CN101645399B - 一种稳压二极管制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稳压二极管制造工艺，该工艺包括：选择硅片衬底，杂质掺杂，形成二氧化硅薄膜层，开沟槽，多晶硅钝化膜层沉积，玻璃胶层沉积，玻璃胶去除，玻璃胶层硬化，多晶硅钝化膜和二氧化硅薄膜去除，沉积金属层，从而实现了高工作电压稳压二极管的单芯片生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种二极管制造工艺，具体涉及一种稳压二极管制造工艺。
背景技术
稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，其主要作为稳压器或电压基准元件使用。现有稳压二极管的制造方法是以外延片为基本材料，外延片是一种具有高浓度N型或P型单晶硅衬底上通过外延方法生长一层低浓度的N型或P型单晶硅，在该外延层上依次通过以下步骤：热氧化、光刻、离子注入、杂质掺入、推结、光刻、金属化、合金等工序在外延片上形成PN结构和电极，制成稳压二极管。现有制造方法的不足是：第一、外延片、离子注入和金属蒸发设备成本较高，第二、制造出的稳压二极管工作电压较低，往往为了得到较高的电压，如300伏以上工作电压的稳压二极管，只能采用多个二极管串联的方法，见附图1、2，因此导致成本增加，同时电路变的冗长繁杂，特别是对于一些集成度高的电路是无法接受。
发明内容
本发明目的是提供一种高工作电压稳压二极管的制造工艺，克服现有技术稳压二极管不能承受300伏以上工作电压的瓶颈。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种稳压二极管制造工艺，选择硅片衬底，该硅片衬底为N型<111>晶向，其表面电阻率为3.8～4.0Ω/cm，然后按以下步骤进行操作：
第一步，杂质掺杂，在所述硅片衬底上表面，采用B纸源通过热扩散方法进行掺杂，形成P区，该P区表面掺杂浓度至少1021atm/cm3，扩散深度为80-100μm；
第二步，在所述硅片衬底上表面形成一层二氧化硅薄膜层；
第三步，在所述硅片衬底上表面开沟槽，从而在所述硅片衬底上表面暴露出PN结，形成二极管器件区；
第四步，在所述硅片衬底上表面，沉积一层厚度为0.2±0.05μm的多晶硅钝化膜层；
第五步，在所述多晶硅钝化膜层上形成一层玻璃胶层；
第六步，将所述二极管器件区的中央区域所对应的玻璃胶去除；
第七步，将第六步去除玻璃胶后的其余玻璃胶层烧结硬化；
第八步，将所述二极管器件区的中央区域所对应的多晶硅钝化膜和二氧化硅薄膜去除；
第九步，在所述二极管器件区的中央区域和所述硅片衬底下表面均沉积金属层，形成金属电极。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述第一步中，首先，采用B纸源在炉管内进行P区杂质烧源，工艺条件为：在600℃炉管内，时间为4小时，气氛为N2；接着，杂质热扩散在1268±0.5℃炉管内，时间为30±0.05小时，气氛为N2。
2、上述方案中，所述第二步中，所述二氧化硅薄膜层在1000℃炉管内，通H2O气体，时间为60分钟的条件下形成。
3、上述方案中，所述第三步中，开沟槽通过光刻方式在所述硅片衬底上表面定义沟槽区，再在零下2℃的HAC∶HNO3∶HF＝3∶5∶3混合溶液中浸泡15±1分钟，去除所述硅片衬底上表面沟槽区的二氧化硅薄膜及部分硅片衬底，从而形成深度为120～140μm的沟槽。
4、上述方案中，所述第四步中，多晶硅钝化膜层采用CVD工艺沉积，其工艺条件为：温度为650±1℃，时间30分钟，气源为SiH4气体和N2O气体，SiH4气体流速为每分钟130±5ml，所述N2O气体流速为每分钟30±2ml。
5、上述方案中，所述第五步中，玻璃胶层的厚度为25～35μm。
6、上述方案中，所述第七步中，玻璃胶层烧结硬化温度为860℃，时间为30分钟。
