一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法。本制备方法通过气体流场、基座温场调节以及外延工艺的优化，克服了现有瞬变电压抑制二极管用硅外延片工艺中存在的厚度和电阻率均匀性控制的问题。通过外延工艺的优化实现了对衬底杂质自扩散过程的控制，保证了硅外延片的厚度和电阻率的高均匀性，表面无层错、位错、滑移线、雾等缺陷。采用本方法制备的硅外延片的厚度和电阻率不均匀性均小于2%；硅外延片的厚度均值范围为6.10‑6.25μm，电阻率均值范围为1.25‑1.35Ω·cm，从而满足了瞬变电压抑制二极管的使用要求。

【技术实现步骤摘要】
一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法
本专利技术涉及半导体外延材料的制备工艺技术，尤其涉及一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法。
技术介绍
随着电子信息技术的发展，半导体器件日趋小型化、高密度化和多功能化，这就要求器件响应时间快，满足高速数据线路的传输，又要保证受到多次电压及电流的瞬态干扰后器件性能不会劣化。瞬变电压抑制二极管是在这种市场应用要求上发展而来的，是一种二极管形式的新型高效能保护器件，用来保护敏感半导体器件，使其免遭瞬态电压浪涌破坏，具有结电容小、响应时间短、瞬态功率大、钳位电压容易控制、击穿电压偏差小、漏电流小和可靠性高等优点，因而在电压瞬变和浪涌防护上得到了广泛的应用。硅外延片是制备瞬变电压抑制二极管的关键基础材料，外延层的厚度和电阻率参数决定着器件的击穿电压和导通电阻，尤其是厚度、电阻率的均匀性对器件的品质有着极为重要的影响。由于瞬变电压抑制二极管所需外延层的特点是厚度较薄，但是电阻率较高。因此衬底的杂质在固相和气相中的轻微自扩散就会对外延层的电阻率分布的均匀性造成影响，从而影响器件的电容参数。因此对衬底杂质的自扩散实现有效抑制，保证外延层参数的均匀性是成功制备瞬变电压抑制二极管用硅外延片的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有瞬变电压抑制二极管用硅外延片在制备工艺中存在的厚度和电阻率均匀性控制的问题，通过气体流场、反应温场的调节以及外延工艺的优化，获得一种瞬变电压抑制二极管用高均匀性硅外延片的制备方法，从而满足瞬变电压抑制二极管的使用要求。本专利技术采取的技术方案是：一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，有以下步骤：（1）、首先通过旋转外延炉石墨基座下方的感应线圈的底端设置的9组距离可调的调节杆来顶起或拉低线圈的位置，调整线圈每个部分与石墨基座之间的间距，进而调节基座的温场分布均匀性，实现对硅外延片厚度和电阻率的均匀性的控制；9组调节杆分别命名为4#-12#，其中4#调节杆的刻度值设定范围为-6～-10，5#调节杆的刻度值设定范围为-10～-15，6#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，7#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，8#调节杆的刻度值设定范围为0～+3，9#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，10#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，11#调节杆的刻度值设定范围为0～+3，12#调节杆的刻度值设定范围为0～+3；（2）、利用纯度≥99.99%的HCl气体对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1080-1100℃，HCl气体流量设定为30-35L/min，刻蚀时间设定为3-5min；刻蚀完成后随即对基座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5-6L/min，生长时间设定为5-6min；（3）、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100-120L/min，吹扫时间设定为8-10min；（4）、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1-3L/min，抛光温度设定为1060-1080℃，抛光时间设定为1-3min；（5）、使用周期性变流量的氢气对外延炉反应腔体进行吹扫，将衬底杂质不断稀释并排除出腔体，氢气流量变化范围设定为150-230L/min，氢气流量从150L/min上升到230L/min，时间设定为1-2min，230L/min的气体吹扫，时间设定为