光蚀法制作硅二极管GPP芯片工艺技术

光蚀法制作硅二极管GPP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。本文重点介绍光致抗蚀剂法制作 玻璃钝化二极管芯片工艺。这是一种将玻璃钝化与光刻技术结合起来的新的钝化方式，国外用 得较多，许多公司提供的GP芯片就是采用这种办法制造的。它采用一 种配有玻璃粉的特殊光刻胶，用光刻的办法淀积玻璃粉，大大简化了钝 化工艺。采用光刻法淀积时必须注意：第一，由于光刻胶粘度及制造工 艺之间的差异，批与批之间结果不尽相同，故对每批胶都要进行先行试 验；第二，用这种方法制造较厚钝化膜，应采用红外对准或背面对准方 式，否则会发生光刻套准的困难；第三，由于爆光对象的变化，爆光时 间及爆光灯光强均耍加强，光强要比普通增加35倍，时间要以分来 计；第四，显影要分二步，先用喷射方式显光刻胶（一般喷射压力为 2.5公斤/cm?左右）；再用甲醇显玻璃粉。要真正做到以上几点，又保 证片子不碎，对一般厂家来讲，就不那么容易了。光刻法一般适用于较 薄钝化层的场合，或者台面器件要求划片时不刺到钝化层，而其它方式 又无法进行的场合；光致抗蚀剂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）-一次光刻沟槽图形一-一 次腐蚀V型槽一二次光刻沟槽图形一二次腐蚀V型槽台面一生 长二氧化硅膜或LPCVD淀积氮化硅膜（钝化保护）一旋转匀涂含玻 璃粉光刻胶悬浮液一三次光刻沟槽图形玻璃钝化HF漂洗（腐 蚀）硅表面双面镀镍（电极）晶圆划片一分片、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、20-25Qcm,选择原 始硅片厚度约 27010p m；电阻率 25-30、30-35、35-40、40-45、 45-50Qcm,应选择厚度约29010p 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分钟一1号液煮沸23分钟一2号液煮 沸23分钟一超纯水冲洗。(1)1号液配比：氨水：H2O2：超纯水=1： 2： 5；2号液配比：HCI： H2O2:超纯水=1： 2： 8；3号液配比：硝酸：氢氟酸：冰醋酸=3： 3： 1。最后用HF:H2O=1： 10漂1020 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：P60纸质磷源。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0.1Q/口、Xjn=20p 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将此“圆柱体”浸泡在氢氟酸中，数天后使硅片互相分离开；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15p m；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、B40纸质硼源；b、无水乙醇：硝酸铝：三氧化二硼二150： 5： 8。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；在专用石英管中，经过1250高温2135小时进行硼（或含铝） 的扩散。同时，进行磷的再分布扩散；扩散后检测扩散结深和掺杂浓度。硼表面方块电阻0.1Q/口、Xjn60p m；结深：Xjp 4590m （扩硼）或60110m （扩硼铝）；基区宽度控制在大约100p m左右。6、硼扩散片泡酸分离及喷砂去氧化层再次将此硼扩散“圆柱体”浸泡在氢氟酸中，数天后使硅片互相分离开。经自来水清洗后，双面喷砂去除约10p m两面的磷、硼扩散形 成的氧化层。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、光刻沟槽预烘。所有硅片在甩胶前需在175C烘箱内预烘60分钟；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15002000转、时间1015秒；前烘。将甩胶好的片子装入载片盒放入85C烘箱内预烘10分 钟，再置入110C胶膜前烘箱内烘30分钟；曝光。光强度500毫焦/平方厘米、时间3045秒；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；坚膜。显影后将硅片晾干，然后放入145C的坚膜烘箱内坚膜30分钟。8、腐蚀V型槽腐蚀V型槽。腐蚀液配比，硝酸：氢氟酸：冰醋酸=36： 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80-120“m，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。V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 20C2C，时间 45s-90s。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 70C5C,时间 40s-60s。去光刻胶：温度500-520C,时间15-20min,通气02, 6L/min或化学方法去除光刻胶。9、氧化生长Si02层（要求厚度12nm）氧化炉温800C，通湿氧5分钟或720C，通湿氧10-15分钟。可生长1.5nm左右的Si02层。注：在槽内先生长12nm厚的氧化层可能对硅表面阻断电压的形 成有利。10、旋转匀涂含玻璃粉光刻胶悬浮液及三次光刻沟槽图形将450cp负性光刻胶与玻璃粉按重量比40 : 60球磨4小时或旋转搅拌30小时以上。 匀胶：首先转速6001000rpm,时间1530sec；然后转速15002500转、时间1530秒； 前烘：前预热80C, 25min；烘培110C, 25min。 曝光：光强度50pw/cm2，时间60sec。显影：显影要分二步，首先用喷射方式（一般喷射压力为2.5 公斤/ cm?左右）显光刻胶90+90sec；再用甲醇显玻璃粉60+60sec。坚膜：温度140C，时间40min。去胶：温度 500-520C，时间 15-20min,通气 02, 6L/min。 然后以一定间隔竖立插放在石英舟上准备进炉。11、玻璃熔凝（烧成）玻璃预烧：将去胶后的晶片放在2009下，通入一定比例的氧 气+氮气气氛。然后以5-8C/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560C）保温2030分钟，炉口 预热及冷却各5-10min。玻璃烧成：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720-860C之间，与玻璃成分有关（如GP-200玻 璃粉的熔化温度820C）。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45的次序再重新操作一遍。12、HF漂洗（腐蚀）硅表面用HF:H20=1： 35漂2040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、双面化学镀镍镀鎳液配方：氯化鎳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。镀鎳液加热至沸腾，加入氨水25ml调 节pH值至9左右，将硅片放入镀鎳液中，时间5-7分钟。一次镀鎳、 清洗烘干后进行680-750C在含氮气或氮氢混合气体中烧渗，时间 3040分钟，让鎳、硅形成微合金层。烧渗后鎳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 化学镀鎳层。注：快恢复二极管需要在化学镀镍前扩铂铂源：a、Pt920液态铂源；b、无水乙醇：三氯化铂=100 :0.5-2.5；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； 推入专用石英管道中。炉温860C-980C；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10-15Qcm、正向 压降VF小于IV、恢复时间Trr小于50ns的原始硅片厚度选22010 p m； 15-30Qcm、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25010p m； 30-45Qcm、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28010p m。14、晶圆划片工艺采用高速砂轮划片机或激光划片机。高速砂轮划片机工艺：气压：6.57.2kg/cm2；冷缺水压：1.52.0kg/cm2；转速 500-700r/s；进刀速度 4-10mm/s；余高 5pm； 刃宽 25-50pm； 激光划片机工艺：划片速度30到40mm/s；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（-18C、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3050C烘干）及包装。