FRD扩铂工艺调研报告

关于 FRD 扩铂工艺的调查报告
近年来，快恢复二极管制造工艺提高器件开关速度的方法是通过减小器件少子寿命， 在器件内部引入复合中心来实现，目前主要有四种方法：1）掺金；2）电子辐照；3）掺铂； 4) 扩铂+吸收技术,第一种掺金工艺，掺金器件能级较深，高温特性较差，且金在硅中存在 凝聚效应，随温度下降，部分金原子会凝聚成团，不能起复合中心的作用，而电子辐射感生 生的缺陷不稳定，制成的器件长期稳定性不好，而且成本较高。由于铂在硅中不存在凝聚效 应，且扩散形成的替位原子是稳定的原子缺陷，因此器件的高温稳定性好。长期可靠性好， 同时铂在硅中具有远离禁带中央的理想能级位置， 所以扩铂器件的漏电流非常低， 但通态电 压高。 最先进的方法是轻离子辐照， 同时铂汲取的局域寿命控制技术, 但目前我国目前还不 能很好采用轻离子辐照，下面就针对三种带铂扩散工艺进行说明: 工艺 1(传统的窄基区工艺):原始片使用 FZ 单晶材料 选择硅片→硅片清洗→磷预淀积→单面喷砂（减薄）→硼扩散及磷再分布→双面喷砂→ 氮气或氧气退火（需要时）→铂扩散及激活处理（需要时）→表面腐蚀处理和清洗→双面镀 金属（电极）→晶圆划片→分片、清洗、包装。生产制程概述如下: 1) 原始 N 型硅片电阻率 35-40Ω·cm（电阻率有分组）、硅片厚度 270±5um； 2) 磷预淀积在 1220℃下 2 小时 扩散源—》Filmtronics 公司 P60 纸质源，扩散后磷 表面方块电阻<0.1Ω/□、Xjn≈20um； 3) 背面喷砂去除约 15um 的厚度； 4) 硼扩散及磷再分布 1250℃、 35 小时， ★扩散源—》 美国 Filmtronics 公司 B40 纸质源硼， 扩散后表面方块电阻<0.1Ω/□、XjP≈90um、Xjn≈60um,基区宽度大约 100um 左右； 5) 双面喷砂去除约 10um 的扩散氧化层； 7) 扩散片的磷面进行旋转涂敷铂源(铂源采用的是 Pt920 液态源) ； 8) 铂扩散在 920℃下 60 分钟（温度、时间有分组）； ☆9) 激活加热 （吹 N2 气， 温度不低于 850℃ 60Min） ， 目的是减少硅中填隙铂原子的浓度， 将提高有效复合中心浓度 Nt； 10）表面腐蚀处理和清洗，双面镀金属； 上述工艺可得到反向击穿 VR 在 1200 伏以上、 正向压降 VF 在 1.15 伏以下、 反向恢复时 间 Trr 在 100～120ns 以内的产品电参数特性。 注意，相同 Trr 条件下，铂扩散温度越高，VF ～Trr 特性变得越差。这是因为温度升高， 晶格振动加剧，铂在硅中的浓度增加，从而体电阻增加，致使 VF 有所升高。因此，在确定 的基区宽度下，要得到较小的 VF，在满足 Trr 的同时，扩散温度不宜太高 ； 通过该试验流程可以得到如下结论： 1)调节铂扩散温度,时间可以改变反向恢复时间 Trr, TMT↑Trr↓↓, Diff Time↑Trr↓, 但在相同 Trr 条件下，铂扩散温度越高，VF ～Trr 特性变得越（TMT ↑晶格振动↑，PT 浓度↑，体电阻↑，导致 VF↑），因此，在满足 Trr 的同时， 铂扩 散温度不宜过高； 2)VF-Trr 特性结论如下: a)电阻率↑-->VF-Trr 特性变差; b)铂 Diff TMT↑VF-Trr 特 性变差; 因此,采用较小的电阻率和较低的铂扩散温度可以改善 VF-Trr 特性; 3)Trr 随着温度的上升，Trr 呈上升趋势（温度上升，载流子浓度上升，复合能力下降） 电阻率越小,Trr 温度特性越好;
4)铂扩散FRD,Trr↑ IR↓,器件工作温度越高,器件反响漏电流越大,150度下漏电流是 100度工作条件的数十倍,因此,尽量避免FRD在高温下工作; 5)铂扩散工艺后加工序”激活加热”处理工艺,温度不低于850度,时间为60Min 以上,可 以有效改善以下问题:a) FRD Trr的温度特性; b)Trr进一步降低; c)VF-Trr 折中性改善;d) 漏电流降低;e)BV↑且为硬击穿; ☆6）该工艺流程使用原材料片为减薄后单晶片，相对外延片工艺，成本较低，但因为是 薄片工艺，在生产中碎片率会高，且在高温加热工艺过程中，会出现圆片翘曲现象，因此， 该工艺不适合大量生产； 工艺 2: 原始片使用外延材料 ★外延片规格见下表：
