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1、铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中的应用2012-09-01 08:36:28|分类：技术资料论述|标签：|字号大中小订阅铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中 的应用在硅快恢复二极管器件制造工艺中，铂扩散的作用与金扩散一样，起到在 硅中添加复合中心的作用，其目的是减少硅PN结体内的少数载流子寿命，缩短 贮存时间，提高开关速度。由于金在硅中存在凝聚效应。即金在硅中的原有溶解 度随工艺扩散温度的降低而下降。因为金原子在硅中扩散很快，随着温度的降低， 过量的金或者扩散出硅片表面，或者一小团一小团地凝结在硅片内部。凝聚成团 的金原子其电性能不活泼，不能起复合中心的作用。实验发现，铂在硅中不存在 凝聚效应。因
2、此，铂扩散工艺广泛地应用于硅快恢复功率二极管器件制造中。实 验证明，合理的铂扩散对提高硅二极管的恢复时间是十分有效的。此外，对于质 量不太好的硅单晶片来说，铂扩散与金扩散一样也有改善PN结反向特性的作用。 同样，铂扩散也给硅二极管的性能带来一定的不利影响，例如致使PN结中轻掺 杂区电阻率增大，引起PN结的正向压降增大，加大了二极管的正向耗散功率等。目前，铂扩散在硅快恢复、超快恢复和高效整流等功率二极管生产中被普 遍采用。因此，铂扩散工艺是当前硅半导体功率器件生产中的一道重要工艺。1、实验过程采用n型直拉单晶硅片，原始硅片厚度2705pm，直径76mm。试验所 用的硅片有三种，电阻率分别为：15
3、Qcm，30Qcm，40Qcm。硅片经清洗后 先进行磷预淀积扩散。磷源采用美国Filmtronics公司P60纸质源，在每两片硅 片中间放一张磷源纸，将硅片排列整齐并压紧在石英舟中。在洁净的石英管内， 经过1220r高温2小时左右，使磷原子扩散到硅片内；接着喷砂去除未附磷纸 那一面的扩散层，同时减薄硅片去除约15?m；再在1250r下进行26小时的硼 扩散和磷再分布掺杂。磷源是在喷砂面涂覆一层溶有三氧化二硼和硝酸铝的混合 溶剂，烘烤后再次排放在石英舟中并压紧进行硼扩散，形成P+NN+结构；接着 在扩散片的磷面进行旋转涂敷铂源，铂源采用的是Pt920液态源。铂扩散试验 分成若干组进行，改变扩散温
4、度和时间，以获得不同的Trr值（如：炉温860r -980r ；时间：45-60分钟。对应的恢复时间Trr： 200-35ns）需要指出的是， 扩铂片应按不同硅片电阻率、正向压降VF和恢复时间Trr适当确定原始硅片的 厚度。一般为：电阻率10-15Qcm、正向压降VF小于1V、恢复时间Trr小于 50ns的原始硅片厚度选22010?m； 15-30Qcm、正向压降VF小于1.2V、恢 复时间Trr小于150ns的原始硅片厚度为25010?m； 30-45Qcm、正向压降 VF小于1.3V、恢复时间Trr小于200ns的原始硅片厚度为28010?m；然后进 行双面化学镀镍金形成欧姆接触等工序，最
5、后将硅片切割成不同面积的正方形芯 片进行测试。基本工艺流程如下：选择硅片一f硅片清洗一f磷预淀积一f单面喷砂（减薄）一f硼扩散及磷 再分布一f双面喷砂一f氮气或氧气退火（需要时）一f铂扩散一f表面腐蚀处 理和清洗一f双面镀镍金（电极）一f晶圆划片一f分片一f圭寸装一f测试。2、实验结果与讨论采用台湾冠魁电机有限公司生产的AMP-MB型Trr测试仪测量反向恢复时 间。测试条件为：正向注入电流IF=1.0A,反向抽取电流IR=0.5A,反向恢复电流lrr=0.25A。2.1扩散温度Tpt对Trr的影响图4所示是Trr与铂扩散温度Tpt之间的关系曲线。三组样品的电阻率分别 是15Qcm , 30Qc
6、m和40Qcm。由图可见，在扩散时间一定时（60分钟）， Trr随铂扩散温度的升高而线性下降；且扩散温度相同时，样品电阻率越小则其 Trr值越小。这是因为温度越高，铂在硅中的扩散系数越大，同时铂在硅中的固 溶度随温度升高而显著增大。所以，温度越高，扩入硅中的铂越多，形成的复合 中心浓度越高，从而使Trr越小。此外，铂在硅中的固溶度还与衬底的掺杂浓度 密切相关，铂的固溶度随着衬底掺杂的浓度的增加而增大。因此在相同的温度条 件下，衬底电阻率越小，铂的固溶度越大，从而Trr越小。图4不同电阻率样品的Trr与铂扩散温度的关系2.2扩散时间t对Trr的影响图5所示为扩散时间对扩铂二极管反向恢复时间的影响
