徐年惠

摘 要：外延生長技術(shù)作為半導(dǎo)體行業(yè)芯片制造技術(shù)的主流技術(shù)，一直被國內(nèi)外半導(dǎo)體行業(yè)沿用至今，近年來隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，高阻外延生長技術(shù)被各電子元器件生產(chǎn)廠家廣泛采用，而低阻外延生長技術(shù)，由于工藝要求高、工藝控制難度大，在國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用越來越少，尤其是采用N型拋光襯底硅片進(jìn)行低阻P型外延生長的工藝技術(shù)，在國內(nèi)幾乎沒有電子元器件生產(chǎn)廠家采用該工藝技術(shù)，對該技術(shù)的研究有助于軍用特殊低壓二極管產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供新的芯片制作工藝途徑。

關(guān)鍵詞：P型外延生長 低阻

1、引言

隨著我國國防建設(shè)的快速發(fā)展和不斷進(jìn)步，電子元器件的性能及質(zhì)量可靠性水平已嚴(yán)重制約著國家航天、航空、兵器、船舶、電子等國家重點(diǎn)工程配套和星載、運(yùn)載、彈載、機(jī)載等各種武器裝備工程的發(fā)展，近年來隨著國產(chǎn)化替代項(xiàng)目的推進(jìn)，較多軍用特殊低壓二極管產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)的難度特別大，這部分產(chǎn)品的國產(chǎn)化，缺乏新技術(shù)、新材料、新工藝的支撐，對新技術(shù)、新材料、新工藝的研究，有助于軍用國產(chǎn)化項(xiàng)目的推進(jìn)。

從上世紀(jì)60年代開始，我國在應(yīng)用外延生長技術(shù)以來，普遍應(yīng)用于各半導(dǎo)體行業(yè)電子元器件的芯片制作，近年來隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，高阻外延生長技術(shù)被各電子元器件生產(chǎn)廠家廣泛采用，而低阻外延生長技術(shù)，由于工藝要求高、工藝控制難度大，在國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用越來越少，尤其是采用N型拋光襯底硅片進(jìn)行低阻P型外延生長的工藝技術(shù)，在國內(nèi)幾乎沒有電子元器件生產(chǎn)廠家采用該工藝技術(shù)，對該技術(shù)的研究有助于軍用特殊低壓二極管產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供新的芯片制作工藝途徑。

近年來，隨著國防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要，航天、航空、船舶、兵器、電子等重點(diǎn)工程對擊穿電壓在5.5-7.0V的穩(wěn)壓二極管產(chǎn)品需求量越來越大，其中高質(zhì)量等級產(chǎn)品每年訂貨量也在逐年增加，在現(xiàn)有芯片工藝條件下生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量可可靠性不高，為滿足國家重點(diǎn)工程的配套需要，對新的芯片制作工藝研究勢在必行。

2、現(xiàn)有N型外延生長工藝技術(shù)存在的不足

2.1目前外延襯底采用目前我廠外延工藝允許的最高摻雜濃度的P型拋光硅片（電阻率為：0.002～0.003Ω.cm），外延生長采用“過飽和”的摻磷方式，在采用四氯化硅作為生長源的條件下，要實(shí)現(xiàn)5.5V～7.0V 的PN結(jié)反向擊穿電壓，只能在較低的1050℃的生長溫度下進(jìn)行（該生長溫度為形成良好硅單晶層的最低溫度，形成最佳硅單晶層的溫度在1070℃左右），在該溫度下形成的外延層結(jié)構(gòu)的致密性不高，PN結(jié)缺陷較多；由于外延生長時(shí)間與形成的PN結(jié)反向擊穿電壓成正比例關(guān)系，使得外延生長時(shí)間不宜過長，從而導(dǎo)致外延層厚度較薄（25～30um）。

2.2由于該生長方式的襯底和外延層的摻雜濃度特別高，使得形成的芯片PN結(jié)為典型的雙邊突變型PN結(jié)，該方式形成的PN結(jié)耗盡層寬度特別窄（約0.5um左右），耗盡層兩邊的P區(qū)、N區(qū)的雜質(zhì)濃度特別高，這種高濃度的P區(qū)、N區(qū)對溫度特別敏感，容易使受主和施主雜質(zhì)產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)（即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。PN結(jié)形成后，在一定高溫下（如燒焊、成型溫度），這時(shí)P區(qū)濃度特別高的空穴載流子向耗盡區(qū)移動(dòng)，N區(qū)濃度特別高的自由電子載流子也向耗盡區(qū)移動(dòng)，由于耗盡層寬度特別窄，流入耗盡區(qū)內(nèi)的空穴和自由電子重新進(jìn)行復(fù)合，從而使得耗盡區(qū)展寬，重新形成新的PN結(jié)。這種新的PN結(jié)在施加反向電壓時(shí)，外電場使耗盡區(qū)展寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場，耗盡區(qū)寬的PN結(jié)外電場比耗盡區(qū)窄的PN結(jié)大，施加的反向電壓比耗盡區(qū)窄的PN結(jié)高，即擊穿電壓比PN結(jié)空穴和自由電子重新復(fù)合前的高，所以使得產(chǎn)品燒焊、成型后產(chǎn)品的擊穿電壓值存在上漲現(xiàn)象（漲幅在0.4V～0.9V之間，外延生長后反向擊穿電壓越低，所形成的PN結(jié)在后續(xù)工序中溫度對它的影響也越大，在經(jīng)過燒焊、成型溫度后擊穿電壓值的漲幅高），從而導(dǎo)致采用該生長方式的產(chǎn)品電壓對檔率低，以某產(chǎn)品為例，電壓對檔率不到40%。

