1、鉑擴(kuò)散工藝在硅快恢復(fù)二極管生產(chǎn)中的應(yīng)用2012-09-0108:36:28|分類：技術(shù)資料論述|標(biāo)簽：|字號大中小訂閱鉑擴(kuò)散工藝在硅快恢復(fù)二極管生產(chǎn)中的應(yīng)用在硅快恢復(fù)二極管器件制造工藝中，鉑擴(kuò)散的作用與金擴(kuò)散一樣，起到在硅中添加復(fù)合中心的作用，其目的是減少硅PN結(jié)體內(nèi)的少數(shù)載流子壽命，縮短貯存時間，提高開關(guān)速度。由于金在硅中存在凝聚效應(yīng)。即金在硅中的原有溶解度隨工藝擴(kuò)散溫度的降低而下降。因?yàn)榻鹪釉诠柚袛U(kuò)散很快，隨著溫度的降低，過量的金或者擴(kuò)散出硅片表面，或者一小團(tuán)一小團(tuán)地凝結(jié)在硅片內(nèi)部。凝聚成團(tuán)的金原子其電性能不活潑，不能起復(fù)合中心的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉑在硅中不存在凝聚效應(yīng)。因此，鉑擴(kuò)散工藝廣

2、泛地應(yīng)用于硅快恢復(fù)功率二極管器件制造中。實(shí)驗(yàn)證明，合理的鉑擴(kuò)散對提高硅二極管的恢復(fù)時間是十分有效的。此外，對于質(zhì)量不太好的硅單晶片來說，鋁擴(kuò)散與金擴(kuò)散一樣也有改善PN結(jié)反向特性的作用。同樣，珀擴(kuò)散也給硅二極管的性能帶來一定的不利影響，例如致使PN結(jié)中輕摻雜區(qū)電阻率增大，引起PN結(jié)的正向壓降增大，加大了二極管的正向耗散功率等。目前，鉑擴(kuò)散在硅快恢復(fù)、超快恢復(fù)和高效整流等功率二極管生產(chǎn)中被普遍采用。因此，鉑擴(kuò)散工藝是當(dāng)前硅半導(dǎo)體功率器件生產(chǎn)中的一道重要工藝。1、實(shí)驗(yàn)過程采用n型直拉單晶硅片，原始硅片厚度270±5mf直徑76mm試驗(yàn)所用的硅片有三種，電阻率分別為：15Q-cm,30Q-c

3、m,40Q-cm,硅片經(jīng)清洗后先進(jìn)行磷預(yù)淀積擴(kuò)散。磷源采用美國Filmtronics公司P60紙質(zhì)源，在每兩片硅片中間放一張磷源紙，將硅片排列整齊并壓緊在石英舟中。在潔凈的石英管內(nèi)，經(jīng)過1220高溫2小時左右，使磷原子擴(kuò)散到硅片內(nèi)；接著噴砂去除未附磷紙那一面的擴(kuò)散層，同時減薄硅片去除約15?m冉在1250c下進(jìn)行26小時的硼擴(kuò)散和磷再分布摻雜。磷源是在噴砂面涂覆一層溶有三氧化二硼和硝酸鋁的混合溶劑，烘烤后再次排放在石英舟中并壓緊進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成P+NN結(jié)構(gòu)；接著在擴(kuò)散片的磷面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂敷鉑源，鉑源采用的是Pt920液態(tài)源。鉑擴(kuò)散試驗(yàn)分成若干組進(jìn)行，改變擴(kuò)散溫度和時間，以獲得不同的Trr值（如：

4、爐溫860-980；時間：45-60分鐘。對應(yīng)的恢復(fù)時間Trr：200-35ns）需要指出的是，擴(kuò)鉑片應(yīng)按不同硅片電阻率、正向壓降VF和恢復(fù)時間Trr適當(dāng)確定原始硅片的厚度。一般為：電阻率10-15Q,cmx正向壓降VF小于IV、恢復(fù)時間Trr小于50ns的原始硅片厚度選220±10?m15-30Q-cmi正向壓降VF小于1.2V、恢復(fù)時間Trr小于150ns的原始硅片厚度為250±10?m30-45Q-cmi正向壓降VF小于1.3V、恢復(fù)時間Trr小于200ns的原始硅片厚度為280±10?m然后進(jìn)行雙面化學(xué)鍍鍥金形成歐姆接觸等工序，最后將硅片切割成不同面積的正