7、上述方案中，所述第八步中，多晶硅钝化膜和二氧化硅薄膜去除采用H2O、NH4F和HF的混合溶液，其各成分质量比例为H2O∶NH4F∶HF＝5∶1∶1，在常温下进行，时间2分钟。
8、上述方案中，所述第九步中，金属层为镍金合金，金属层制作工艺为：
(1)第一次化学镀镍：采用氯化镍、次亚磷酸钠、氯化铵和柠檬酸铵的混合溶液，该溶液各成分质量比为：氯化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵＝30∶10∶50∶65，溶液温度为90℃，时间为5分钟；
(2)将第一次化学镀镍后的金属层烧结，温度为600℃，时间为20分钟；
(3)第二次化学镀镍：采用氯化镍、次亚磷酸钠、氯化铵和柠檬酸铵的混合溶液，该溶液各成分质量比为：氯化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵为30∶10∶50∶65，溶液温度为90℃，时间为5分钟；
(4)化学镀金：采用金氰化钾溶液，温度为90℃，时间为3分钟。
本发明工作原理是：选择特定阻值的单晶片，进行适当掺杂，采用化学汽相淀积钝化和玻璃钝化结合的方法，实现了高工作电压稳压二极管的单芯片生产。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明选择特定阻值的单晶硅片衬底，进行适当掺杂，相对现有技术采用的外延片既节省了成本，又显著提高了稳压二极管的耐压性能。
2、本发明制造工艺，省去离子注入机、蒸发台等贵重设备，节约生产成本。
3、本发明采用化学汽相淀积钝化和玻璃钝化结合的方法，减少侧壁的漏电流，提高了器件的可靠性。
4、本发明实现了高工作电压的稳压二极管的单芯片生产，特别是300V以上工作电压的线路中避免了使用多个稳压二极管进行串联的方式，简化了线路，降低了成本且便于集成。
附图说明
附图1为现有高工作电压的一种稳压二极管结构；
附图2为现有高工作电压的另一种稳压二极管结构；
附图3A-J为本发明稳压二极管工艺流程图。
以上附图中：1、现有稳压二极管；2、硅片衬底；3、P区；4、二氧化硅薄膜层；5、沟槽区；6、多晶硅钝化膜层；7、玻璃胶层；8、二极管器件区；9、中央区域；10、金属层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种稳压二极管制造工艺
具体工艺步骤如下：
1、选择硅片衬底2，该硅片衬底为N型<111>晶向，其(表面)电阻率为3.8～4.0Ω/cm。
2、清洗半导体硅片：用氨水NH4OH、双氧水H2O2和水H2O按1∶2∶5配制的清洗液，在75℃条件下清洗硅片5分钟。
3、旋转甩干：把硅片插在旋转体上，在热氮气N2保护中以每分钟800转的转速旋转5分钟。
4、杂质烧源：硅片两边分别用P纸和B纸进行间隔排列，塞进600℃炉管，时间为4小时，气氛为N2，气体流速为4L/min。
5、杂质扩散：将硅片衬底转至1268℃高温炉，时间为30小时，气氛为N2，该气体流速为4L/min，采用B纸源通过热扩散方法进行掺杂，在硅片衬底上表面形成P区3，该P区3表面掺杂浓度至少1021atm/cm3，测试方块电阻0.015Ω/cm，扩散深度为80-100μm。
6、喷砂：对硅片双面喷砂，各去除5～6μm，去除表面的氧化硅。
7、氧化：在硅片衬底上表面形成形成二氧化硅薄膜层4，该二氧化硅薄膜层4在1000℃炉管内，通H2O气体，时间为60分钟。
8、烘烤：在氮气保护条件下，将硅片用200℃烘烤30分钟。
9、涂胶：以3000转/分钟的转速旋转涂胶10秒。
10、烘烤：用热板以100℃烘烤硅片30秒。
11、光刻板曝光：用光刻板以120万Lux-Sec的光照强度对硅片进行曝光。
12、显/定影：先后在显影定影液中浸泡5min。
13、烘烤：用热板以120℃烘烤硅片30秒。
14、检验：用显微镜对光刻的显影观察检验。
15、烘烤：在氮气保护条件下，用140℃烘烤30分钟坚膜。