3-5min，然后将氢气流量从230L/min下降至150L/min，时间设定为1-2min，150L/min的气体吹扫，时间设定为1-3min，完成一次变流量吹扫过程，总共需进行1-2次变流量吹扫过程；（6）、在外延层生长前，通过旋转外延炉反应腔体的左、中、右三个进气口上的气流调节旋钮来分配腔体内的H2气流量，进而调节外延炉反应腔体内的流场分布，实现对硅外延片厚度均匀性的调节，左、右两侧进气口的气流量调节范围为19-30L/min；（7）、SiHCl3作为生长原料，首先在硅单晶衬底片表面快速生长本征外延层，以抑制衬底杂质的自扩散过程，氢气流量设定为140-160L/min，SiHCl3流量设定为4-7L/min，生长时间设定为40-60sec，生长温度设定为1060-1080oC；（8）、再次用周期性变流量的氢气对外延炉反应腔体进行吹扫，将衬底杂质进一步稀释并排除出腔体，氢气流量变化范围设定为150-230L/min，氢气流量从150L/min上升到230L/min，时间设定为1-2min，230L/min的气体吹扫，时间设定为3-5min，然后将氢气流量从230L/min下降至150L/min，时间设定为1-2min，150L/min的气体吹扫，时间设定为1-3min，完成一次变流量吹扫的过程，总共需进行1-2次变流量吹扫过程；（9）、利用SiHCl3作为生长原料进行掺杂外延层的生长，生长温度设定为1060-1080℃，氢气流量设定为140-160L/min，SiHCl3流量设定为5-6L/min，磷烷流量设定为113-117sccm，SiHCl3和磷烷预先通过管路排空，实现气体浓度的稳定，然后进入外延炉反应腔体进行外延层生长，排空时间设定为0.5-3.0min，外延层的生长时间设定为4min30sec-4min40sec；（10）、外延层生长完成后开始降温，将氢气和氮气流量设定为100-120L/min，依次吹扫外延炉反应腔体10-12min，然后将硅外延片从基座上取出。本专利技术所用的外延炉为PE3061D型常压平板式外延炉。本专利技术所用的硅单晶衬底片使用<111>晶向的单面抛光片，电阻率为0.002-0.004Ω·cm，硅单晶衬底片背面包覆有4000-6000Å的背封氧化层。本专利技术在装片后利用HCl气体对硅单晶衬底片的表面进行抛光时，HCl对表面的去除量为0.1-0.3μm，以完全去除附着在硅单晶衬底片表面的重金属离子和沾污。本专利技术的有益效果是：提供了一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法，通过气体流场、基座温场调节以及外延工艺的优化实现了对衬底杂质自扩散过程的控制，保证了硅外延片的高均匀性，表面无层错、位错、滑移线、雾等缺陷。采用本方法制备的硅外延片的厚度和电阻率不均匀性均小于2%；制备的硅外延片的厚度均值变化范围为6.10-6.25μm，电阻率均值变化范围为1.25-1.35Ω·cm，满足了瞬变电压抑制二极管的使用要求。附图说明图1为实施例1的片内厚度5点分布图（左侧）和电阻率5点分布图（右侧）；图2为实施例2的片内厚度5点分布图（左侧）和电阻率5点分布图（右侧）；图3为实施例3的片内厚度5点分布图（左侧）和电阻率5点分布图（右侧）。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明：本专利技术以下实施例所用的外延层生长设备为PE3061D型常压平板式外延炉，外延炉基座转速控制在4r/min。硅单晶衬底片使用<111>晶向的硅单面抛光片，电阻率为0.003Ω·cm，硅单晶衬底片背面包覆有5000Å的背封氧化层。实施例1（1）外延炉石墨基座下方的感应线圈的底端设有9组距离可调的调节杆，分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，有以下步骤：（1）、首先通过旋转外延炉石墨基座下方的感应线圈的底端设置的9组距离可调的调节杆来顶起或拉低线圈的位置，调整线圈每个部分与石墨基座之间的间距，进而调节基座的温场分布均匀性，实现对硅外延片厚度和电阻率的均匀性的控制；9组调节杆分别命名为4#‑12#，其中4#调节杆的刻度值设定范围为‑6～‑10，5#调节杆的刻度值设定范围为‑10～‑15，6#调节杆的刻度值设定范围为‑25～‑30，7#调节杆的刻度值设定范围为‑25～‑30，8#调节杆的刻度值设定范围为0～+3，9#调节杆的刻度值设定范围为‑25～‑30，10#调节杆的刻度值设定范围为‑25～‑30，11#调节杆的刻度值设定范围为0～+3，12#调节杆的刻度值设定范围为0～+3；（2）、利用纯度≥99.99%的HCl气体对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1080‑1100℃，HCl气体流量设定为30‑35 L/min，刻蚀时间设定为3‑5 