專利名稱：一種開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法及其裝置，屬半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大功率半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中，一次P型雜質(zhì)擴(kuò)散是其關(guān)鍵工藝，目前國內(nèi)P型雜質(zhì)擴(kuò)散大多采用開管硼鋁乳膠源涂層擴(kuò)散，硼鋁乳膠源涂層擴(kuò)散的缺點(diǎn)是1、在PN結(jié)前沿附近，P型雜質(zhì)濃度梯度較大，這在以后的二次擴(kuò)散及拋光等工藝參數(shù)的微小變化中，都會(huì)引起器件的參數(shù)分散，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。2、半導(dǎo)體器件PN結(jié)的短基區(qū)前沿的有效濃度低，為滿足空間電荷展寬與耐壓之間的關(guān)系，短基區(qū)的寬度必須很寬才行，器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)受短基區(qū)的寬度影響很大，因而器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)不理想。P型雜質(zhì)擴(kuò)散的另一種工藝是閉管鎵擴(kuò)散，雜質(zhì)濃度分布較為理想。但是其缺點(diǎn)是1、工藝繁雜。2、擴(kuò)散設(shè)備中的石英管封管難度較大。3、需要真空擴(kuò)散爐。4、生產(chǎn)成本較高，并且擴(kuò)散質(zhì)量受石英管材質(zhì)影響很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法及其裝置，克服目前通用的硼鋁乳膠源涂層擴(kuò)散均勻性差、成品參數(shù)分散性大和器件的動(dòng)態(tài)特性差的缺點(diǎn)，并克服已有技術(shù)中采用真空閉管擴(kuò)散需要真空擴(kuò)散爐，生產(chǎn)批量小，難以適合于大功率半導(dǎo)體器件(如快速晶閘管、整流管等)的大批量生產(chǎn)的缺點(diǎn)。開管擴(kuò)鎵工藝操作較為簡便，擴(kuò)散參數(shù)可以隨意控制調(diào)整，摻雜濃度可調(diào)，設(shè)備通用性強(qiáng)，適合大功率半導(dǎo)體器件的批量生產(chǎn)。
本發(fā)明提出的開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟1、向反應(yīng)器中通入氮?dú)猓獨(dú)饬髁繛?000～1500ml/分，時(shí)間為10～15分鐘，用以驅(qū)除系統(tǒng)中的空氣；2、將反應(yīng)器中的Ga2O3源粉加熱至850～1050℃下，在還原保護(hù)氣體氫氣中還原成鎵，氫氣的流量為1000～1500ml/分，用以驅(qū)除系統(tǒng)中的氮?dú)?，并用作還原氣體源，還原時(shí)間為10～15分鐘，然后在400～600ml/分流量下還原30～60分鐘；3、在保護(hù)氣氛氫氣下使鎵擴(kuò)散到硅片中，擴(kuò)散的溫度為1250℃左右，氫氣流量為400～600ml/分，擴(kuò)散10～16小時(shí)。
尾氣壓強(qiáng)可以保持在200mm水柱。
在通氫氣前和擴(kuò)散完成后均需要通氮?dú)?000～1500ml/分，10～15分鐘。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的裝置，包括氣源、防回火裝置、擴(kuò)散爐和尾氣恒壓瓶；所述的防回火裝置置于氣源與擴(kuò)散爐進(jìn)氣端之間，尾氣恒壓瓶與擴(kuò)散爐尾氣出口端相連。
