铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中的应用

铂扩散工艺在硅快恢复二极管生产中的应用2012-09-0108:36:28|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270±5μm，直径76mm。试验所用的硅片有三种，电阻率分别为：15Ω·cm，30Ω·cm，40Ω·cm。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1220℃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1250℃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，改变扩散温度和时间，以获得不同的Trr值（如：炉温860℃-980℃；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10-15Ω·cm、正向压降VF小于1V、恢复时间Trr小于50ns的原始硅片厚度选220±10?m；15-30Ω·cm、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250±10?m；30-45Ω·cm、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280±10?m；然后进行双面化学镀镍金形成欧姆接触等工序，最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－→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－→表面腐蚀处理和清洗－→双面镀镍金（电极）－→晶圆划片－→分片－→封装－→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Irr=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15Ω·cm，30Ω·cm和40Ω·cm。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。样品的电阻率为40Ω·cm，扩散温度分别为870℃和900℃，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。870℃时Trr减小幅度比900℃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2.３Trr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/τp）?（κT?/ND）·exp（-Eq/κT）exp（qVj/κT）式中：DP为空穴扩散系数；T为绝对温度；ND为施主杂质浓度；τp为空穴寿命；q为单位电荷；κ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７一定电流测试条件下VF的温度特性2.５VF―Trr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VF―Trr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100～500ｎｓ之间，VF可控制在1.0～1.3Ｖ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，VF―Trr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VF―Trr折衷曲线图8中还可以看出，铂扩散温度越低，VF―Trr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VF―Trr特性变差。因此，降低铂扩散温度对获得理想VF―Trr特性是有益的。实验知道，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850℃），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高。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。