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一种厚层FRD外延片制备方法
申请号	CN202311690222.6	申请日	2023-12-11	公开(公告)号	CN117727617A	公开(公告)日	2024-03-19
申请人	南京国盛电子有限公司; 南京盛鑫半导体材料有限公司;			发明人	李博源; 尤晓杰; 马梦杰; 王银海;
摘要	本发明提供一种厚层FRD 外延片制备方法，在外延层生长过程中采用多次升温‑降温工艺，有效释放硅外延片的应力，生产的厚层FRD产品(厚度＞100μm)裂片率降至0.1％以下，其余参数均满足FRD器件的性能指标要求，保证了产品的质量和生产的稳定性，为厚层FRD产品(＞100μm)甚至超厚层FRD产品(＞150μm)的裂纹裂片问题提供了有效解决途径。
权利要求	1.一种厚层FRD外延片制备方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、处理基座和硅衬底片； S2、升温并通入H2、硅源和磷掺杂源，在硅衬底片基础上生长第一层掺杂外延层； S3、第一层掺杂外延层生长完成后，均匀降温至设定值，并维持一定时间； S4、均匀升温至第一层掺杂外延层生长温度，并维持一定时间； S5、重复步骤S2‑S4，生长若干层掺杂外延层； S6、完成掺杂外延层生长后，降温，依次通入H2、N2吹扫，将外延片取出。 2.根据权利要求1所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤： S11、通入HCl对外延炉基座进行腐蚀处理，依次通入N2、H2吹扫外延炉腔体； S12、通入HCl对硅衬底片进行表面抛光处理，通入H2对硅衬底片进行表面吹扫。 3.根据权利要求2所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S11中，腐蚀处理的温度为1160℃，HCl气体流量设定为40L/min，腐蚀速率为5μm/min；N2吹扫流量设定为150L/min，吹扫时间12min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设定为920℃，升温至 1130℃，升温时间10min，温度稳定时间1min，H2流量初始设定为150L/min，上升至320L/min，气体流量上升过渡时间为1min，气体稳定吹扫时间为10min。 4.根据权利要求2所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S12中，HCl流量设定为2L/min，温度设定为1130℃，时间设定为5min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设置为1130℃，升温至1180℃，升温时间2min，温度稳定时间为5min，H2流量初始设定为320L/min，上升至360L/min，气体流量上升过渡时间为2min，气体稳定吹扫时间为5min。 5.根据权利要求1所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，硅源为SiHCl3，磷掺杂源为PH3 掺杂剂。 6.根据权利要求5所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，生长温度设定为1080℃，H2流量设定为360L/min，SiHCl3流量设定为35g/min，掺杂外延层生长速率控制在1.4μm/min。 7.根据权利要求1所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，降温速率设定为40℃/min，降温至820℃后，维持1min。 8.根据权利要求1所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，升温速率设定为40℃/min，升温至1080℃后，维持1min。 9.根据权利要求1所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，H2流量设定为150L/min、N2流量设定为150L/min，吹扫时间均设定为12min。 10.根据权利要求1所述的厚层FRD外延片制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，外延片的外延层厚度大于100μm。