上述裝置中的擴(kuò)散爐包括石英管、加熱絲，石英管的進(jìn)氣端側(cè)的直徑大于尾氣出口端側(cè)的直徑，小直徑和大直徑部分的外側(cè)分別設(shè)有加熱絲，小直徑部分的石英管伸出擴(kuò)散爐外，伸出部分石英管的外側(cè)設(shè)有電磁線圈，伸出部分石英管內(nèi)設(shè)有送源托架，送源托架為一兩個(gè)相互聯(lián)接的石英管，一端石英管內(nèi)放置擴(kuò)散源，另一端為帶鐵端，帶鐵端的位置與電磁線圈相對(duì)應(yīng)；大直徑部分的石英管內(nèi)設(shè)有硅片架。
上述裝置中的防回火裝置由殼體、多孔金屬隔板和金屬屑組成；所述的殼體的兩側(cè)設(shè)有氣體進(jìn)出口，所述的多孔金屬隔板置于殼體內(nèi)，金屬屑置于兩塊多孔金屬隔板之間。
本發(fā)明提出的開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法及其裝置，簡單可行，操作方便，擴(kuò)散過程中可以取出硅片進(jìn)行參數(shù)測量，隨時(shí)調(diào)整擴(kuò)散時(shí)間和溫度，擴(kuò)散最終器件參數(shù)均勻。產(chǎn)品參數(shù)一致性和動(dòng)態(tài)性能好，產(chǎn)品的成品率可提高20％以上，特別適于批量生產(chǎn)，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是擴(kuò)散工藝系統(tǒng)圖。
圖2是防回火裝置簡圖。
圖1和圖2中，1是氮?dú)馕⒄{(diào)閥門，2是氫氣微調(diào)閥門，3和4是氣體流量計(jì)，5是防回火裝置，6是小石英磨口帽，7是用來移動(dòng)送源拖架的電磁線圈，8是送源拖架，9是源溫區(qū)加熱爐絲，10是雙磨口石英管，11是硅片架，12是主擴(kuò)散區(qū)加熱爐絲，13是大石英磨口帽，14是尾氣恒壓瓶，15是雙溫區(qū)擴(kuò)散爐，16是防回火裝置的氣體進(jìn)出口，17是紫銅屑，用以吸收熱量，18是多孔紫銅隔板，19是防回火裝置外殼。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括氣源、防回火裝置5、擴(kuò)散爐15和尾氣恒壓瓶14。防回火裝置5置于氣源與擴(kuò)散爐15的進(jìn)氣端之間，尾氣恒壓瓶14與擴(kuò)散爐15的尾氣出口端相連。氣源為氫氣源和氮?dú)庠?，分別通過微調(diào)閥門1、2和氣體流量計(jì)3、4導(dǎo)入。
上述裝置中的擴(kuò)散爐15包括石英管10、加熱絲9和12，石英管的進(jìn)氣端側(cè)的直徑大于尾氣出口端側(cè)的直徑，小直徑和大直徑部分的外側(cè)分別設(shè)有加熱絲9和12，小直徑部分的石英管伸出擴(kuò)散爐外，伸出部分石英管的外側(cè)設(shè)有電磁線圈7，伸出部分石英管內(nèi)設(shè)有送源托架8，送源托架為一兩個(gè)相互聯(lián)接的石英管，一端石英管內(nèi)放置擴(kuò)散源，另一端為帶鐵端，帶鐵端的位置與電磁線圈7相對(duì)應(yīng)；大直徑部分的石英管內(nèi)設(shè)有硅片架11。
上述裝置中的防回火裝置5的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由殼體19、多孔金屬隔板18和金屬屑17組成。殼體19的兩側(cè)設(shè)有氣體進(jìn)出口16，多孔金屬隔板置于殼體內(nèi)，金屬屑置于兩塊多孔金屬隔板之間。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用的金屬隔板是多孔紫銅隔板，金屬屑為紫銅屑，用以吸收熱量。
擴(kuò)散時(shí)把Ga2O3源粉置于源溫區(qū)，即與加熱絲9相對(duì)應(yīng)所位置，硅片置于主擴(kuò)散恒溫區(qū)，即與加熱絲12相對(duì)應(yīng)的位置。
