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一种阶跃恢复 二极管用 硅 外延片的制备方法

阅读：225发布：2020-05-21

专利汇可以提供一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法。该制备方法克服了现有阶跃恢复二极管用硅外延片工艺中存在的过渡区宽度的控制问题，在外延层生长过程中采用两段生长，先使用反复变流量的氢气吹扫一段时间，将杂质不断稀释排除出外延炉反应腔体，然后低温低速生长第一段外延，减少了气相自掺杂的影响，改善了过渡区的结构，随后使用反复变流量的氢气再吹扫一段时间，然后高温快生长第二段外延层，最终达到目标厚度和电阻率。通过外延工艺的优化，实现了常压下对衬底杂质自扩散因素的控制，缩短了过渡区的宽度，使其占外延层厚度百分比的13%‑15%，满足了阶跃恢复二极管的使用要求。，下面是一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，有如下步骤：
（1）、先利用纯度≥99.99%的HCl气体对外延炉的石墨基座进行刻蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1130-1150℃，HCl气体流量设定为1-3 L/min，HCl刻蚀时间设定为3-5 min，刻蚀完成后，随即在基座表面重新生长一层无掺杂多晶硅，生长原料为SiHCl3，气体流量设定为14-16 L/min，生长时间设定为10-12 min；
（2）、向外延炉的基座片坑内装入硅单晶衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体，气体流量设定为290-310 L/min，吹扫时间设定为10-12 min；
（3）、利用HCl气体对硅单晶衬底片的表面进行抛光，HCl流量设定为1-3 L/min，抛光温度设定为1130-1150℃，抛光时间设定为1-3 min；
（4）、使用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延炉反应腔体，氢气流量变化范围设定为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5-
1.0 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5-1.0 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行2-3次变流量吹扫过程；
（5）、用氢气输送气态的SiHCl3为生长原料，在硅单晶衬底片表面首先生长第一段外延层，以抑制衬底杂质自扩散过程，氢气流量设定为290-310 L/min，SiHCl3流量设定为14-16 L/min，生长时间设定为20-30 sec，生长温度设定为1000-1100oC；
（6）、再次用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延生长系统，氢气流量变化范围设定为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5-
1.0 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5-1.0 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，完成一次变流量吹扫过程，总共需要进行2-3次变流量过程；
（7）、利用SiHCl3为生长原料进行第二段外延层的生长，生长温度设定为1120-1130℃，氢气流量设定为290-310 L/min，SiHCl3流量设定为25-28 L/min，外延层的生长时间设定为1min20sec-1min30sec，外延炉基座转速设定为4-5 r/min，基座顶盘的高度设定为40-50 mm，外延炉设备的加热感应线圈的4#接线柱与5#接线柱相连接；
（8）、外延层生长完成后开始降温，将氢气和氮气流量设定为290-310 L/min，依次吹扫外延炉反应腔体10-12 min，然后将硅外延片从基座上取出。
2.根据权利要求1所述的一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，所用的外延炉为PE2061S型常压桶式外延炉。
3.根据权利要求1所述的一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，硅单晶衬底片的电阻率0.001-0.004 Ω▪cm，其背面包覆有500 nm的氧化背封层。

说明书全文

一种阶跃恢复二极管用 硅 外延片的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体外延材料的制备工艺技术，尤其涉及一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法。

背景技术

[0002] 阶跃恢复二极管简称阶跃管，具有正向压降低，反向击穿电压高的特点，而且其下降时间极短，正向导电性能也很好。在瞬态响应上阶跃管非常特殊，其下降时间接近于0，关断时电流的变化很急速。利用其优良的伏安特性，阶跃管主要用于倍频电路、超高速脉冲整形和发生电路。

[0003] 阶跃管的特性是建立在PN结杂质的特殊分布上，其结构上的特点是在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，因此需要采用高电阻率且过渡区宽度窄的硅外延片作为关键基底材料。硅外延片的厚度、电阻率、过渡区形貌等性能对阶跃管的品质有着极为重要的影响，对器件的击穿电压、反向漏电流和正向微分电阻的性能起到十分重要的影响。其中，所制外延层与硅单晶衬底片之间扩散形成的过渡区宽度所占外延层厚度的百分比范围要求为10%-15%，一旦外延层过渡区过宽，会严重影响器件的阶跃恢复时间。由于外延层制备在重掺的硅单晶衬底片上，需要实现较薄厚度且较高电阻率的外延层的淀积，因此对自掺杂的控制提出了极高要求。目前国内硅外延片的过渡区宽度与国外同类产品还有较大差距，制备的过渡区宽度占外延层厚度的百分比范围普遍为15%-20%，还不能满足器件指标要求。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有阶跃恢复二极管用硅外延片在工艺中存在的过渡区宽度的控制问题，通过工艺优化实现对自扩散的控制，获得一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法。在外延层生长过程中采用两段生长，先使用反复变流量的氢气吹扫一段时间，将杂质不断稀释排除出外延炉反应腔体，然后低温低速生长第一段外延，减少了气相自掺杂的影响，改善了过渡区的结构，随后使用反复变流量的氢气再吹扫一段时间，然后高温快生长第二段外延层，最终达到目标厚度和电阻率。从而满足阶跃恢复二极管的使用要求。