5、方形芯片進(jìn)行測試。基本工藝流程如下：選擇硅片f硅片清洗磷預(yù)淀積f單面噴砂（減?。?硼擴(kuò)散及磷再分布-雙面噴砂-氮?dú)饣蜓鯕馔嘶穑ㄐ枰獣r）-鋁擴(kuò)散-表面腐蝕處理和清洗雙面鍍鍥金（電極）晶圓劃片分片封裝測試。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論采用臺灣冠魁電機(jī)有限公司生產(chǎn)的AMP-M蹌Trr測試儀測量反向恢復(fù)時間。測試條件為：正向注入電流IF=1.0A，反向抽取電流IR=0.5A，反向恢復(fù)電流Irr=0.25A。2.1 擴(kuò)散溫度Tpt對Trr的影響圖4所示是Trr與鉑擴(kuò)散溫度Tpt之間的關(guān)系曲線。三組樣品的電阻率分別是15Q-cm,30Q-cm和40Q-cm由圖可見，在擴(kuò)散時間一定時（60分鐘）,Trr隨鉑擴(kuò)散溫度的

6、升高而線性下降；且擴(kuò)散溫度相同時，樣品電阻率越小則其Trr值越小。這是因?yàn)闇囟仍礁?，鉑在硅中的擴(kuò)散系數(shù)越大，同時鉑在硅中的固溶度隨溫度升高而顯著增大。所以，溫度越高，擴(kuò)入硅中的鉑越多，形成的復(fù)合中心濃度越高，從而使Trr越小。此外，鉑在硅中的固溶度還與襯底的摻雜濃度密切相關(guān)，鉑的固溶度隨著襯底摻雜的濃度的增加而增大。因此在相同的溫度條件下，襯底電阻率越小，鉑的固溶度越大，從而Trr越小。圖4不同電阻率樣品的Trr與鉑擴(kuò)散溫度的關(guān)系2.2 擴(kuò)散時間t對Trr的影響圖5所示為擴(kuò)散時間對擴(kuò)鉑二極管反向恢復(fù)時間的影響。樣品的電阻率為40Q-cm,擴(kuò)散溫度分別為870c和900C,其他兩種電阻率樣品的曲

7、線與圖5類似。從圖中可以看出，Trr隨鉑擴(kuò)散時間的增加而減小。870時Trr減小幅度比900時明顯。說明在較高擴(kuò)散溫度時，增加擴(kuò)散時間對Trr的改善不大；而在較低擴(kuò)散溫度時，擴(kuò)散時間對Trr產(chǎn)生較為明顯的影響。這可以從鉑擴(kuò)散系數(shù)和固溶度與溫度的關(guān)系得到解釋：由于鉑的擴(kuò)散系數(shù)和固溶度隨擴(kuò)散溫度的升高顯著變大，在溫度較高時，鉑能夠在很短的時間內(nèi)基本擴(kuò)透整個硅片，達(dá)到接近飽和的濃度值，再增加鉑擴(kuò)散時間對鉑濃度的改變很小。因此，在溫度較高時，隨著鉑擴(kuò)散時間的增加，Trr的變化不大。而鉑擴(kuò)散溫度較低時其擴(kuò)散系數(shù)較小，擴(kuò)散時間越長，擴(kuò)散進(jìn)入硅中的鉑濃度就越高，從而Trr變化較明顯。不同溫度時Trr與擴(kuò)散時

8、間的關(guān)系2.3Trr的溫度特性Trr的溫度特性對快恢復(fù)二極管來說是非常重要的。因?yàn)橥ǔ？旎謴?fù)二極管工作的溫度范圍較寬，要求器件在不同的溫度環(huán)境下必須能夠正常工作，所以快恢復(fù)二極管的Trr溫度特性將直接影響整個電路系統(tǒng)的工作頻率，這就要求快恢復(fù)二極管具有小的溫度系數(shù)。對三種不同電阻率的樣品，測量其Trr溫度特性曲線如圖6所示。可見，圖6不同電阻率樣品Trr的溫度特性Trr隨工作溫度的升高而增加。另外，小電阻率樣品的溫度特性優(yōu)于大電阻率樣品。這是由于隨著工作溫度的升高，復(fù)合中心俘獲的載流子易掙脫復(fù)合中心的束縛，復(fù)合中心的作用減弱，使Trr增加。小電阻率樣品的載流子屬怒較多，工作溫度升高時負(fù)荷中心釋