min；刻蚀完成后随即对基座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5‑6 L/min，生长时间设定为5‑6 min；（3）、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100‑120 L/min，吹扫时间设定为8‑10 min；（4）、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1060‑1080℃，抛光时间设定为1‑3 min；（5）、使用周期性变流量的氢气对外延炉反应腔体进行吹扫，将衬底杂质不断稀释并排除出腔体，氢气流量变化范围设定为150‑230 L/min，氢气流量从150 L/min上升到230 L/min，时间设定为1‑2 min，230 L/min的气体吹扫，时间设定为3‑5 min，然后将氢气流量从230 L/min下降至150 L/min，时间设定为1‑2 min，150 L/min的气体吹扫，时间设定为1‑3 min，完成一次变流量吹扫过程，总共需进行1‑2次变流量吹扫过程；（6）、在外延层生长前，通过旋转外延炉反应腔体的左、中、右三个进气口上的气流调节旋钮来分配腔体内的H2气流量，进而调节外延炉反应腔体内的流场分布，实现对硅外延片厚度均匀性的调节，左、右两侧进气口的气流量调节范围为19‑30 L/min；（7）、SiHCl3作为生长原料，首先在硅单晶衬底片表面快速生长本征外延层，以抑制衬底杂质的自扩散过程，氢气流量设定为140‑160 L/min，SiHCl3流量设定为4‑7 L/min，生长时间设定为40‑60 sec，生长温度设定为1060‑1080...

【技术特征摘要】
1.一种瞬变电压抑制二极管用硅外延片的制备方法，其特征在于，有以下步骤：（1）、首先通过旋转外延炉石墨基座下方的感应线圈的底端设置的9组距离可调的调节杆来顶起或拉低线圈的位置，调整线圈每个部分与石墨基座之间的间距，进而调节基座的温场分布均匀性，实现对硅外延片厚度和电阻率的均匀性的控制；9组调节杆分别命名为4#-12#，其中4#调节杆的刻度值设定范围为-6～-10，5#调节杆的刻度值设定范围为-10～-15，6#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，7#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，8#调节杆的刻度值设定范围为0～+3，9#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，10#调节杆的刻度值设定范围为-25～-30，11#调节杆的刻度值设定范围为0～+3，12#调节杆的刻度值设定范围为0～+3；（2）、利用纯度≥99.99%的HCl气体对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，刻蚀温度设定为1080-1100℃，HCl气体流量设定为30-35L/min，刻蚀时间设定为3-5min；刻蚀完成后随即对基座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5-6L/min，生长时间设定为5-6min；（3）、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100-120L/min，吹扫时间设定为8-10min；（4）、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1-3L/min，抛光温度设定为1060-1080℃，抛光时间设定为1-3min；（5）、使用周期性变流量的氢气对外延炉反应腔体进行吹扫，将衬底杂质不断稀释并排除出腔体，氢气流量变化范围设定为150-230L/min，氢气流量从150L/min上升到230L/min，时间设定为1-2min，230L/min的气体吹扫，时间设定为3-5min，然后将氢气流量从230L/min下降至150L/min，时间设定为1-2min，150L/min的气体吹扫，时间设定为1-3min，完成一次变流量吹扫过程，总共需进行1-2次变流量吹扫过程；（6）、在外延层生长前，通过旋转外延炉反应腔体的左、中、右三个进气口上的气流调节旋钮来分配腔体内的H2气流量，进而调节外延炉反应腔体内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明达，陈涛，薛兵，李普生，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十六研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12