埋柵型靜電感應(yīng)器件研制中的外延技術(shù)

0 引言

　　靜電感應(yīng)晶體管SIT是一種結(jié)構(gòu)靈敏的器件，也是具有類真空三極管特性的新型電力半導(dǎo)體器件，一般為常開型器件。從結(jié)構(gòu)上說(shuō)SIT與一般場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET相似，但溝道更窄、更短，具有其他半導(dǎo)體器件無(wú)法比擬的一系列優(yōu)點(diǎn)，如優(yōu)異的高頻特性和高速開關(guān)特性，無(wú)電流集中，耐擊穿強(qiáng)度高，驅(qū)動(dòng)功率小，屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件。靜電感應(yīng)晶體管可廣泛應(yīng)用于高速、高壓、低功耗場(chǎng)合。就大功率上有高頻感應(yīng)加熱，在高頻上應(yīng)用有中波廣播發(fā)射機(jī)，在低功耗應(yīng)用方面有叉車的速度控制器，在小功率應(yīng)用方面有顯示器CTR的驅(qū)動(dòng)等。另外還有不停電電壓、高壓特殊電壓、超聲波清洗機(jī)、魚群探測(cè)器等。 在靜電感應(yīng)晶體管研制過程中，發(fā)現(xiàn)在關(guān)鍵工藝外延工序中，即在p型襯底上生長(zhǎng)n-型高阻外延層時(shí)存在自摻雜效應(yīng)，即熱蒸發(fā)使襯底p型雜質(zhì)進(jìn)入氣相，改變了氣相中的摻雜成分和濃度，導(dǎo)致外延層中的雜質(zhì)實(shí)際分布偏離理想情況，使生長(zhǎng)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(xiàn)不希望的夾層，從而改變器件結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，影響器件性能，最終導(dǎo)致器件研制失敗。本研究中，外延工序主要解決兩個(gè)問題：一是保證使外延層高阻化；二是防止自摻雜效應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)厚度為10～16μm，首先從結(jié)構(gòu)上保證了柵源擊穿電壓可達(dá)到幾十伏的數(shù)量級(jí)。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(duì)單邊突變平行平面結(jié)，雪崩擊穿電壓VB可表示為


　　式中，N為外延層的摻雜濃度。實(shí)際的擊穿電壓比理論值小，經(jīng)常使用的經(jīng)驗(yàn)求算公式有

 
　　式中，ρ為高阻區(qū)的電阻率。擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的耗盡層寬度為
 
　　對(duì)柵-外延層結(jié)來(lái)說(shuō)，由于外延層厚度較小，該結(jié)擊穿電壓實(shí)際是穿通擊穿，此時(shí)擊穿電壓VPT與外延層厚度dep的關(guān)系為
 
　　由此可以估計(jì)一定外延層電阻率和外延層厚度下對(duì)應(yīng)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(jié)果?？梢钥闯?，從理論上說(shuō)外延方塊電阻控制在幾千到幾萬(wàn)Ω／□比較合適，相應(yīng)電阻率為幾個(gè)Ω·cm到幾十Ω·cm。外延后由于后繼工藝造成的柵體雜質(zhì)再擴(kuò)、源區(qū)擴(kuò)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(shí)不同外延層電阻率對(duì)應(yīng)的擊穿電壓?？紤]到后繼工序?qū)ν庋訉忧治g，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(duì)于SIT，自摻雜效應(yīng)主要來(lái)源于濃硼擴(kuò)散形成的柵區(qū)中的硼原子在外延層中的反擴(kuò)散。根據(jù)現(xiàn)有條件，需要采用各種方法，減少外延前預(yù)烘焙過程中從柵體蒸發(fā)的雜質(zhì)，保證外延過程不反型。本文采用的方法主要是補(bǔ)償法，包括背封法、兩步外延法和染磷法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些方法是有效、合理的。

2.1 背封技術(shù)