擴(kuò)散時(shí)，用H2作攜帶氣體和反應(yīng)氣體，從固態(tài)的Ga2O3中分解出鎵原子，然后由H2把鎵原子帶到主擴(kuò)散恒溫區(qū)，向硅片中擴(kuò)散。為了防止鎵原子在硅片表面形成合金點(diǎn)和腐蝕坑，在硅片表面事先生成一層氧化層。由于鎵原子對(duì)SiO2的穿透力特強(qiáng)，所以實(shí)現(xiàn)了在SiO2膜保護(hù)下進(jìn)行摻雜，最終在N型硅片的兩邊得到平整的對(duì)稱的PN結(jié)。
鎵源分解后，鎵在800℃以下以氧化物的形式附著在石英管壁上，或同水汽一起隨尾氣排出系統(tǒng)，鎵源在800℃以上開始與H2反應(yīng)，反應(yīng)方程式為根據(jù)擴(kuò)散要求，源溫取在850~1050℃之間，硅片擴(kuò)散溫度取1250℃左右。通過對(duì)源區(qū)溫度，主擴(kuò)散恒溫區(qū)溫度，通源時(shí)間以及通H2的流量的控制，可以達(dá)到預(yù)定的擴(kuò)散要求。
根據(jù)大功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)擴(kuò)散參數(shù)要求，本實(shí)用新型采用專門設(shè)計(jì)制造的雙恒溫區(qū)擴(kuò)散爐，源溫區(qū)長度大于600mm，爐溫最高可達(dá)1260℃，適合大功率半導(dǎo)體器件擴(kuò)散的要求。
擴(kuò)散源為Ga2O3，三氧化二鎵在低溫下性能穩(wěn)定，擴(kuò)散時(shí)把它放在850~1050℃的源溫區(qū)，溫度高低決定它的分解速度，也就決定了通源的量，在H2的作用下，還原成鎵原子，到主擴(kuò)散恒溫區(qū)，在高溫下迅速擴(kuò)散進(jìn)硅片。
由于鎵原子在硅片表面形成合金點(diǎn)和腐蝕坑，所以在擴(kuò)鎵之前硅片表面先生長一層氧化層用以保護(hù)硅片表面。由于鎵原子對(duì)SiO2的穿透力特強(qiáng)，所以實(shí)現(xiàn)了在SiO2膜保護(hù)下進(jìn)行摻雜。
為了保持?jǐn)U散爐管內(nèi)一定量的雜質(zhì)飽和蒸汽壓，在爐管尾部帶一尾氣恒壓瓶14，尾氣通過該恒壓瓶排出。
由于該工藝采用的還原保護(hù)氣體是H2，所以安全是第一重要的，在工藝中采用三個(gè)方面來確保生產(chǎn)安全。
1、先通氮?dú)鉀_洗塑料管道及石英管系統(tǒng)；2、氫氣首先經(jīng)過防回火裝置再進(jìn)入石英管系統(tǒng)；3、含氫尾氣排向高空或點(diǎn)燃。
擴(kuò)散工藝中由于通氫氣，在擴(kuò)散過程中不可打開石英管磨口，操作只能在密閉的石英管中進(jìn)行。所以，事先要把準(zhǔn)備好的帶氧化層的硅片放在主擴(kuò)恒溫區(qū)中間，把源放在送源拖架上，送源拖架放在雙磨口石英管進(jìn)氣端口內(nèi)而不進(jìn)入源恒溫區(qū)。石英擴(kuò)散管設(shè)計(jì)成雙磨口，即兩頭開口，一端進(jìn)硅片，另一端放送源拖架。操作時(shí)硅片和源放好后，前后石英磨口蓋嚴(yán)然后再通氣升溫，(按操作規(guī)程，先通氮?dú)夂笸錃?，源區(qū)溫度達(dá)到設(shè)定溫度，這時(shí)主擴(kuò)區(qū)溫度也接近或已達(dá)到預(yù)定溫度，這時(shí)可以把源送入恒溫區(qū)，由于系統(tǒng)密閉，所以采用電磁力送源法，該法的特點(diǎn)是做一特殊的送源拖架，該架的長度取決于恒溫區(qū)中心到爐口的距離，該拖架兩端各有一小段石英管，一端石英管兩端開口帶翻邊，用來放Ga2O3源，另一端為封有開口環(huán)形鐵圈并且保持低真空的石英管，在石英擴(kuò)散管外采用環(huán)形電磁鐵移動(dòng)封有開口環(huán)形鐵圈的石英管，即可帶動(dòng)源進(jìn)出源恒溫區(qū)。