16、腐蚀：将所述硅片衬底上部分区域开沟槽5，从而在所述硅片衬底挖出PN结，形成对应个数的二极管器件区；所述开沟槽通过光刻方式在所述硅片衬底上定义沟槽区5，再在零下2℃的HAC∶HNO3∶HF＝3∶5∶3混合溶液中浸泡15分钟，去除所述硅片衬底上沟槽区的二氧化硅薄膜4及部分硅片衬底。沟槽深度约120～140μm。
17、检验：用显微镜观察检验。
18、去胶：用硫酸H2SO4、双氧水H2O2按10∶1比例对硅片去胶，温度120℃，时间5分钟。
19、用氨水NH4OH、双氧水H2O2和水H2O按1∶2∶5配制的清洗液，在75℃条件下清洗硅片5分钟。
20、CVD沉积钝化膜：在所述硅片衬底2上，沉积一层厚度为0.2μm多晶硅钝化膜层6；所述多晶硅钝化膜6层采用CVD工艺沉积，其工艺条件为：温度为650℃，真空度400mmHg，时间30分钟，气源为SiH4气体和N2O气体。所述SiH4气体流速为每分钟130±5ml，所述N2O气体流速为每分钟30ml。
21、玻璃胶涂覆：以2000转/分钟的转速旋转涂胶10秒，在所述多晶硅钝化膜层上形成一层厚度为25～35μm玻璃胶层7。
22、光刻板曝光：用光刻板以100～140万Lux-Sec的光照强度对硅片进行曝光。
23、显/定影：先后以2000转/分钟在显影定影液下旋转10s，将所述硅片衬底2的二极管器件区的中央区域9所对应处玻璃胶去除。
24、玻璃烧结：将其余玻璃胶层7烧结硬化，所述玻璃胶层7烧结硬化温度为860℃，时间为30分钟。
25、光刻胶涂覆：以3000转/分钟的转速旋转涂胶10秒。
26、光刻板曝光：用光刻板以120万Lux-Sec的光照强度对硅片进行曝光。
27、腐蚀：将所述二极管器件区中央区域9所对应多晶硅钝化膜和二氧化硅薄膜去除；采用H2O、NH4F和HF的混合溶液，其成分质量比为H2O∶NH4F∶HF＝5∶1∶1常温，时间2分钟。
28、第一次化学镀镍：采用氯化镍、次亚磷酸钠、氯化铵和柠檬酸铵的混合溶液，该溶液个成分质量比为：氯化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵＝30∶10∶50∶65，溶液温度为90℃，时间为5分钟。
29、将第一次化学镀镍后的金属层烧结，温度为600℃，时间为20分钟。
30、化学镀镍：采用氯化镍、次亚磷酸钠、氯化铵和柠檬酸铵的混合溶液，该溶液个成分质量比为：氯化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵为30∶10∶50∶65，溶液温度为90℃，时间为5分钟。
31、化学镀金：采用金氰化钾溶液，温度为90℃，时间为3分钟，形成金属层10。
32、外观检查。
表一 1W 300V稳压管测试数据
| 测试参数 | 稳压电压VZ(V) | 反向漏电流IR(UA) | 动态阻抗ZZT(ohm) |
| 测试条件 | I1＝0.1mA | VR＝257V | IZ＝0.05mA |
| 1 | 302 | 0.005 | 578 |
| 2 | 298 | 0.003 | 654 |
| 3 | 297 | 0.001 | 689 |
| 4 | 301 | 0.004 | 547 |
| 5 | 306 | 0.002 | 684 |
| 6 | 304 | 0.006 | 569 |
| 7 | 299 | 0.007 | 685 |
| 8 | 301 | 0.003 | 478 |
| 9 | 298 | 0.002 | 752 |
| 10 | 303 | 0.004 | 846 |
表一为本工艺的稳压二极管的测试数据，得出本工艺生产的稳压二极管在300V的工作电压的性能均在正常指标范围内。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种稳压二极管制造工艺，其特征在于：选择硅片衬底，该硅片衬底为N型<111>晶向，其表面电阻率为3.8～4.0Ω/cm，然后按以下步骤进行操作：
第一步，杂质掺杂，在所述硅片衬底上表面，采用B纸源通过热扩散方法进行掺杂，形成P区，该P区表面掺杂浓度至少1021atm/cm3，扩散深度为80-100μm；
