刮涂法制作GPP二极管芯片工艺技术

刮涂法制作GPP二极管芯片工艺技术随着半导体技术的发展，对半导体表面钝化的要求越来越高，作为二极管一种钝化材料，无疑应具备：一是良好的电气性能和可靠性。包括电阻率、介电强度、离子迁移率等。材料的引入不应给器件带来副作用；二是良好的化学稳定性。半导体工艺是用化学试剂开展的工艺，作为器件的钝化材料，应有一定的抗化学腐蚀能力；三是可操作性。工艺要简单，重复性好，能与器件制造工艺相容，材料的膨胀系数要与硅材料相一致或接近；四是经济性。可大批量生产，制造成本要低，有市场竞争力，材料和工艺有强大的生命力和开发潜力。根据上述要求，近年来市场上出现的利用半导体钝化专用玻璃制作玻璃钝化硅二极管（GPP）芯片就是一种较为理想的半导体钝化材料。目前，使用玻璃钝化硅二极管（GPP）芯片的呼声越来越高，并得到电子行业内人士的普遍认可。这种GPP芯片工艺为半导体平面工艺、台面工艺和玻璃烧结工艺于一体，是在硅扩散片金属化之前（玻璃钝化工艺温度允许也可之后），使用光刻胶掩膜及刻蚀V型槽（或机械式划V型槽）的台面。然后，在结表面涂敷玻璃粉以便进行台面钝化处理。玻璃粉料是由某些粘合剂及高纯度的微细玻璃粉混合组成的悬浮液。将玻璃粉悬浮液按一定的工艺方法涂敷于V型槽内，在高温下粘合剂被烧掉，玻璃熔化并在整个结的表面上形成密封保护层。涂敷玻璃常用的主要有三种方法：医用手术刀法、电泳法和光致抗蚀剂法。本文重点介绍医用刀片刮涂法制作玻璃钝化二极管芯片工艺。这种方法是将丁基卡必醇乙酸乙酯和醋酸纤维按一定比例（一般为２％，具体可视膜厚要求定）配制粘合剂，然后加入玻璃粉配制成玻璃乳浆。操作时只要用医用刀片将玻璃乳浆刮入开好沟道的台面即可。由于这种方法工艺简单，不需要任何复杂设备，重复也好。并且能用来制造较厚的玻璃钝化膜，尤其适合于台面型功率器件，如大功率高电压器件和电力电子器件等。目前大多数半导体功率器件芯片玻璃钝化工艺均采用这种刀片刮涂法。但缺点是膜厚均匀性差，玻璃浆中的结块等异常情况工艺本身无法加以剔除，刮涂时不锈钢刀片容易损伤硅片的表面结构；钝化结束后，片子表面存在一层钝化玻璃，需用ＨＦ腐蚀或机械方法去除，这都会给钝化层带来不良影响。刀片刮涂法制作玻璃钝化二极管芯片的工艺流程如下：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→双面喷砂去氧化层→氮气或氧气退火（需要时）→铂扩散及扩散后的表面腐蚀处理和清洗（需要时）→V型槽台面腐蚀→生长二氧化硅膜或LPCVD淀积氮化硅膜（钝化保护）→玻璃钝化→ＨＦ漂洗（腐蚀）硅表面→双面镀镍（电极）→晶圆划片－→分片、清洗、包装。主要相关生产工艺介绍如下：1、挑选具有合适电阻率和厚度的N型硅单晶片采用N型直拉单晶硅。硅片电阻率：15-20、20-25Ω·cm，选择原始硅片厚度约270±10?m；电阻率25-30、30-35、35-40、40-45、45-50Ω·cm，应选择厚度约290±10?m；以上电阻率所对应的击穿电压VR大约为：600-900、900-1100、1000-1200、1200-1400、1400-1600、1500-1600、1600-1700。2、硅片的清洗硅片表面清洗是制造半导体器件的重要环节，用混合酸、清洗剂和纯水在清洗槽或超声波清洗机内清洗硅片，使其表面洁净并烘干。清洗过程：3号液腐蚀3-5分钟－→1号液煮沸2－3分钟－→2号液煮沸2－3分钟－→超纯水冲洗。⑴1号液配比：氨水：H2O2：超纯水＝1：2：5；⑵2号液配比：HCI：H2O2：超纯水＝1：2：8；⑶3号液配比：硝酸：氢氟酸：冰醋酸=3：3：1。