　　外延過程中，雜質(zhì)從襯底背面的蒸發(fā)和背面的反向腐蝕效應(yīng)是導(dǎo)致自摻雜的一個(gè)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(shù)，用高純Si或SiO2等薄膜把襯底表面封閉起來(lái)。具體的背封措施通常采用生長(zhǎng)SiO2的辦法來(lái)封住背面，防止雜質(zhì)揮發(fā)。背封的缺點(diǎn)是不可避免的引入了熱應(yīng)力，導(dǎo)致后工序的碎片率上升。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，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(zhǎng)過程中，摻雜劑引入的雜質(zhì)和自摻雜引入的雜質(zhì)，都會(huì)摻入外延層。外延補(bǔ)償?shù)乃悸肥峭ㄟ^調(diào)控外延過程中摻雜劑的摻雜百分?jǐn)?shù)，對(duì)自摻雜引入的雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償，使外延層雜質(zhì)濃度、電阻率達(dá)到預(yù)期值。

　　隨著外延層厚度的逐漸增加，埋柵表面雜質(zhì)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(zhǎng)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?fù)诫s生長(zhǎng)，對(duì)柵體表面蒸發(fā)出來(lái)的p型雜質(zhì)進(jìn)行充分補(bǔ)償；待外延層生長(zhǎng)到一定厚度，柵體表面蒸發(fā)出來(lái)的p型雜質(zhì)的影響很小時(shí)，再改用本征生長(zhǎng)，直到生長(zhǎng)到所需的厚度。

　　兩步外延的具體工藝中要注意的是重?fù)诫s的濃度和厚度：重?fù)诫s補(bǔ)償后、外延再生長(zhǎng)前，外延層表面可能的導(dǎo)電類型為p、p-、n-或者n型，為得到高質(zhì)量、高阻外延層，最好是p-、n-型。也就是說(shuō)初次外延后的表面雜質(zhì)濃度控制在5×1014 cm-3(p型)～5×1014cm-3(n型)。多次實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)厚度控制在1μm左右。具體時(shí)間和厚度，由外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(jī)性很大，時(shí)高時(shí)低；減少PH3的摻雜含量，又出現(xiàn)了反型的情況。鑒于外延工藝調(diào)節(jié)的困難，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，提出外延前的染磷技術(shù)。即采用外延前補(bǔ)償，外延時(shí)只本征生長(zhǎng)，這就是外延前的染磷工藝。

2.3染磷法

　　對(duì)于SIT來(lái)說(shuō)柵體表面蒸發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)是最主要的，而對(duì)SITH來(lái)說(shuō)除了柵體表面蒸發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)，還有背面陽(yáng)極蒸發(fā)出來(lái)的p型雜質(zhì)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?fù)诫s的方法把柵體表面蒸發(fā)出來(lái)的p型雜質(zhì)進(jìn)行充分補(bǔ)償，而擴(kuò)散染磷法則是在進(jìn)行外延之前，用擴(kuò)散方法把SIT、SITH的柵體和SITH的陽(yáng)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(zhì)的揮發(fā)，又能在外延時(shí)同柵體表面的p型雜質(zhì)同時(shí)蒸發(fā)出來(lái)，相互之間進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就可以得到所預(yù)期的外延層。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定染磷的具體工藝為：在930～950℃下，在擴(kuò)散爐內(nèi)用氧氣攜帶液態(tài)POCl3對(duì)Si片擴(kuò)散10 min。相對(duì)應(yīng)的外延工藝采用的是：在1180℃下，在外延爐內(nèi)對(duì)Si片反復(fù)吹H2和本征生長(zhǎng)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(yīng)室，包括由于熱蒸發(fā)而外溢出的雜質(zhì)氣體。吹H2的時(shí)間是由試爐的結(jié)果(即試片的方塊電阻)而定。一般來(lái)說(shuō)，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(shí)間。下面表2所列出的外延數(shù)據(jù)顯示用擴(kuò)散染磷法對(duì)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(jié)論

　　實(shí)踐證明，染磷法外延是可行的，對(duì)制管中外延工藝有很大幫助。這種方法用重?fù)诫s的方法把柵體表面蒸發(fā)出來(lái)的p型雜質(zhì)進(jìn)行充分補(bǔ)償?shù)倪^程放到了擴(kuò)散工序，相對(duì)于兩步外延方法來(lái)說(shuō)，避免了兩步外延中工序復(fù)雜、工藝周期長(zhǎng)和不宜大量生產(chǎn)的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)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(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)證明，這種外延方法結(jié)合SITH背面陽(yáng)極腐蝕工藝，能夠做出特性良好的管子。