电力半导体器件在线控制中的吸杂技术优化方案

为了保证电力半导体器件在使用过程中不发生局部击穿和失效，必须对其少子寿命进行严格的在线控制。特别是在大直径ϕ5in（ϕ125mm）的超高压晶闸管（7200V以上）的制作过程中，每次高温扩散工艺之后，要求少子寿命在300μs以上^[35]，此外还要求严格控制少子寿命的纵、横向均匀性，所以在器件制造过程中，为了提高少子寿命，必须预防各种有害杂质的玷污与侵入，同时需要采用吸收工艺，以消除杂质或缺陷。

1.预防措施

（1）硅片清洗方法 在传统的半导体器件生产工艺中，通常采用手工清洗方式，增加了金属离子污染的概率。采用自动化的RCA标准清洗工艺有利于提高少子寿命及其均匀性。RCA清洗是1965年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton的美国无线电公司（RCA）实验室首创的，并由此而得名，至今仍是一种普遍使用的湿式化学清洗方法，主要用于清除有机表面膜、粒子和金属玷污。清洗时，首先用H₂SO₄、H₂O₂及H₂O混合液（称为SPM）去除硅片表面的有机玷污，因为有机物会遮盖硅片部分表面，从而使氧化膜和与之相关的玷污难以去除；然后用HF、H₂O₂及H₂O混合液（称为DFH）溶解表面氧化膜，同时除去金属玷污，因为氧化层通常是“玷污陷阱”，也会引入外延缺陷；再用NH₄OH、H₂O₂及H₂O混合液（称为APM）去除颗粒、部分有机物和金属等玷污，同时使硅片表面钝化；最后用HCl、H₂O₂及H₂O混合液（称为HPM）去除硅片表面的钠、铁、镁等金属玷污。

（2）扩散用具 在电力半导体器件制造过程中，采用不同材料制成的高温扩散管、扩散舟、铲等，会直接影响器件的少子寿命。由于碳化硅材料的杂质含量明显高于多晶硅和石英材料，因此扩散用的碳化硅铲需经过特殊涂层处理。此外，多晶硅材料因其特殊的分子结构，容易吸收杂质，且用氯离子清洗效果不佳。所以，为了保证高的少子寿命，扩散时应尽量选用高纯石英材料用具。但石英材料的耐高温特性相对较差，高温长时间扩散容易变形，故要定期检查更换。

（3）材料缺陷 原始硅材料中存在的D缺陷（即空位团）会影响其中的载流子寿命分布。D缺陷源于扩散时混入不洁净的空气，或用KOH腐蚀硅片时在表面薄层内产生的重金属污染，在高温过程中会在硅中引入D缺陷，形成的空位能级位于导带下方0.45eV处，成为重金属杂质的复合-产生中心，使硅中载流子寿命存在严重的横向分布，如图8-23a所示^[36]，中心寿命仅为150μs，而外围寿命可达1000μs，这种非均匀的寿命分布会导致器件的漏电流很大。为了消除原始衬底材料中的D缺陷，需注入间隙原子。具体方法是，采用湿氧氧化或POCl₃扩散，在1150℃下预处理3h，间隙原子会扩入整个硅片。然后，腐蚀掉表面氧化层和磷掺杂层，在1240℃下推进5h。预处理后的寿命分布趋于均匀，同时寿命也有所提高（见图8-23b），在500～1500μs之间。

2.吸杂方法

为了提高少子寿命，需要减少有害杂质的污染，并控制缺陷的产生。因此，在工艺过程中，要加强表面清洁处理，防止高温掺杂时有害杂质，如铜（Cu）、铁（Fe）等，从表面扩入硅片，并尽量采用低温工艺或闭管扩散及慢降温等。此外，还可以采用特殊的吸收工艺来消除芯片中的杂质或微缺陷，如采用掺氯氧化、阳极的硼硅玻璃（BSG）吸收工艺、阴极的磷硅玻璃（PSG）吸收工艺等。(www.xing528.com)

图8-23 原始衬底材料中的D缺陷引起的寿命分布

表8-4比较了采用不同的吸收方法处理后少子寿命和pn结漏电流的变化^[36]。相比较而言，采用双面磷吸收工艺可显著提高少子寿命，降低pn结反向漏电流。为了了解器件中的少子寿命分布，可以在n⁺阴极区的POCl₃扩散后，通过测试n基区少子扩散长度的横向分布来观察少子寿命情况。吸收后的寿命可采用光致发光成像（Photoluminescence Imaging，PL）技术来测量^[37]。

表8-4 采用不同的吸收方法处理后少子寿命和pn结漏电流的变化