最后用HF:H2O＝1：10漂10－20秒，除去硅片表面自然氧化层，用超纯水冲洗、烘干备用。3、磷预淀积扩散磷源：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。磷表面方块电阻0.1Ω/□、Xjn≈20?m。磷预沉积结束后，硅片会黏结成圆柱形。4、磷扩散片泡酸分离及喷砂减薄⑴将此“圆柱体”浸泡在氢氟酸中，数天后使硅片互相分离开；⑵硅片经自来水清洗后，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；⑶用混合酸、清洗剂和纯水在清洗槽或超声波清洗机内清洗硅片，去除硅片表面的缺陷，金属杂质，可动离子和有机物，使其表面洁净并烘干。5、硼扩散及磷再分布扩散硼源：a、美国Filmtronics公司B40纸质源；b、无水乙醇∶硝酸铝∶三氧化二硼＝150：5：8。⑴第一种硼源是在磷面背靠背的两片喷砂面中间放一张硼源纸，将硅片排列整齐并压紧在石英舟中；第二种磷源是在喷砂面涂覆（喷涂法或旋敷涂法）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；⑵在专用石英管中，经过1250℃高温21～35小时进行硼（或含铝）的扩散。同时，进行磷的再分布扩散；⑶扩散后检测扩散结深和掺杂浓度。硼表面方块电阻0.1Ω/□、Xjn≈60?m；结深：Xjp45～90?m（扩硼）或60～110?m（扩硼铝）；⑷基区宽度控制在大约100?m左右。6、硼扩散片泡酸分离及喷砂去氧化层⑴再次将此硼扩散“圆柱体”浸泡在氢氟酸中，数天后使硅片互相分离开。⑵经自来水清洗后，双面喷砂去除约10?m两面的磷、硼扩散形成的氧化层。⑶用混合酸、清洗剂和纯水在清洗槽或超声波清洗机内清洗硅片，使其表面洁净并烘干。7、光刻沟槽⑴预烘。所有硅片在甩胶前需在175℃烘箱内预烘60分钟；⑵甩胶。在转盘上放置硅片，在硅片表面上滴入适量SC450cp,按下真空开关开始甩胶。第一步低速匀胶：转速800转、时间10秒；第二步高速甩胶：转速1500～2000转、时间10～15秒；⑶前烘。将甩胶好的片子装入载片盒放入85℃烘箱内预烘10分钟，再置入110℃胶膜前烘箱内烘30分钟；⑷曝光。光强度500毫焦/平方厘米、时间30～45秒；⑸显影。将曝光好的片子装入载片盒放入显影缸中显影45秒，再置入定影缸中定影30秒。注意：显影时应来回晃动载片盒数次；⑹坚膜。显影后将硅片晾干，然后放入145℃的坚膜烘箱内坚膜30分钟。8、腐蚀V型槽⑴腐蚀V型槽。腐蚀液配比，硝酸：氢氟酸：冰醋酸=3～6：3：1，腐蚀在冰水中进行，时间20-25min（腐蚀时间随槽深而确定），槽深80-120μm，关键是控制好腐蚀速率。并使管芯形成尽量大的（40°-75°）负斜角台面。⑵V型槽台面腐蚀。腐蚀液配比，硝酸：氢氟酸：冰醋酸：硫酸=9：9：10-12：4。温度20℃±2℃，时间45s--90s。⑶表面钝化：钝化液配比，过氧化氢：磷酸：去离子水=1：1：2-4；温度70℃±5℃，时间40s--60s。⑷去光刻胶：温度500--520℃，时间15--20min，通气O2，6L/min或化学方法去除光刻胶。9、氧化生长SiO2层（要求厚度1～2nm）氧化炉温800℃，通湿氧5分钟或720℃，通湿氧10--15分钟。可生长1.5nm左右的SiO2层。注：在槽内先生长1～2nm厚的氧化层可能对硅表面阻断电压的形成有利。10、涂敷玻璃粉及玻璃熔凝（烧成）⑴玻璃粘合剂配方：乙基纤维素：丁基卡必醇=1.5--2.5g：100ml。