高压IGBT 器件用200mm 硅外延材料制备技术研究

魏建宇，杨 帆，王银海，邓雪华

（南京国盛电子有限公司 江苏 南京 211111）

1 引言

绝缘栅双极晶体管（简称IGBT）是在金属氧化物场效应晶体管和双极晶体管基础上发展起来的一种新型复合功率器件，具有MOS 输入、双极输出功能。IGBT 集双极晶体管器件通态压降小、载流密度大、耐压高和金属氧化物场效应晶体管驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。作为电力电子变换器的核心器件，为应用装置的高频化、小型化、高性能和高可靠性奠定了基础[1-3]。

本文结合高压IGBT 器件用200mm 硅外延材料的特性要求，从表面缺陷控制、滑移线控制，以及产品电阻率纵向结构分布控制等方面，研究了外延材料制备过程中的各项工艺参数，优化了高压IGBT 器件用大尺寸硅外延片的制备方法。

2 外延制备过程介绍

2.1 外延设备介绍

采用LPE 公司的PE·3061 平板式外延炉进行加工制备，机台结构见图1 所示。

图1 机台结构示意图

2.2 外延原理介绍

将衬底片置放于包有SiC 涂层的高纯石墨基座上，然后放进石英钟罩的反应腔室。使用氢气（H2）作为载体，携带三氯氢硅（SiHCl3）通入反应腔。经过线圈高频感应加热，在反应腔进行高温化学反应，产生硅原子在衬底片表面进行外延生产。

2.3 外延制备方法介绍

选用200mm 掺磷中阻衬底片，先采用小流量气腐工艺条件对衬底片表面做抛光，然后选择多层外延的工艺条件在合适的温度下进行外延生长。硅源采用超高纯三氯氢硅，先生长一层电阻率平坦的外延层，然后采用变掺杂流量的工艺条件生长中间过渡层，最后生长一层高阻外延层。

3 研究工作及成果

3.1 表面缺陷控制

外延片表面产生晶格缺陷的因素有很多，如反应腔的洁净程度、衬底表面质量都会对外延片表面的晶格缺陷产生直接影响。本文假设这些外部条件都正常的情况下，研究生长温度对表面缺陷的影响。

选取合适的机台，在保证其他各项条件相同的前提下，变动生长温度，验证外延片表面的缺陷产生情况，收集数据见表1。

表1 生长温度与裂片率的对应性

结论：外延生长温度越低，表面缺陷废片率越高；当生长温度高于一定设定值后，表面缺陷废片率基本恒定。

3.2 表面滑移线控制

外延片表面滑移线的产生是由多个因素共同导致的。目前的理论主要是由机械应力和热应力共同作用的结果。当二者共同作用的总应力大于外延温度下引起的晶体滑移的应力临界值时，便产生了滑移线[4-5]。目前，衬底在加工过程中已经引入了边缘倒角抛光工艺步骤，且随着抛光技术的逐渐成熟，衬底端引入的机械应力已得到明显的改善。本文主要从改善热应力的角度出发，控制表面滑移线的产生。

（1）在确认其他条件相同的情况下，通过调整不同的温场分布趋势，关注产品表面的滑移线结果。不同的温场分布趋势见图2 所示。

图2 温场趋势图

（2）在不同的温场结果下，收集产品表面滑移线数据见表2。

表2 温场与滑移线的对应性

结论：片内温场极差越小，外延片表面滑移线长度越短。

3.3 外延片电阻率纵向结构控制

选用多层外延的控制模式，中间过渡层采用变掺杂流量的工艺条件。通过对各项工艺参数的精确控制，实现了外延片电阻率纵向结构的特殊分布，满足了客户端的设计要求。如图3 为外延片电阻率纵向结构示意图。

图3 外延片电阻率纵向结构示意图

4 结语

本文研究了高压IGBT 器件用200mm 硅外延材料制备技术。通过研究生长温度与表面缺陷的对应性，降低了批产过程中的缺陷废片率；通过研究温场分布趋势与外延片表面滑移线的对应关系，减少了片内滑移线的产生；通过多层外延的控制模式，并采用变掺杂的工艺条件，实现了外延片电阻率纵向结构的特殊分布。