二極管制造方法

專利名稱：二極管制造方法
技術領域：
本發明涉及一種二極管的制造方法，特別是極力地將二極管生產中必須的熱處理低溫化，力求減少生產中必要的熱量，減少電力消耗量，同時通過硅外延片的雜質濃度分布維持急劇的變化之方法。
背景技術：
二極管是一種常用的半導體元件。二極管的制造主要是在一塊外延片上制作出PN結結構，而外延片是一種具有高濃度N+型單晶硅襯底，在其表面上采用外延工藝加上低濃度N型單晶硅外延層的基片。現有二極管的制造方法是以外延片為對象，經過氧化(熱處理)、光刻、雜質摻入、雜質擴散、光刻、金屬化(AL)、光刻、合金等工序在外延片上形成PN結構和電極，從而制成二極管。現有二極管制造方法的不足是1、熱處理溫度高，耗能大，一方面不利于節約能源，另一方面相應的成本較大，比如氧化處理時需要1200℃，3小時，而且升溫和降溫需要控制速度(升溫從850℃起以10℃/分的速度進行，降溫從1200℃以5℃/分的速度降至850℃)，因此能耗較大。2、制成二極管后硅外延片的雜質濃度分布變化較緩，見圖3二極管雜質的分布狀態a)曲線，因此二極管在工作時速度慢，呈現的電阻大，電能損耗高。3、使用外延片的外延層厚度大(厚度為8μ)，基片價格貴。因為外延片是在含有Sb(銻)或As(砷)高濃度的硅襯底上面長出外延層，那么長出的層厚越厚，設備的占有時間越長，生產效率就下降，工序合格率也越下降，所以外延片的價格與生長的外延層的厚度成正例。
本發明的目的是極力地將二極管生產中必須的熱處理低溫化，力求減少生產中必要的熱量，減少電力消耗量，同時通過硅外延片的雜質濃度分布維持急劇的變化，減少二極管的電能損失，提高工作速度，最終實現低成本、高效率的二極管生產來立足于市場。

發明內容
為達到上述目的，本發明在結構方面采用的技術方案是一種二極管制造方法，以半導體硅外延片為對象，對其進行氧化膜工序、光刻工序、雜質摻入工序、雜質擴散工序、光刻工序、鈍化膜工序、光刻工序、金屬膜工序、光刻工序以及合金工序，其創新在于制膜工序及雜質摻入工序采用化學汽相淀積方法并結合低溫熱處理在半導體片表面沉積薄層材料。
上述技術方案的有關內容和變化解釋如下1、上述方案中，所述“化學汽相淀積方法”是在一定壓力條件下，用汽相化學的方法在半導體片表面沉積薄層材料的方法，英文為[CVD(ChemicalVapor Deposition)]。所述“制膜工序”具體指氧化膜工序和鈍化膜工序。
2、上述方案中，所述低溫熱處理是相對現有技術中的熱處理溫度而言，以往氧化時熱處理溫度為1200℃，而現在只需要950℃。
3、上述方案中，所述氧化膜工序、鈍化膜工序以及雜質摻入工序中至少兩個工序是采用化學汽相淀積方法生產的。
4、上述方案中，所述氧化膜工序的具體工藝為先采用化學汽相淀積方法(CVD)在半導體硅片表面沉積多晶硅薄層材料，淀積溫度650℃，時間3小時，氣源為硅烷(SiH4)，氣體流速為150毫升/分(SCCM)，真空度為350(mmHg)，然后在950℃條件下，通濕氧(蒸氣)1小時進行氧化處理。
5、上述方案中，所述雜質摻入工序的具體工藝為采用化學汽相淀積方法(CVD)在半導體硅片表面沉積硼薄層材料，淀積溫度650℃，時間30分鐘，氣源為硅烷(SiH4)和P型雜質硼化氫(H3B6)，氣體流速硅烷為150毫升/分(SCCM)，硼化氫4毫升/分(SCCM)，真空度為350(mmHg)。
6、上述方案中，所述鈍化膜工序的第一種具體工藝為采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面進行磷硅玻璃淀積，淀積溫度350℃，磷濃度為4.0mol％，厚度1μm，時間30分鐘，還可以在磷硅玻璃淀積之后增加非晶氮化硅淀積和光刻，所述非晶氮化硅淀積采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面進行，淀積溫度350℃，厚度最小為0.5μm，時間30分鐘。
7、上述方案中，所述鈍化膜工序的第二種具體工藝為采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面進行非晶氮化硅淀積，淀積溫度350℃，厚度最小為0.5μm，時間30分鐘。