说明书全文	一种厚层FRD外延片制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及半导体材料制造领域，具体涉及一种厚层FRD外延片制备方法。背景技术 [0002] FRD器件(快恢复二极管)是一种开关特性好、反向恢复时间短的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。 [0003] 外延片的生长伴随着升温及降温过程，温度的改变会导致晶圆内部应力的改变，当硅外延层厚度超过一定值，其内部应力变化大于硅键结合力，导致硅外延片裂纹裂片的产生。在FRD硅外延片生长过程中，当外延层厚度大于一定值时(＞100μm)，硅外延片容易产生裂纹裂片现象，造成生产成本变高，产品质量下降等问题。发明内容 [0004] 发明目的：本发明的目的是提供一种操作简单、有效降低裂片率的厚层FRD外延片制备方法。 [0005] 技术方案：一种厚层FRD外延片制备方法，包括以下步骤： [0006] S1、处理基座和硅衬底片； [0007] S2、升温并通入H2、硅源和磷掺杂源，在硅衬底片基础上生长第一层掺杂外延层； [0008] S3、第一层掺杂外延层生长完成后，均匀降温至设定值，并维持一定时间； [0009] S4、均匀升温至第一层掺杂外延层生长温度，并维持一定时间； [0010] S5、重复步骤S2‑S4，生长若干层掺杂外延层； [0011] S6、完成掺杂外延层生长后，降温，依次通入H2、N2吹扫，将外延片取出。 [0012] 具体的，所述步骤S1包括以下子步骤： [0013] S11、通入HCl对外延炉基座进行腐蚀处理，依次通入N2、H2吹扫外延炉腔体； [0014] S12、通入HCl对硅衬底片进行表面抛光处理，通入H2对硅衬底片进行表面吹扫。 [0015] 优选的，所述步骤S11中，腐蚀处理的温度为1160℃，HCl气体流量设定为40L/min，腐蚀速率为5μm/min；N2吹扫流量设定为150L/min，吹扫时间12min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设定为920℃，升温至1130℃，升温时间10min，温度稳定时间1min，H2流量初始设定为150L/min，上升至320L/min，气体流量上升过渡时间为1min，气体稳定吹扫时间为10min。 [0016] 优选的，所述步骤S12中，HCl流量设定为2L/min，温度设定为1130℃，时间设定为5min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设置为1130℃，升温至1180℃，升温时间2min，温度稳定时间为5min，H2流量初始设定为320L/min，上升至360L/min，气体流量上升过渡时间为2min，气体稳定吹扫时间为5min。 [0017] 具体的，所述步骤S2中，硅源为SiHCl3，磷掺杂源为PH3 掺杂剂。 [0018] 优选的，所述步骤S2中，生长温度设定为1080℃，H2流量设定为360L/min，SiHCl3流量设定为35g/min，掺杂外延层生长速率控制在1.4μm/min。 [0019] 优选的，所述步骤S3中，降温速率设定为40℃/min，降温至820℃后，维持1min。 [0020] 优选的，所述步骤S4中，升温速率设定为40℃/min，升温至1080℃后，维持1min。 [0021] 优选的，所述步骤S6中，H2流量设定为150L/min、N2流量设定为150L/min，吹扫时间均设定为12min。 [0022] 具体的，所述步骤S6中，外延片的外延层厚度大于100μm。 [0023] 有益效果：与现有技术相比，本发明的显著效果是：在外延层生长过程中采用多次升温‑降温工艺，有效释放硅外延片的应力，生产的厚层FRD产品(厚度＞100μm)裂片率降至0.1％以下，其余参数均满足FRD器件的性能指标要求，保证了产品的质量和生产的稳定性，为厚层FRD产品(＞100μm)甚至超厚层FRD产品(＞150μm)的裂纹裂片问题提供了有效解决途径。具体实施方式 [0024] 下面结合实施例，进一步阐明本发明。 [0025] 实施例中使用的外延设备为PE2061S型常压桶式外延炉。 [0026] 实施例1： [0027] 步骤一、利用HCl对外延炉的基座进行腐蚀处理，完全去除基座表面残余的淀积，腐蚀温度设定为1160℃，HCl气体流量设定为40L/min，HCl腐蚀速率设定为5μm/min； [0028] 步骤二、将硅衬底片装入外延炉基座，依次用N2和H2吹扫外延炉腔体，N2流量设定为150L/min，吹扫时间12min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设定为920℃，升温至1130℃，升温时间10min，温度稳定时间1min，H2流量初始设定为150L/min，上升至320L/min，气体流量上升过渡时间为1min，气体稳定吹扫时间为10min； [0029] 步骤三、对硅衬底片表面进行HCl抛光处理，HCl流量设定为2L/min，温度设定为1130℃，时间设定为5min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设置为1130℃，升温至 1180℃，升温时间2min，温度稳定时间为5min，H2流量初始设定为320L/min，上升至360L/min，气体流量上升过渡时间为2min，气体稳定吹扫时间为5min。 [0030] 步骤四、生长第一层掺杂外延层，生长温度设定为1080℃，通入H2、SiHCl3、PH3，H2流量设定为360L/min，SiHCl3流量设定为35g/min，PH3掺杂剂纯度为30ppm，掺杂外延层生长速率控制在1.4μm/min，第一层掺杂外延层生长厚度为60μm； [0031] 步骤五、第一层掺杂外延层生长结束后，H2流量保持不变，以40℃/min的降温速率均匀降温至820℃，温度稳定时间为1min； [0032] 步骤六、保持H2流量不变，以40℃/min的升温速率均匀升温至1080℃，温度稳定时间为1min； [0033] 步骤七、生长第二层掺杂外延层，重复步骤四至步骤六过程，生长参数保持一致，第二层掺杂外延层生长厚度为60μm； [0034] 步骤八、第二层掺杂外延层生长结束后，降温并通入H2、N2依次吹扫反应腔，H2、N2流量均设定为150L/min，吹扫时间均为12min，吹扫完成后将外延片从基座上取下。 [0035] 利用傅里叶红外光谱仪设备对实施例1外延片厚度进行测量，利用汞探针CV测试法对实施例1外延片电阻率进行测量，利用扩展电阻测试法测量实施例1外延片的过渡区结构。 [0036] 实施例1制得的硅外延层导电类型为N型，9点测量厚度均值为120.803μm，厚度均匀性为2.65％，9点测量电阻率均值为49.905Ω·m，电阻率均匀性为2.96％，外延层纵向载流子浓度过渡区界面分布陡峭，满足FRD器件的指标要求，请参考下表1所示，实施例1采用两步外延，两次升温‑降温工艺，裂片率为0.041％，原工艺裂片比例为0.576％，本实施例显著改善了厚层FRD外延片裂片情况。 [0037]工艺条件外延数量(片) 裂片数量(片) 裂片比例实施例1 2451 1 0.041％原工艺 3125 18 0.576％ [0038] 表1 [0039] 实施例2： [0040] 步骤一、利用HCl对外延炉的基座进行腐蚀处理，完全去除基座表面残余的淀积，腐蚀温度设定为1160℃，HCl气体流量设定为40L/min，HCl腐蚀速率设定为5μm/min； [0041] 步骤二、将硅衬底片装入外延炉基座，依次用N2和H2吹扫外延炉腔体，N2流量设定为150L/min，吹扫时间12min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设定为920℃，升温至1130℃，升温时间10min，温度稳定时间1min，H2流量初始设定为150L/min，上升至320L/min，气体流量上升过渡时间为1min，气体稳定吹扫时间为10min； [0042] 步骤三、对硅衬底片表面进行HCl抛光处理，HCl流量设定为2L/min，温度设定为1130℃，时间设定为5min；通入H2进行变温变流量吹扫，温度初始设置为1130℃，升温至 1180℃，升温时间2min，温度稳定时间为5min，H2流量初始设定为320L/min，上升至360L/min，气体流量上升过渡时间为2min，气体稳定吹扫时间为5min。 [0043] 步骤四、生长第一层掺杂外延层，生长温度设定为1080℃，通入H2、SiHCl3、PH3，H2流量设定为360L/min，SiHCl3流量设定为35g/min，PH3掺杂剂纯度为30ppm，掺杂外延层生长速率控制在1.4μm/min，第一层掺杂外延层生长厚度为60μm； [0044] 步骤五、第一层掺杂外延层生长结束后，H2流量保持不变，以40℃/min的降温速率均匀降温至820℃，温度稳定时间为1min； [0045] 步骤六、保持H2流量不变，以40℃/min的升温速率均匀升温至1080℃，温度稳定时间为1min； [0046] 步骤七、生长第二层掺杂外延层，重复步骤四至步骤六过程，生长参数保持一致，第二层掺杂外延层生长厚度为60μm； [0047] 步骤八、生长第三层掺杂外延层，重复步骤四至步骤六过程，生长参数保持一致，第三层掺杂外延层生长厚度为40μm； [0048] 步骤九、第三层掺杂外延层生长结束后，降温并通入H2、N2依次吹扫反应腔，H2、N2流量均设定为150L/min，吹扫时间均为12min，吹扫完成后将外延片从基座上取下。 [0049] 利用傅里叶红外光谱仪设备对实施例2外延片厚度进行测量，利用汞探针CV测试法对实施例2外延片电阻率进行测量，利用扩展电阻测试法测量硅外延片的过渡区结构。 [0050] 实施例2制得的硅外延层导电类型为N型，9点测量厚度均值为159.041μm，厚度均匀性为1.76％，9点测量电阻率均值为99.121Ω·m，电阻率均匀性为4.58％，外延层纵向载流子浓度过渡区界面分布陡峭，满足FRD器件的指标要求，请参考下表2所示，实施例1采用三步外延，三次升温‑降温工艺，裂片率为0.101％，原工艺裂片比例为0.812％，本实施例显著改善了超厚层FRD外延片裂片情况。 [0051]工艺条件外延数量(片) 裂片数量(片) 裂片比例分步外延 1975 2 0.101％原工艺 1354 11 0.812％ [0052] 表2。