7、。样品的电阻率为 40Qcm，扩散温度分别为870C和900C，其他两种电阻率样品的曲线与图5 类似。从图中可以看出，Trr随铂扩散时间的增加而减小。870C时Trr减小幅度 比900C时明显。说明在较高扩散温度时，增加扩散时间对Trr的改善不大；而在较低扩散温度时，扩散时间 对Trr产生较为明显的影响。这可以从铂扩散系数和固溶度与温度的关系得到解 释：由于铂的扩散系数和固溶度随扩散温度的升高显著变大，在温度较高时，铂 能够在很短的时间内基本扩透整个硅片，达到接近饱和的浓度值，再增加铂扩散时间对铂浓度的改变很小。因此，在 温度较高时，随着铂扩散时间的增加，Trr的变化不大。而铂扩散温度较低时其
8、 扩散系数较小，扩散时间越长，扩散进入硅中的铂浓度就越高，从而Trr变化较 明显。图5不同温度时Trr与扩散时间的关系2. 3 Trr的温度特性Trr的温度特性对快恢复二极管来说是非常重要的。因为通常快恢复二极 管工作的温度范围较宽，要求器件在不同的温度环境下必须能够正常工作，所以 快恢复二极管的Trr温度特性将直接影响整个电路系统的工作频率，这就要求快 恢复二极管具有小的温度系数。对三种不同电阻率的样品，测量其Trr温度特性 曲线如图6所示。可见，图6 不同电阻率样品Trr的温度特性Trr随工作温度的升高而增加。另外，小电阻率样品的温度特性优于大电阻 率样品。这是由于随着工作温度的升高，复合
9、中心俘获的载流子易挣脱复合中心 的束缚，复合中心的作用减弱，使Trr增加。小电阻率样品的载流子属怒较多， 工作温度升高时负荷中心释放载流子的概率相对小些，因此小电阻率样品Trr的 温度特性比大电阻率样品要好。2. 4正向压降VF的温度特性实验测量了正向电流为1A情况下正向压降VF随温度的变化情况，如图7 所示。由图可见，VF随温度的升高而下降。正向压降中与温度关系较大的是结 压降Vj，在大注入时结压降Vj与正向电流的关系如下：IF=q (DP/Tp) ? (kT?/ND) exp (-Eq/KT) exp (qVj/KT)式中：DP为空穴扩散系数；T为绝对温度；ND为施主杂质浓度；Tp 为空穴
10、寿命；q为单位电荷；k为波尔曼常数；Eq为禁带宽度。从上式可以看出，在正向注入电流一定的情况下，随温度的上升，Vj将下 降，从而正向压降VF随温度的上升而下降。图7 定电流测试条件下VF的温度特性2. 5 VFTrr 特性图8所示为在扩散时间一定的条件下，不同电阻率和不同铂扩散温度下的扩 铂样品的VFTrr关系曲线。从图中可看出，随着Trr的减小，VF是指数上升。 对快恢复二极管而言VF和Trr越小越好。但VF和Trr相互关联。在满足Trr条件下，VF应尽量小，这样有利于降低快 恢复二极管的功耗。但当VF较小时快恢复二极管在正偏时基区存储电荷也相应 增加，反向抽取更加困难，导致Trr变大。因此
11、要根据实际要求选择合适的VF和Trr。由图8可见，快恢复系列二极管Trr在 100500 ns之间，VF可控制在1.01.3V之间。另外，从图中可以看出，相 同Trr下，电阻率越高，样品的VF越大，即随着电阻率的增加，VFTrr特性 变差，因此应尽量选择电阻率低的硅片。图8 不同铂扩散温度和电阻率样品的VFTrr折衷曲线图8中还可以看出，铂扩散温度越低，VFTrr特性越好。这是因为温 度升高，晶格振动加剧，从而体电阻增加，致使VF略有升高。随着温度升高， 铂在硅中的浓度增加，由于杂质补偿作用使样品衬底电阻率增加，导致VFTrr 特性变差。因此，降低铂扩散温度对获得理想VFTrr特性是有益的。实
12、验知道，铂在硅中的溶解度不会随铂扩散后的冷却过程和后面工序的低温 工艺过程而变化和凝聚效应。因此，铂扩散工艺中为了减少硅中填隙铂原子的浓 度，提高有效复合中心浓度Nt,通常在铂扩散完成后再采取“激活加热”处理工艺。 具体做法是：将铂扩散后的硅片推入通N2的低于铂扩散温度的炉中（一般不低 于850C），进行60分钟以上时间的低温加热处理，使硅中留存的填隙式铂原 子进一步激活成为替位式铂原子。实践表明，经“激活加热”处理的硅快恢复功率 二极管，不但反向恢复时间随温度升高而增大的现象有所改善，而且反向恢复时 间缩短、VF-Trr特性好转。且P-N结的击穿电压相对增加并呈硬击穿现象，这 种现象一般解释
13、为：在高温下扩散铂时，铂原子会把硅中的铜、铁、镍等有害杂 质从缺陷附近拉出，从而使漏电流减小，P-N结呈现出硬特性；同样，击穿电压 的有所提高则应是铂浓度对硅材料电阻率影响的一种反映。因此，快恢复二极管 成品率有所提咼。3、结束语本文从硅中非平衡载流子的复合、铂在硅中的性质、作用和影响以及铂扩散 工艺对硅快恢复二极管器件特性的影响进行了阐述。并对一些涉及到的主要参数 特性进行了理论分析。实验所得到硅快恢复二极管样品具有正向压降小，反向恢 复时间短，参数温度特性好，反向耐压高，高温漏电流小等特点，作为快速快关 和高频整流器件具有较好的实用性和可靠性。*21006002.0曰画黑诬豐rdocEB -2.2150 m30 n * cm1,4-40 Q - cm 890 r910 ic9301
