷的具體工藝為：在930～950℃下，在擴散爐內用氧氣攜帶液態(tài)POCl3對Si片擴散10 min。相對應的外延工藝采用的是：在1180℃下，在外延爐內對Si片反復吹H2和本征生長單晶Si。這里需要指出的是，吹H2的目的主要是將外延氣氛中除H2外的所有有害氣體吹出反應室，包括由于熱蒸發(fā)而外溢出的雜質氣體。吹H2的時間是由試爐的結果(即試片的方塊電阻)而定。一般來說，若試片的方塊電阻合適或偏大則不吹H2；若試片的方塊電阻偏小，則增加正式投片的吹H2時間。下面表2所列出的外延數據顯示用擴散染磷法對于提高外延層的方塊電阻和防止外延層反為p型很有效果。表2中，△R□為平均值。

 
3結論

　　實踐證明，染磷法外延是可行的，對制管中外延工藝有很大幫助。這種方法用重摻雜的方法把柵體表面蒸發(fā)出來的p型雜質進行充分補償的過程放到了擴散工序，相對于兩步外延方法來說，避免了兩步外延中工序復雜、工藝周期長和不宜大量生產的缺點，簡化了工藝，用較少的爐次就可以做出合格的外延片，縮短了制管時間，降低了生產成本。實驗證明，這種外延方法結合SITH背面陽極腐蝕工藝，能夠做出特性良好的管子。