8、上述方案中，在生產工序中采用兩次以上的氧化工藝。第一次是指下表2、表3和表4中的第2項，即氧化(熱處理)工藝，該工藝在硅表面形成了二氧化硅層。第二次是指下表2、表3和表4中的第5項，即雜質擴散(氧化)工藝，該工藝在硅表面形成了二氧化硅層。第三次是指下表3和表4中的第7項，即PSG淀積(CVD)(氧化)工藝。
下面通過列表形式給出現有技術以及本發明主要工藝和條件表1為以往現有技術

表2為本發明技術(一)

表3為本發明技術(二)


表4為本發明技術(三)

本發明技術方案的核心在于低溫下進行的工序，其實現的手段是采用化學汽相淀積方法(CVD方法)。與現有的二極管及其制造方法相比，可以獲得如下效果1可以使用低價格的外延片來制造二極管；2二極管的工作電耗減少；3二極管的工作速度快；4器件晶片尺寸小型化5生產工序中的能耗小；6生產成本低。
本發明二極管制造方法，從總體工序方面看由氧化工序、雜質摻入工序、雜質擴散工序及金屬膜形成工序來形成，與現有二極管、晶體管、IC、VLSI(超大規模集成電路)等半導體器件的工序基本相同，屬同樣的道理。
本發明的新異點在于在方法、條件、組合等方面與以往不同，具體不同之處體現在兩個方面，一是低溫下進行的工序，二是對制膜工序和雜質摻入工序采用二次以上化學汽相淀積方法[CVD(Chemical Vapor Deposition)]和二次以上的氧化工序進行。結果在經濟性、實用性方面獲得很大利益的同時，還節省了生產中的能耗，提高了二極管的性能和品質。具體體現在以下幾方面1、眾所周知，外延片的原價，與生長的外延層的厚度成正比。外延層厚越厚，設備的占有時間越長，生產效率就下降。時間越長，工序合格率越下降。所以外延層做得薄，可獲得生產的效率提高和工序合格率提高的雙重效果，結果原價劇減。
2、本發明對二極管采用低溫化的生產工序，所以生產工序中由熱處理而產生的硅外延層中的高濃度雜質的陡峭分布帶來實效是外延層厚減小，獲得陡峭分布使外延層的厚度變得薄之效果。這點由圖3很容易理解。
從圖3中還可以知道，低溫處理中，雜質變化b)相對于表面的深度呈急劇變化，這樣電子走行距離短，相應地動作快，這點說明通過電流的電阻小，所以電壓損失及電力損失也少。因此電力損失的減少帶來自身的發熱減少，相應地散熱面積需要得少，結果器件面積可以做小。
3、通過上述方法及各因素的多重相互影響的效果，既節省能源，提高了產品的性能和品質，而且產品的生產成本大幅度地下降，因此實際效果非常顯著。據計算，與過去的方法相比，實施本發明估計可減少芯片尺寸約60％、綜合原價近50％。實用性之大、獲利性之大可想而知。


附圖1為一般二極管斷面圖。其中1為氧化膜，2為雜質的擴散層，3為外延成長層，4為其硅襯底，5為保護環擴散層。
附圖2為形成二極管的硅襯底的雜質的分布狀態。在這里是硅外延片的狀態。(n0為外延層原始雜質濃度，n+為襯底濃度)。
附圖3為把肖特基二極管(考慮了保護環擴散)實際做出來時的雜質的分布狀態。其中a)是用過去的技術制成的情況；b)是用本發明技術制成的情況。
具體實施例方式
下面結合附圖、比較例及實施例對本發明作進一步描述比較例參見表1所述的工序條件下做成二極管。
所使用的外延片的規格如下硅襯底 電阻率3μΩCM 雜質As外延層 電阻率0.8ΩCM 厚度8μ做成二極管后測定外延層厚度和濃度分布結果，見圖3，a)，這時由硅外延層的雜質，緩變分布效果所減少的外層厚達到接近4μ，即實際外延層厚為4μ。做成二極管的結果，Vf為0.55V。
具體工藝步驟如下1、清洗半導體硅片。用氫氧化銨(NH4OH)、雙氧水(H2O2)和水(H2O)按1∶4∶20配制的清洗液，在65℃條件下清洗硅片2.5分鐘。
2、旋轉甩干。把硅片插在旋轉體上，在氮氣(N2)保護中以每分鐘1000轉的轉速旋轉5分鐘。
3、氧化。對硅片進行加溫，從850℃開始以10℃/分鐘升溫到1200℃，通干氧(O2)10分鐘→濕氧(蒸氣)3小時→干氧(O2)10分鐘，以5℃/分鐘降溫到850℃。