[0005] 本发明采取的技术方案是：一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，有如下步骤：（1）、先利用纯度≥99.99%的HCl气体对外延炉的石墨基座进行刻蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1130-1150℃，HCl气体流量设定为1-3 L/min，HCl刻蚀时间设定为3-5 min，刻蚀完成后，随即在基座表面重新生长一层无掺杂多晶硅，生长原料为SiHCl3，气体流量设定为14-16 L/min，生长时间设定为10-12 min；
（2）、向外延炉的基座片坑内装入硅单晶衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体，气体流量设定为290-310 L/min，吹扫时间设定为10-12 min；
（3）、利用HCl气体对硅单晶衬底片的表面进行抛光，HCl流量设定为1-3 L/min，抛光温度设定为1130-1150℃，抛光时间设定为1-3 min；
（4）、使用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延炉反应腔体，氢气流量变化范围设定为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5-
1.0 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5-1.0 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行2-3次变流量吹扫过程；
（5）、用氢气输送气态的SiHCl3为生长原料，在硅单晶衬底片表面首先生长第一段外延层，以抑制衬底杂质自扩散过程，氢气流量设定为290-310 L/min，SiHCl3流量设定为14-16 L/min，生长时间设定为20-30 sec，生长温度设定为1000-1100oC；
（6）、再次用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延生长系统，氢气流量变化范围设定为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5-
1.0 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5-1.0 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间设定为1-5 min，完成一次变流量吹扫过程，总共需要进行2-3次变流量过程；
（7）、利用SiHCl3为生长原料进行第二段外延层的生长，生长温度设定为1120-1130℃，氢气流量设定为290-310 L/min，SiHCl3流量设定为25-28 L/min，外延层的生长时间设定为1min20sec-1min30sec，外延炉基座转速设定为4-5 r/min，基座顶盘的高度设定为40-50 mm，外延炉设备的加热感应线圈的4#接线柱与5#接线柱相连接；
（8）、外延层生长完成后开始降温，将氢气和氮气流量设定为290-310 L/min，依次吹扫外延炉反应腔体10-12 min，然后将硅外延片从基座上取出。

[0006] 本发明所用的外延炉为PE2061S型常压桶式外延炉。

[0007] 本发明所述的硅单晶衬底片的电阻率为0.001-0.004 Ω▪cm，硅单晶衬底片背面包覆有500 nm的氧化背封层。

[0008] 本发明的有益效果是：克服了现有阶跃恢复二极管用硅外延片在工艺中存在的过渡区宽度的控制问题，提供了一种阶跃恢复二极管用硅外延片的制备方法，采取本方法设计的硅外延片的导电类型为N型，其表面光亮，无划道、层错、位错、滑移线、雾、橘皮、沾污等表面缺陷。通过外延工艺的优化实现了常压下对衬底杂质自扩散过程的控制，缩短了过渡区的宽度，使其占外延层厚度的百分比范围为13%-15%，满足了阶跃恢复二极管的使用要求。附图说明

[0009] 图1为实施例1的外延层与硅单晶衬底片之间扩散形成过渡区形貌图；图2为实施例2的外延层与硅单晶衬底片之间扩散形成过渡区形貌图；
图3为实施例3的外延层与硅单晶衬底片之间扩散形成过渡区形貌图。

具体实施方式

[0010] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：采用本方法所制备的硅外延片的厚度范围为2-3 µm，电阻率范围为3-4 Ω▪cm，外延层与硅单晶衬底片之间扩散形成的过渡区宽度所占外延层厚度的百分比范围为13%-15%。

[0011] 实施例1（1）先利用纯度≥99.99%的氯化氢（HCl）气体对外延炉的石墨基座进行刻蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1130℃，HCl气体流量设定为3 L/min，HCl刻蚀时间设定为3 min。刻蚀完成后随即在基座表面重新生长一层无掺杂多晶硅，生长原料为SiHCl3，流量设定为15 L/min，时间设定为10 min。

[0012] （2）向外延炉基座片坑内装入硅单晶衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体，气体流量设定为300 L/min，吹扫时间为10 min。

