[发明专利]弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体加工技术领域，是一种对半导体芯片实施开管掺杂时用以提高均匀性、重复性的弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管。

背景技术

目前，为满足特高压直流输电工程的需求，半导体分立器件特高压晶闸管直径已达6英寸，阻断电压高于8500V，通流能力大于5000A，且需要上百只晶闸管串联组成换流阀臂。换流阀工作时不单要求每只晶闸管重复承受高电压、通过大电流，而且要求阀臂上的所有晶闸管几乎同时开通和关断。这对每一只晶闸管特性参数水平及换流阀臂所有串联晶闸管一致性要求很高。其实质是对制造过程中扩散掺杂工艺的均匀性、重复性要求很高。不仅要求每个芯片上要有均匀的杂质浓度和结深分布；而且要求同批次各芯片间、批与批之间杂质浓度和结深分布要有极高的一致性与重复性。其原因是：整个芯片上杂质浓度和结深分布中最不利于器件性能的点将劣化该晶闸管的最终特性，特性最劣的晶闸管成为上百只阀臂串联线路上的薄弱环节导致系统崩溃。分立器件面积越大、串并联器件数量越多这种效应越明显。所以大面积高均匀性、重复性掺杂技术是特高压直流输电晶闸管及其它大规模串并联应用大功率分立半导体器件制造的核心工艺技术。

长期以来，在功率半导体器件加工行业，作为关键工艺的N+发射区掺杂，传统采用气体携带液态源扩散系统。该系统工作过程如下：在舟铲上放置装有半导体芯片的载片舟伸入到扩散工艺管的恒温区内；气体携带的液态杂质源从工艺管尾端进气管通入，沉积到芯片表面上，经化学反应后杂质原子扩散进入芯片体内，携带气体及其它反应生成气体由工艺管管盖上排气管排出。这样的扩散系统存在以下几方面的缺陷：

1、用舟铲作为装有半导体芯片的载片舟的载体，在高温掺杂过程中始终从里到外横穿工艺管像一个长条散热器造成温度梯度对工艺管内获取较长、较高精度的恒温区及其不利。

2、工艺管口由于进出半导体芯片的需要，口径较大，而且管口盖还要留一定孔径的排气管，将携带气体及其它反应生成气体由此管单方向、无压阻地排放；此外，由于舟铲与工艺管盖之间的缝隙，也会散热、漏气。而工艺管尾则只有进气通道，且开口小、密封严、无缝隙保热性较好。这种管口管尾散热保热性大不相同，管尾进气与管口排气、气流单向流动的情形有在工艺管内形成温度及气压梯度的不良趋势。

3、通源气流趋势与待掺杂芯片表面垂直，会造成两方面的不利影响：①从管尾到管口存在掺杂源浓度梯度，始终是管尾浓度高，管口浓度低；②由于芯片对气流趋势有累积阻挡作用，每个芯片的中心部位最难接触到曲折渗透过来的气相杂质源，因而杂质浓度最低。芯片面积越大，这种不均匀性越明显。

如上所述，传统的气体携带液态源掺杂系统存在固有缺陷，无法满足大直径高电压分立半导体器件扩散掺杂的技术要求。

发明内容

本发明为了克服传统气体携带液态源扩散掺杂系统的不均匀性而提供一种弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管。

本发明的技术解决方案是：一种弥漫式恒压气体携带杂质源扩散工艺管，包括管身和管口盖（4），管身包括外套（1）、内衬（2）和舟撑（3），外套（1）内设有内衬（2），外套（1）与内衬（2）之间为夹层（6），外套（1）尾端设有锥形石英管（18），锥形石英管（18）顶部设有中央排气管（9）串接气体流量计（10）通往排风道，锥形石英管（18）底部两端设有通源管（5）与外套（1）与内衬（2）之间的夹层（6）连通，通源管（5）连接通源枪（19），内衬（2）壁上恒温区段（7）设有弥漫孔（8）连接夹层（6）与内衬（2）内的腔体，内衬（2）内设有舟撑（3），舟撑（3）上设有载片舟（14）和芯片（13），管口盖（4）中央设有排气管（11）串接气体流量计（10）通往排风道，管口盖（4）中空夹层内设有隔热棉（16），管口盖（4）外设有机械加压臂（17），管口盖（4）密封管身端部。

相对舟铲进入方向舟撑（3）支撑腿间距大于舟铲宽度，载片舟（14）底部与内衬（2）之间最小距离大于舟铲厚度。

所述的管尾排气管（9）串接的气体流量计（10）与管口排气管（11）串接的气体流量计（12）在扩散过程中二者流量相等，且二者流量之和等于进气流量。

弥漫孔（8）由管尾方向向管口方向排列，其孔径为1.0～1.75mm，中心距70～40mm，其间孔径和孔中心距均匀分布过度。