2.3由于外延生長過程形成的外延層的致密性不高、PN結(jié)缺陷較多、外延層厚度較薄，芯片在經(jīng)過燒焊（燒焊溫度680℃）后，鋁融化后（鋁原子的擴(kuò)散速率較快）透過致密性不高且薄的外延層，形成“鋁釘”效應(yīng)，導(dǎo)致芯片PN結(jié)穿通，穿通率達(dá)到30%以上。

2.4采用N型外延生長工藝技術(shù)，形成的PN結(jié)缺陷較多。

3、P型外延生長工藝技術(shù)的優(yōu)勢

3.1通過調(diào)節(jié)P型外延生長雜質(zhì)濃度，可以在1070℃的生長溫度下，形成致密性好、生長缺陷少的PN結(jié)，結(jié)特性質(zhì)量可靠性高。

3.2P型外延生長工藝技術(shù)是采用雜質(zhì)濃度特別高的N型襯底，在1070℃左右的生長溫度下保證最佳單晶外延層的形成，在70 min的外延生長時(shí)間下，保證足夠致密、厚度的外延層，并通過調(diào)整P型外延摻雜濃度能夠很好的實(shí)現(xiàn)擊穿電壓在5.5V～7.0V之間的外延芯片。在生長過程中，由于P型外延摻雜濃度相對于襯底濃度偏低，在生長時(shí)，雜質(zhì)從濃度高的襯底向外延層擴(kuò)散，逐步耗盡、反型，并最終形成PN結(jié)，外延生長后形成的PN結(jié)為單邊突變結(jié)，形成后的PN結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度比原有外延方式下形成的PN結(jié)的偏低。這種PN結(jié)在一定高溫下（如燒焊、成型溫度），由于PN結(jié)兩邊附近的N區(qū)和P區(qū)的雜質(zhì)濃度都較低，隨溫度的影響變化小，N區(qū)中的自由電子和P區(qū)中的空穴都很難向耗盡層里移動(dòng)，即產(chǎn)品在燒焊、成型后PN結(jié)的耗盡層寬度和內(nèi)電場不會產(chǎn)生較大的變化，所以在多層外延產(chǎn)品生產(chǎn)過程中外延生長后測試的反向擊穿電壓范圍與產(chǎn)品成型后的產(chǎn)品反向擊穿電壓范圍基本一致。以BWA54產(chǎn)品為例，電壓對檔率可達(dá)到70%以上。

3.3由于外延生長過程形成的外延層的致密性高、PN結(jié)缺陷少、外延層厚度較厚，芯片在經(jīng)過燒焊（燒焊溫度680℃）后，鋁融化后（鋁原子的擴(kuò)散速率較快）很難透過致密性高且厚的外延層，不會對PN結(jié)特性產(chǎn)生影響，燒焊后無產(chǎn)品穿通。

3.4采用P型外延生長工藝技術(shù)，形成的PN結(jié)缺陷少，結(jié)特性質(zhì)量可靠性高。

4、P型外延生長工藝技術(shù)的原理

采用N型拋光硅片作襯底進(jìn)行P型外延生長替代原來的P型拋光單晶硅片作襯底進(jìn)行N型外延生長的生長方式，形成的PN結(jié)為為單邊突變結(jié)（如圖2所示），結(jié)特性質(zhì)量可靠性高，其作用拓展了外延生長方式，提高了產(chǎn)品成品率及質(zhì)量可靠性。其生長原理為：在生長時(shí)，雜質(zhì)從濃度高的襯底向外延層擴(kuò)散，逐步復(fù)合、耗盡、反型，并最終達(dá)到PN結(jié)兩邊雜質(zhì)濃度的動(dòng)態(tài)平衡，并在外延層內(nèi)逐步形成PN結(jié)。

該工藝技術(shù)解決了原有外延生長方式下存在的外延層缺陷較多、厚度較薄、電壓對檔率低、功率老煉淘汰率高等幾個(gè)方面的問題。

5、P型外延生長工藝技術(shù)的應(yīng)用

采用這種新的芯片制作技術(shù)，拓展了擊穿電壓在5.5V～7.0V之間硅電壓調(diào)整二極管產(chǎn)品的芯片制作方式，為以后新產(chǎn)品的研發(fā)提供更好的芯片制作技術(shù)，為軍工產(chǎn)品拓展、市場推廣等方面打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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