[0013] （3）对硅单晶衬底片的表面进行HCl抛光，HCl流量设定为1 L/min，抛光温度设定为1130℃，抛光时间设定为1 min。

[0014] （4）使用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延炉反应腔体，氢气流量变化范围设定为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间为5 min，然后将氢气流量从
400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为40L/min下进行气体吹扫，时间设定为3 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行3次变流量吹扫过程。

[0015] （5）用氢气输送气态的SiHCl3为生长原料，在硅单晶衬底片表面首先生长第一段外延层，以抑制衬底杂质自扩散过程。氢气流量设定为300 L/min，SiHCl3流量设定为15 L/min，生长时间设定为30 sec，生长温度设定为1100oC。

[0016] （6）再次用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延生长系统，氢气流量范围为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间为5 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间设定为3 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行3次变流量过程。

[0017] （7）利用SiHCl3再次进行第二段外延层的生长，生长温度设定为1130℃，氢气流量控制在300 L/min，SiHCl3流量设定为25 L/min，外延层的生长时间设定为1min20sec，外延炉基座转速设定为4r/min，基座顶盘的高度设定为50mm，外延炉设备的加热感应线圈的4#接线柱与5#接线柱相连接。

[0018] （8）外延层生长完成后开始降温，将氢气和氮气流量设定为300 L/min，依次吹扫外延炉反应腔体10 min，然后将硅外延片从基座上取出。

[0019] （9）利用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置，共计5个测试点的厚度，获得硅外延片的厚度；利用SSM495汞探针C-V测试仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置共计5个测试点的电阻率，获得硅外延片的电阻率，其中测试起始电压为-5V,测试结束电压为-20V,采样频率为2500 mv/sec，测试前探头稳定时间为4.5sec,汞面积为0.01915cm2,利用SRP 2000扩展电阻测试仪获得外延层与硅单晶衬底片扩散形成的过渡区的宽度,其中测试步进为0.1µm。

[0020] 实施例1制得的外延层的导电类型为N型，硅外延片表面光亮，无划道、层错、位错、滑移线、雾、橘皮、沾污等表面缺陷，硅外延片厚度值为2.6μm，电阻率值为3.2Ω▪cm，过渡区宽度为0.35µm，占外延层厚度百分比的13.6%，过渡区测试结果如图1所示（图中表示的深度为外延层从表面开始向纵深方向扩展一直到衬底，称为深度；图中的“■”表示当前测试步进为0.1µm下获得的测试点）。

[0021] 实施例2（1）先利用纯度≥99.99%的氯化氢（HCl）气体对外延炉的石墨基座进行刻蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1130℃，HCl气体流量设定为1 L/min，HCl刻蚀时间设定为3 min。刻蚀完成后随即在基座表面重新生长一层无掺杂多晶硅，生长原料为SiHCl3，流量设定为14 L/min，时间设定为12 min。

[0022] （2）向外延炉基座片坑内装入硅单晶衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉反应腔体，气体流量设定为300 L/min，吹扫时间为12 min。

[0023] （3）对硅单晶衬底片的表面进行HCl抛光，HCl流量设定为1 L/min，抛光温度设定为1130℃，抛光时间设定为1 min。

[0024] （4）使用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延生长系统，气体流量范围为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为1.0 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间为3 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，下降时间设定为1.0 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间为1 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行3次变流量吹扫过程。

[0025] （5）用氢气输送气态的SiHCl3为生长原料，在硅单晶衬底片表面首先生长第一段外延层，以抑制自扩散过程。氢气流量设定为290 L/min，SiHCl3流量设定为14 L/min，生长时间设定为20 sec，生长温度设定为1100oC。

[0026] （6）再次用氢气进行变流量吹扫过程，将杂质不断稀释并排除出外延炉反应腔体，使用氢气流量范围为40-400 L/min，然后将氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间为3 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间为1 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行3次变流量过程。

[0027] （7）利用SiHCl3再次进行第二段外延层的生长，生长温度设定为1120℃，氢气流量设定为300 L/min，SiHCl3流量设定为25 L/min，外延层的生长时间设定为1min30sec，外延炉基座转速设定为5 r/min，基座顶盘的高度设定为50 mm，外延炉设备的加热感应线圈的4#接线柱与5#接线柱相连接。