4、烘烤。在氮氣保護條件下，將硅片用200℃烘烤30分鐘。
5、涂膠。以4000轉/分鐘的轉速旋轉涂膠30秒。
6、烘烤。用熱板以120℃烘烤硅片30秒。
7、用光刻板曝光。用光刻板以1000000勒克司-秒(Lux-Sec)的光照強度對硅片進行曝光。
8、顯影。以500轉/分鐘的轉速旋轉顯影60秒。
9、烘烤。同步驟6。
10、檢驗。用顯微鏡對光刻的顯影觀察檢驗。
11、烘烤。在氮氣保護條件下，用150℃烘烤30分鐘堅膜。
12、腐蝕。用氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)按1∶6配制的試劑對光刻后的硅片進行腐蝕，溫度為20℃，時間為20分鐘。
13、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
14、去膠。用硫酸(H2SO4)、雙氧水(H2O2)按10∶1比例對硅片去膠，溫度120℃，時間10分鐘。
15、檢驗。同步驟13。
16、清洗硅片。同步驟1。
17、檢驗。同步驟13。
18、硼淀積(雜質摻入)。將氮化硼(BN)片與外延片緊貼在1000℃條件下預淀積30分鐘。
19、去除硼硅玻璃。用氫氟酸(HF)、水(H2O)按1∶5比例配制的試劑，在20℃條件下用30秒時間去除硼硅玻璃。
20、擴散氧化(雜質擴散)。在1200℃條件下，通干氧(O2)10分鐘→濕氧(蒸氣)50分鐘→干氧(O2)10分鐘。
21、烘烤。同步驟4。
22、涂膠。同步驟5。
23、烘烤。同步驟6。
24、用光刻板曝光。同步驟7。
25、顯影。同步驟8。
26、烘烤。同步驟9。
27、檢驗。同步驟10。
28、烘烤。同步驟11。
29、腐蝕。同步驟12。
30、檢驗。同步驟13。
31、去膠。同步驟14。
32、檢驗。同步驟15。
33、清洗硅片。同步驟16。
34、在金屬淀積之前的預處理。用氫氟酸(HF)、水(H2O)以1∶30比例在20℃條件下預處理20秒。
35、金屬淀積。以5×10-6(mmHg)的真空度在150℃條件下，用 (埃/秒)淀積金屬鋁(AL)，淀積厚度為5微米。
36、烘烤。同步驟4。
37、涂膠。同步驟5。
38、烘烤。同步驟6。
39、用光刻板曝光。同步驟7。
40、顯影。同步驟8。
4l、烘烤。同步驟9。
42、檢驗。同步驟10。
43、烘烤。同步驟1l。
44、腐蝕。用磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、醋酸(CH3COOH)按93∶l∶6的重量比配制的腐蝕液，在65℃條件下，用29KHz500W的超聲波腐蝕3分鐘。
45、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
46、去膠。用502去膠液(Tokyo-Ohka)在60℃條件下處理15分鐘。
47、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
48、合金。在氮氣保護下，用400℃處理30分鐘。
實施例一參見表232工序條件下做成二極管。
所使用的外延片的規格如下硅襯底 電阻率3μΩQCM 雜質As外延層 比電阻O.8ΩCM 厚度8μ做成二極管后測定外延層厚和濃度分布結果，見圖3，b)。這時由硅外延層的雜質層陡峭分布效果所減少的外延層厚為1μ，即實際外延層厚為7μ。做成二極管的結果是，二極管的正向壓降，Vf為0.65V。這是因為實際外延層度厚的原因。
具體工藝步驟如下
1、清洗半導體硅片。用氫氧化銨(NH4OH)、雙氧水(H2O2)和水(H2O)按1∶4∶20配制的清洗液，在65℃條件下清洗硅片2.5分鐘。
2、多晶硅淀積。采用化學汽相淀積方法[CVD(Chemical VaporDeposition)]在半導體硅片表面沉積多晶硅薄層材料，淀積溫度650℃，時間3小時，氣源為硅烷(SiH4)，氣體流速為150毫升/分(SCCM)，真空度為350(mmHg)。