9、放載流子的概率相對小些，因此小電阻率樣品Trr的溫度特性比大電阻率樣品要好。2.4正向壓降VF的溫度特性實(shí)驗(yàn)測量了正向電流為1A情況下正向壓降VF隨溫度的變化情況，如圖7所示。由圖可見，VF隨溫度的升高而下降。正向壓降中與溫度關(guān)系較大的是結(jié)壓降Vj，在大注入時結(jié)壓降Vj與正向電流的關(guān)系如下：IFq(DP/pp)?(kT?/ND)-exp(-Eq/kT)exp(qVj/kT)式中：DP為空穴擴(kuò)散系數(shù)；T為絕對溫度；ND為施主雜質(zhì)濃度；rp為空穴壽命；q為單位電荷；k為波爾曼常數(shù)；Eq為禁帶寬度。從上式可以看出，在正向注入電流一定的情況下，隨溫度的上升，Vj將下降，從而正向壓降VF隨溫度的上升而下

10、降。圖7一定電流測試條件下VF的溫度特性2.5VF-Trr特性圖8所示為在擴(kuò)散時間一定的條件下，不同電阻率和不同鋁擴(kuò)散溫度下的擴(kuò)箱樣品的VF-Trr關(guān)系曲線。從圖中可看出，隨著Trr的減小，VF是指數(shù)上升。對快恢復(fù)二極管而言VF和Trr越小越好。但VF和Trr相互關(guān)聯(lián)。在滿足Trr條件下，VF應(yīng)盡量小，這樣有利于降低快恢復(fù)二極管的功耗。但當(dāng)VF較小時快恢復(fù)二極管在正偏時基區(qū)存儲電荷也相應(yīng)增加，反向抽取更加困難，導(dǎo)致Trr變大。因此要根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的VF和Trr。由圖8可見，快恢復(fù)系列二極管Trr在100500ns之間，VF可控制在1.01.3V之間。另外，從圖中可以看出，相同Trr下，電

11、阻率越高，樣品的VF越大，即隨著電阻率的增加，VF-Trr特性變差,因此應(yīng)盡量選擇電阻率低的硅片。圖8不同鋁擴(kuò)散溫度和電阻率樣品的V-Trr折衷曲線圖8中還可以看出，鋁擴(kuò)散溫度越低，VF-Trr特性越好。這是因?yàn)闇囟壬撸Ц裾駝蛹觿?，從而體電阻增加，致使VF略有升高。隨著溫度升高，鉑在硅中的濃度增加，由于雜質(zhì)補(bǔ)償作用使樣品襯底電阻率增加，導(dǎo)致VF-Trr特性變差。因此，降低鋁擴(kuò)散溫度對獲得理想VTrr特性是有益的。實(shí)驗(yàn)知道，鉑在硅中的溶解度不會隨鉑擴(kuò)散后的冷卻過程和后面工序的低溫工藝過程而變化和凝聚效應(yīng)。因此，鉑擴(kuò)散工藝中為了減少硅中填隙鉑原子的濃度，提高有效復(fù)合中心濃度Nt，通常在鉑擴(kuò)散完成后再采取“激活加熱”處理工藝。具體做法是：將鉑擴(kuò)散后的硅片推入通N2的低于鉑擴(kuò)散溫度的爐中（一般不低于850），進(jìn)行60分鐘以上時間的低溫加熱處理，使硅中留存的填隙式鉑原子進(jìn)一步激活成為替位式鉑原子。實(shí)踐表明，經(jīng)“激活加熱”處理的硅快恢復(fù)功率二極管，不但反向恢復(fù)時間隨溫度升高而增大的現(xiàn)象有所改善，而且反向恢復(fù)時間縮短、V-Trr特性好轉(zhuǎn)。且P-N結(jié)的擊穿電壓相對增加并呈硬擊穿現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一般解釋為：在高溫下擴(kuò)散鉑時，鉑原子會把硅中的銅、鐵、鎳等有害雜質(zhì)從缺陷附近拉出，從而使漏電流減小，P-N結(jié)呈現(xiàn)出硬特性；同樣，擊穿電壓的有所提高則應(yīng)是鉑濃度對硅材料電阻率影響的一種反映。因