[0028] （8）外延层生长完成后开始降温，将氢气和氮气流量设定为300 L/min，依次吹扫外延炉反应腔体10 min，然后将硅外延片从基座上取出。

[0029] （9）利用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置，共计5个测试点的厚度，从而获得硅外延片的厚度；利用SSM495汞探针C-V测试仪，测试起始电压为-5V,测试结束电压为-20V,采样频率为2500 mv/sec，测试前探头稳定时间为2
4.5sec,汞面积为0.01915cm ，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置，共计5个测试点的电阻率，从而获得硅外延片的电阻率，利用SRP 2000扩展电阻测试仪获得外延层与硅单晶衬底片扩散形成的过渡区的宽度,其中测试步进设定为0.1µm。

[0030] 实施例2制得的硅外延片的导电类型为N型，表面光亮，无划道、层错、位错、滑移线、雾、橘皮、沾污等表面缺陷，厚度值为2.5 μm，电阻率值为3.2 Ω▪cm，过渡区宽度为0.35µm，占外延层厚度百分比的14.0%，过渡区测试结果如图2所示（图中表示的深度为外延层从表面开始向纵深方向扩展一直到衬底，称为深度；图中的“■”表示当前测试步进为0.1µm下获得的测试点）。

[0031] 实施例3（1）先利用纯度≥99.99%的氯化氢（HCl）气体对外延炉基座进行刻蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1130℃，HCl气体流量设定为3 L/min，HCl刻蚀时间设定为3 min。刻蚀完成后随即在基座表面重新生长一层无掺杂多晶硅，生长原料为SiHCl3，流量设定为15 L/min，生长时间设定为10 min。

[0032] （2）向外延炉基座片坑内装入硅单晶衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫腔体，气体流量设定为300 L/min，吹扫时间为10 min。

[0033] （3）对硅单晶衬底片的表面进行HCl抛光，HCl流量设定为1 L/min，抛光温度设定为1130℃，抛光时间设定为3 min。

[0034] （4）使用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延炉反应腔体，氢气流量范围为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间为3 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间为3 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行2次变流量吹扫过程。

[0035] （5）用氢气输送气态的SiHCl3为生长原料，在硅单晶衬底片的表面首先生长第一段外延层，以抑制衬底杂质自扩散过程。氢气流量设定为300 L/min，SiHCl3流量设定为15 L/min，生长时间设定为30 sec，生长温度设定为1000oC。

[0036] （6）再次用氢气进行变流量吹扫，将杂质不断稀释并排除出外延炉反应腔体，氢气流量范围设定为40-400 L/min，氢气流量从40 L/min上升到400 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为400 L/min下进行气体吹扫，时间设定为3 min，然后将氢气流量从400 L/min下降至40 L/min，时间设定为0.5 min，随后在氢气流量为40 L/min下进行气体吹扫，时间设定为3 min，完成一次变流量吹扫过程，总共进行2次变流量吹扫过程。

[0037] （7）利用SiHCl3为生长原料进行第二段外延层的生长，生长温度设定为1130℃，氢气流量控制为300 L/min，SiHCl3流量设定为25 L/min，外延层的生长时间设定为1min20sec，外延炉基座转速设定为5 r/min，基座顶盘的高度设定为50 mm，外延炉设备的加热感应线圈的4#接线柱与5#接线柱相连接。

[0038] （8）外延层生长完成后开始降温，将氢气和氮气流量设定为300 L/min，依次吹扫外延炉反应腔体10 min，然后将硅外延片从基座上取出。

[0039] （9）利用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置，共计5个测试点的厚度，从而获得硅外延片的厚度，利用SSM495汞探针C-V测试仪，测试起始电压为-5V，测试结束电压为-20V，采样频率为2500 mv/sec，测试前探头稳定时间为2
4.5sec,汞面积为0.01915cm ，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置共计5个测试点的电阻率，获得硅外延片的电阻率，利用SRP 2000扩展电阻测试仪获得硅外延片与硅单晶衬底片扩散形成的过渡区的宽度,其中测试步进设定为0.1µm。

[0040] 实施例3制得的硅外延片的导电类型为N型，表面光亮，无划道、层错、位错、滑移线、雾、橘皮、沾污等表面缺陷，厚度值为2.7μm，电阻率值为3.4Ω▪cm，过渡区宽度为0.4µm，占外延层厚度百分比的14.8%，过渡区测试结果如图3所示（图中表示的深度为外延层从表面开始向纵深方向扩展一直到衬底，称为深度；图中的“■”表示当前测试步进为0.1µm下获得的测试点）。

[0041] 与实施例2、实施例3相比，实施例1生长每段外延层前均采用3次变流量吹扫过程，并在氢气流量为400L/min下的较大气流量下使用最长的吹扫时间，可以更好地将杂质稀释并排除出外延炉反应腔体，这样衬底杂质自扩散引起的消极因素可以减弱到最小，因此所制得的过渡区宽度占外延层厚度百分比最小。实施例1为本发明的最佳实施例。

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