3、擦洗(1)。用75公斤/厘米2的高壓去離子水(DI water)擦洗1分鐘。
4、擦洗(2)。再用1公斤/厘米2的去離子水(DI water)擦洗1分鐘。
5、清洗硅片。同步驟1。
6、氧化。在950℃條件下，通濕氧(蒸氣)1小時(沒有以往氧化過程中的升溫和降溫)。
7、烘烤。在氮氣保護條件下，將硅片用200℃烘烤30分鐘。
8、涂膠。以4000轉/分鐘的轉速旋轉涂膠30秒。
9、烘烤。用熱板以120℃烘烤硅片30秒。
10、用光刻板曝光。用光刻板以1000000勒克司-秒(Lux-Sec)的光照強度對硅片進行曝光。
11、顯影。以500轉/分鐘的轉速旋轉顯影60秒。
12、烘烤。同步驟9。
13、檢驗。用顯微鏡對光刻的顯影觀察檢驗。
14、烘烤。在氮氣保護條件下，用150℃烘烤30分鐘堅膜。
15、腐蝕。用氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)按1∶6配制的試劑對光刻后的硅片進行腐蝕，溫度為20℃，時間為20分鐘。
16、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
17、去膠(剝膠)。用硫酸(H2SO4)、雙氧水(H2O2)按10∶1比例對硅片去膠，溫度120℃，時間10分鐘。
18、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
19、清洗硅片。同步驟1。
20、硼淀積(雜質摻入)。采用化學汽相淀積方法[CVD(Chemical VaporDeposition)]在半導體硅片表面沉積硼薄層材料，淀積溫度650℃，時間30分鐘，氣源為硅烷(SiH4)和P型雜質硼化氫(H3B6)，氣體流速硅烷為150毫升/分(SCCM)，硼化氫4毫升/分(SCCM)，真空度為350(mmHg)。
2l、擴散氧化(雜質擴散)。在1200℃條件下，通干氧(O2)10分鐘一濕氧(蒸氣)50分鐘→干氧(O2)10分鐘。
22、烘烤。同步驟7。
23、涂膠。同步驟8。
24、烘烤。同步驟9。
25、用光刻板曝光。同步驟10。
26、顯影。同步驟11。
27、烘烤。同步驟12。
28、檢驗。同步驟13。
29、烘烤。同步驟14。
30、檢驗。同步驟15。
3l、去膠。同步驟16。
32、檢驗。同步驟17。
33、清洗硅片。同步驟1。
34、在金屬淀積之前的預處理。用氫氟酸(HF)、水(H2O)以1∶30比例，在20℃條件下預處理20秒。
35、金屬淀積。以5×10-6(mmHg)的真空度在150℃條件下，用 (埃/秒)淀積金屬鋁(AL)，淀積厚度為5微米。
36、烘烤。同步驟7。
37、涂膠。同步驟8。
38、烘烤。同步驟9。
39、用光刻板曝光。同步驟10。
40、顯影。同步驟11。
41、烘烤。同步驟12。
42、檢驗。同步驟13。
43、烘烤。同步驟14。
44、腐蝕。用磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、醋酸(CH3COOH)按93∶1∶6的重量比配制的腐蝕液，在65℃條件下，用29KHz500W的超聲波腐蝕3分鐘。
45、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
46、去膠。用502去膠液(Tokyo-Ohka)在60℃條件下處理15分鐘。
47、檢驗。用顯微鏡觀察檢驗。
48、合金。在氮氣保護下，用400℃處理30分鐘。
實施例二在實例一的基礎上，如表2工序條件下做成二極管。
所使用的外延片的規格如下。
硅襯底 電阻率3μΩCM 雜質As外延層 電阻率0.5ΩCM 厚度5μ做成二極管的結果是，二極管的正向壓降，Vf為0.47V，即得到了改善。
具體工藝步驟同實施例一。
實施例三與實例二相同，但在表2中，用多晶硅作膜時，熱處理溫度為1000℃、2小時氧化，其他完全相同。
做出來的二極管的特性，與實例二基本上相同。
具體工藝步驟同實施例二。
實施例四參見表3工序和條件下做成二極管。
所使用的外延片的規格如下。