采用該工藝，可于同一擴(kuò)散爐內(nèi)經(jīng)連續(xù)擴(kuò)散完成P型鎵擴(kuò)散，也可只在該爐內(nèi)進(jìn)行鎵的預(yù)擴(kuò)散，而后進(jìn)行主擴(kuò)散。所以雜質(zhì)分布可以是余誤差函數(shù)分布，也可以是高斯分布，視需要而定。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如下1、源溫930℃，硅片溫度1260℃，擴(kuò)散時(shí)間1小時(shí)，氣體流量500ml/分。擴(kuò)散結(jié)果R□＝800Ω/方。
2、源溫1000℃，硅片溫度1260℃，通源2小時(shí)，氫氣流量為500ml/分，移去源后繼續(xù)擴(kuò)散12小時(shí)，擴(kuò)散結(jié)果Xj＝33.9μm，R□＝400～480Ω/方。
3、極端對(duì)比試驗(yàn)，源溫1080℃，硅片溫度1265℃，擴(kuò)散時(shí)間2小時(shí)，氣體流量800ml/分。擴(kuò)散結(jié)果如下硅片表面有氧化層保護(hù)，Xj＝18μm，R□＝5,07～5.32Ω/方。
硅片表面無氧化層保護(hù)，Xj＝18μm，R□＝4.29～4.55Ω/方。表面合金點(diǎn)和腐蝕坑嚴(yán)重。
權(quán)利要求
1.一種開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)向反應(yīng)器中通入氮?dú)猓獨(dú)饬髁繛?000～1500ml/分，時(shí)間為10～15分鐘；(2)將反應(yīng)器中的Ga2O3源粉加熱至850～1050℃下，在還原保護(hù)氣體氫氣中還原成鎵，還原氣體的流量為1000～1500ml/分，還原時(shí)間為10～15分鐘，然后在400～600ml/分流量下還原30～60分鐘；(3)在保護(hù)氣氛氫氣下使鎵擴(kuò)散到硅片中，擴(kuò)散的溫度為1250℃左右，氫氣流量為400～600ml/分，擴(kuò)散10～16小時(shí)。
2.一種用于制備如權(quán)利要求1所述的開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的裝置，其特征在于該裝置包括氣源、防回火裝置、擴(kuò)散爐和尾氣恒壓瓶；所述的防回火裝置置于氣源與擴(kuò)散爐進(jìn)氣端之間，尾氣恒壓瓶與擴(kuò)散爐尾氣出口端相連。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于其中所述的擴(kuò)散爐包括石英管、加熱絲，石英管的進(jìn)氣端側(cè)的直徑大于尾氣出口端側(cè)的直徑，小直徑和大直徑部分的外側(cè)分別設(shè)有加熱絲，小直徑部分的石英管伸出擴(kuò)散爐外，伸出部分石英管的外側(cè)設(shè)有電磁線圈，伸出部分石英管內(nèi)設(shè)有送源托架，送源托架為一兩個(gè)相互聯(lián)接的石英管，一端石英管內(nèi)放置擴(kuò)散源，另一端為帶鐵端，帶鐵端的位置與電磁線圈相對(duì)應(yīng)；大直徑部分的石英管內(nèi)設(shè)有硅片架。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于其中所述的防回火裝置由殼體、金屬隔板和金屬屑組成；所述的殼體的兩側(cè)設(shè)有氣體進(jìn)出口，所述的金屬隔板置于殼體內(nèi)，金屬屑置于兩塊金屬隔板之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開管擴(kuò)散制備大功率半導(dǎo)體器件的方法，屬半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法將反應(yīng)器中的Ga
文檔編號(hào)H01L21/223GK1529345SQ20031010011
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者沈首良 申請人:沈首良