1st 光刻
2nd
光刻
3rd 光刻
最终剖面图结构见下图：
该工艺试验得到如下结论： 1）不同电阻率的 VF-Trr 折中性
2）VF 与 XJP 关系
FRD Base 区电阻率越低，FRD VF-Trr 折中性越好
Xjp↑VF↓
3)VBR 与 Xjp 关系
4)Trr 与 Chip size 关系
Xj↑
5)相对于传统的窄基区工艺（FLOW1），外延扩铂工艺克服了 VF-TRR 折中性不好的问题 (外延工艺可以较好的控制基区宽度)，另外随着晶圆尺寸越来越大，用传统的硼磷双面扩 散工艺形成窄基区几乎不可能， 传统的双面扩散工艺扩散的均匀性也难以满足严格基区宽度 控制的要求，因此外延扩铂工艺具有一定优势. 工艺 3:局部寿命控制技术使用铂溅射+氢离子辐照工艺 1） 试验选用具有 N+背面扩散层的 N-型硅片,N-层厚度为 60um; 2） 器件结构为 P+PN-N 结构，Xjp 4.5um 左右，另外为了形成良好的欧姆接触，P 区形成后 在表面再生成一 XJ 为 0.93um ,浓度为 1.8E+19 的 P+区域； 3） P+面上溅射 PT 4） 退火 300 度 60min 形成铂硅合金 5） 轻离子辐照，辐照能量为 550KeV,辐照剂量为 1E11~5E14 范围，目的：使缺陷峰处于靠 近 PN-结的 N-区域中 6） 700 度 30MIN 低温退火，使铂硅合金中的铂扩散，并被质子辐照感生缺陷所汲取，形成 局部铂掺杂， 7） 制作电极 根据试验测试数据，进行局部寿命控制技术的 Trr 和 S 得到很大改善。 总结以上三种PT扩散工艺,第一种传统工艺流程使用原材料片为减薄后单晶片，成本较 低， 但因为是薄片工艺， 在生产中碎片率会很高， 且在高温加热工艺过程中， 会出现圆片(薄 片)翘曲现象， 且传统的双面扩散工艺扩散的均匀性也难以满足严格基区宽度控制的要求, 因此不适合大批量生产,第二种外延扩PT工艺,对窄基区的控制比较精确,克服了VF-Trr折 中性不好的问题, 因此外延扩铂工艺具有一定优势,第三种工艺使用局部寿命控制技术,主 要是在硅中指定区域通过轻离子辐照形成缺陷峰,再通过低温退火,PT扩散并被感生缺陷汲 取,形成局部铂掺杂,因为该工艺在P+面溅射的PT在退化后形成的铂硅合金会形成几微米的 损伤,会对P+N结造成影响(FRD P+N较浅),进而影响到器件的特性,因此,生产中可以优先 考虑外延扩铂工艺.
我司新开发 FRD 外延片信息如下： Resistivty 衬底：0.001~0.004ohm.cm Buffer: 21±8％ohm.cm Base: 70±12％ohm.cm 35um±5％um 70um±5％um 厚度 杂质类型 AS PH PH
从上面图表中 #1 号外延片信息与我公司新开发 FRD 原材料片最为接近， 区别点在于我司在 外延层加了 Buffer 区 工艺流程见下图：
相对较厚，离 PN 结较远，不会影响到器件的特性，铂扩散温度一般在 1000℃以下，扩 散时间为 60Min，铂扩散结束后需采用快速降温的方式使铂原子冻结在硅体内，否则， 随着温度的缓慢下降，铂会在硅表面析出或者在硅片体内局部积聚起来，起不到复合 中心的作用。 3）1 st 光刻（台面光刻）在覆盖的光刻胶开出沟槽，使用湿法酸腐蚀出台面结构，主 要目的是通过表面造型来控制表面电场，提高 PN 击穿电压的一种器件结构； 4）2nd 光刻（钝化光刻）目的在钝化好的器件上光刻出接触孔，以便引入金属接触； 5）3rd 光刻（金属反刻）目的是刻蚀掉不需要的金属，做好金属电极；
下面针对该流程主要几道工序进行说明： 1）该工艺流程是使用外延材料在硅片正面进行硼扩散，形成 P+N 结，该工艺中使用 的扩散是 GS245 固态硼源片进行扩散，主要成分为 B2O3,AL2O3,SiO2 等； 2） 铂扩散方式有两种： a) 蒸发或溅射设备将单质态铂蒸发或溅射到硅片表面； b) 使用 Filmtronics 的 PT920 液态铂涂覆在硅片 N+面，再进行炉管高温扩散； 这里我们使用第二种方法，因为高温下 PT 原子扩散形成铂硅合金会造成几个微米 厚度的损伤，而 SFRD PN 结相对较浅，所以这里我们将 PT 涂覆在硅的背面，N+区域