硅襯底 電阻率3μΩCM 雜質As外延層 電阻率0.5ΩCM 厚度5μ做成二極管的結果是，二極管的正向壓降，Vf為0.47V，即得到了改善。
表3與表2相比，第1-6項的工藝和條件相同，表3從第7開始增加了磷硅玻璃(PSG)淀積，即用第三次CVD(氧化)工序，鈍化器件，其目的是進一步提高器件可靠性。其它工藝與實施例二相同，這里不重復描述。本實施例樣品基本參數與實施例二相同。
實施例五參見表4工序條件下做成二極管。
所使用的外延片的規格如下。
硅襯底 電阻率3μΩCM 雜質As外延層 電阻率0.5ΩCM 厚度5μ做成二極管的結果是，二極管的正向壓降，Vf為0.47V，即得到了改善。
表4與表3相比，第1-8項的工藝和條件相同，表4從第9開始又增加了非晶氮化硅淀積(CVD)，即采用第四次CVD工序，其目的是解決PSG膜穩定性問題，增加淀積非晶氮化硅[ASN(Amorphous Silicon Nitride)]膜，同時增強鈍化能力。其它工藝與實施例四相同，這里不重復描述。本實施例樣品基本參數與實施例二相同。
在實例中，采用四次CVD工序，不僅二氧化硅(SiO2)和多晶硅薄膜，還有磷硅玻璃(PSG)和非晶氮化硅(ASN)薄膜。
權利要求
1.一種二極管制造方法，以半導體硅外延片為對象，對其進行氧化膜工序、光刻工序、雜質摻入工序、雜質擴散工序、光刻工序、鈍化膜工序、光刻工序、金屬膜工序、光刻工序以及合金工序，其特征在于制膜工序及雜質摻入工序采用化學汽相淀積方法并結合低溫熱處理在半導體片表面沉積薄層材料。
2.根據權利要求1所述的二極管制造方法，其特征在于所述氧化膜工序、鈍化膜工序以及雜質摻入工序中至少兩個工序是采用化學汽相淀積方法生產的。
3.根據權利要求1或2所述的二極管制造方法，其特征在于在氧化膜工序中先采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面沉積多晶硅薄層材料，淀積溫度650℃，然后在950℃條件下，進行氧化處理。
4.根據權利要求1或2所述的二極管制造方法，其特征在于在雜質摻入工序中采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面沉積硼薄層材料，淀積溫度650℃。
5.根據權利要求1或2所述的二極管制造方法，其特征在于在鈍化膜工序中采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面進行磷硅玻璃淀積，淀積溫度350℃。
6.根據權利要求5所述的二極管制造方法，其特征在于在進行磷硅玻璃淀積之后增加非晶氮化硅淀積和光刻，所述非晶氮化硅淀積采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面進行，淀積溫度350℃。
7.根據權利要求1或2所述的二極管制造方法，其特征在于在鈍化膜工序中采用化學汽相淀積方法在半導體硅片表面進行非晶氮化硅淀積，淀積溫度350℃。
8.根據權利要求1所述的二極管制造方法，其特征在于在生產工序中采用兩次以上的氧化工藝。
全文摘要
一種二極管制造方法，以半導體硅外延片為對象，對其進行氧化膜工序、光刻工序、雜質摻入工序、雜質擴散工序、光刻工序、鈍化膜工序、光刻工序、金屬膜工序、光刻工序以及合金工序，其特征在于制膜工序及雜質摻入工序采用化學汽相淀積方法并結合低溫熱處理在半導體片表面沉積薄層材料。本發明核心在于低溫下進行的工序，其實現的手段是對制膜工序和雜質摻入工序采用化學汽相淀積方法(CVD方法)進行。結果在經濟性、實用性方面獲得很大利益的同時，還節省了生產中的能耗，提高了二極管的性能和品質。據計算，與過去的方法相比，實施本發明估計可減少芯片尺寸約60％、綜合原價近50％。實用性之大、獲利性之大可想而知。
文檔編號H01L21/02GK1484284SQ0313221
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月29日 優先權日2003年7月29日
發明者吳念博 申請人:蘇州固锝電子股份有限公司