加热至150℃使全部溶解，或加热至80℃以上超声至全部溶解。⑵玻璃乳浆配方：玻璃粘合剂：玻璃粉=1：1.4--2.1。稍加搅拌后超声40–60min成悬浮液。乳浆的黏度决定玻璃层的厚度，而粘合剂的配比则决定了玻璃乳浆的黏度。粘合剂的纯度对钝化玻璃的致密性产生较大的影响，从而影响器件的电特性。⑶用玻璃棒蘸1–2滴玻璃乳浆涂到置于旋转真空吸盘上的硅片上，用刀片沿矩形芯片对角线方向刮涂两次，将硅片旋转90°再刮涂两次，使槽中填满玻璃乳浆。⑷将硅片置于110±2℃烤盘上烘烤2min，置于旋转真空吸盘在转速800～1000rpm下用橡胶圆块轻轻擦去硅片表面残留的玻璃粉（也可拿个小刷子轻轻扫涂有玻璃粉的硅片表面，保证涂层均匀再入炉），然后以一定间隔竖立插放在石英舟上准备进炉。⑸玻璃预烧。玻璃粉涂敷之后，将晶片放在200°C下，以使溶液蒸发烘干。然后将硅片放入500℃焙烧炉中通入氧气焙烧15分钟，以烧去有机溶剂（或光刻胶膜）。烧完后只留下沟槽中的白色粉末玻璃。以5–8℃/min(或推拉速度为50mm/min)升温至转化温度（如GP-200玻璃粉的转化温度560℃）保温20～30分钟，炉口预热及冷却各5--10min。⑹擦拭预烧后硅片。将预烧后的硅片表面的玻璃粉擦拭干净，注意沟槽内玻璃浆不要擦掉。沿对角线方向轻擦去硅片表面残留的玻璃粉（此步骤根据效果取舍）。⑺玻璃烧成。进出方式同玻璃预烧，在一定比例的氧气+氮气气氛中烧成。各种玻璃粉的熔凝典型温度一般在720-860℃之间，与玻璃成分有关（如GP-200玻璃粉的熔化温度820℃）。温度曲线按附件1玻璃粉产品说明书实施。严格控制玻璃烧结熔凝温度和氧气中的含氮气量是制备优质玻璃钝化层的关键。附件2是以GP-5210玻璃粉进行玻璃钝化工艺介绍。注：芯片如需要加厚玻璃层时，按照⑶～⑺的次序再重新操作一遍。12、ＨＦ漂洗（腐蚀）硅表面用HF:H2O＝1：3～5漂20－40秒，除去硅片表面残留玻璃层及氧化物，用超纯水冲洗、烘干备用。注意：严格控制腐蚀速率、时间及腐蚀厚度。13、双面化学镀镍镀镍液配方：氯化镍30克/升、次亚磷酸钠10克/升、氯化铵50克/升、柠檬酸氢二铵65克/升。镀镍液加热至沸腾，加入氨水25ml调节pH值至9左右，将硅片放入镀镍液中，时间5-7分钟。一次镀镍、清洗烘干后进行680--750℃在含氮气或氮氢混合气体中烧渗，时间30—40分钟，让镍、硅形成微合金层。烧渗后镍层表面发黄需用硝酸腐蚀，再用氢氟酸漂洗，硅片清洗干净后再镀上一层可焊性良好的新的化学镀镍层。注：快恢复二极管需要在化学镀镍前扩铂⑴铂源：a、美国Filmtronics公司Pt920液态源；b、无水乙醇∶三氯化铂=100：0.5-2.5；⑵在扩散片磷面旋转涂敷铂源，烘干后铂面背靠背排放在石英舟中并压紧；⑶推入专用石英管道中。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。14、晶圆划片工艺采用高速砂轮划片机或激光划片机。⑴高速砂轮划片机工艺：气压：6.5—7.2kg/cm2；冷缺水压：1.5—2.0kg/cm2；转速500-700r/s；进刀速度4-10mm/s；余高5μm；刃宽25--50μm；⑵激光划片机工艺：划片速度30到40mm/s；⑶划片深度波动控制在20um之内。15、裂片、清洗、包装将蓝膜用纯水粘在不锈钢板上冷冻（-18℃、30min）进行裂片，去除硅片边缘的不良品；取出后剥下蓝膜，用水冲入不锈钢筛网内，开水烫后在丙酮里浸泡20分钟后，异丙醇超声三到四次，脱水烘干（如有光刻胶残留须在白炽灯下30—50℃烘干）及包装。