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 2.３ 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。
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