第二步，在所述硅片衬底上表面形成一层二氧化硅薄膜层；
第三步，在所述硅片衬底上表面开沟槽，从而在所述硅片衬底上表面暴露出PN结，形成二极管器件区；
第四步，在所述硅片衬底上表面，沉积一层厚度为0.2±0.05μm的多晶硅钝化膜层；
第五步，在所述多晶硅钝化膜层上形成一层玻璃胶层；
第六步，将所述二极管器件区的中央区域所对应的玻璃胶去除；
第七步，将第六步去除玻璃胶后的其余玻璃胶层烧结硬化；
第八步，将所述二极管器件区的中央区域所对应的多晶硅钝化膜和二氧化硅薄膜去除；
第九步，在所述二极管器件区的中央区域和所述硅片衬底下表面均沉积金属层，形成金属电极。
2.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第一步中，首先，采用B纸源在炉管内进行P区杂质烧源，工艺条件为：在600℃炉管内，时间为4小时，气氛为N2；接着，杂质热扩散在1268±0.5℃炉管内，时间为30±0.05小时，气氛为N2。
3.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第二步中，所述二氧化硅薄膜层在1000℃炉管内，通H2O气体，时间为60分钟的条件下形成。
4.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第三步中，开沟槽通过光刻方式在所述硅片衬底上表面定义沟槽区，再在零下2℃的HAC∶HNO3∶HF＝3∶5∶3混合溶液中浸泡15±1分钟，去除所述硅片衬底上表面沟槽区的二氧化硅薄膜及部分硅片衬底，从而形成深度为120～140μm的沟槽。
5.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第四步中，多晶硅钝化膜层采用CVD工艺沉积，其工艺条件为：温度为650±1℃，时间30分钟，气源为SiH4气体和N2O气体。
6.根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于：所述SiH4气体流速为每分钟130±5ml，所述N2O气体流速为每分钟30±2ml。
7.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第五步中，玻璃胶层的厚度为25～35μm。
8.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第七步中，玻璃胶层烧结硬化温度为860℃，时间为30分钟。
9.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第八步中，多晶硅钝化膜和二氧化硅薄膜去除采用H2O、NH4F和HF的混合溶液，其各成分质量比例为H2O∶NH4F∶HF＝5∶1∶1，在常温下进行，时间2分钟。
10.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述第九步中，金属层为镍金合金，金属层制作工艺为：
(1)第一次化学镀镍：采用氯化镍、次亚磷酸钠、氯化铵和柠檬酸铵的混合溶液，该溶液各成分质量比为：氯化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵＝30∶10∶50∶65，溶液温度为90℃，时间为5分钟；
(2)将第一次化学镀镍后的金属层烧结，温度为600℃，时间为20分钟；
(3)第二次化学镀镍：采用氯化镍、次亚磷酸钠、氯化铵和柠檬酸铵的混合溶液，该溶液各成分质量比为：氯化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵为30∶10∶50∶65，溶液温度为90℃，时间为5分钟；
(4)化学镀金：采用金氰化钾溶液，温度为90℃，时间为3分钟。
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