CN102324390A

CN102324390A - 整流二极管管芯制造方法

Info

Publication number: CN102324390A
Application number: CN201110322315A
Authority: CN
Inventors: 李治刿; 张剑; 俞建; 李驰明
Original assignee: SICHUAN TAIJING MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SICHUAN TAIJING MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: CN102324390B

Abstract

本发明涉及一种整流二极管管芯制造方法。本发明公开了一种整流二极管管芯制造方法，改进了现有技术的生产工艺。本发明的整流二极管管芯制造方法，在管芯制作的扩散工序中，在P区杂质扩散时采用二次扩散工艺，在N-型单晶硅片上形成四层结构，即N+层、N-层、P-层和P+层，得到四层结构的晶粒，提高了P区载流子有效浓度，并且改善了表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，有效载流面积有所提高。本发明调整了工序流程，在焊接引线之前进行管芯腐蚀，有利于得到合适的晶粒形状，简化二极管制造工序。本发明的整流二极管管芯特别适合用于制造高压整流二极管。

Description

整流二极管管芯制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别涉及一种整流二极管管芯制造方法。

背景技术

半导体整流二极管(简称整流二极管、二极管)是一种应用非常普遍的电子器件。整流二极管通常由管芯(又称为晶粒)、引线和包覆层构成，其中具有相应功能作用的是管芯，确切地说是PN结。

传统的制造整流二极管晶粒的方法包括：芯片扩散、镀镍、切割裂片、台面腐蚀、检测包装等工序。工艺流程如下：

1、芯片选型

一般硅基整流二极管都是以N-型单晶硅作为基础材料。

2、芯片扩散

在N-型单晶硅片上通过纸源或水源涂覆在硅片的两面分别扩散5价杂质和3价杂质，形成Open Junction(一种PN结结构形式)。

3、制作欧姆接触层

完成芯片扩散后，在硅片两面进行金属化处理，如镀镍等，形成欧姆接触层。

4、切割裂片

在硅片原有的基准面(111面)按规定角度划基准切割线，即定向基准线；通过划片机按定向基准线进行切割成晶粒，并通过机械分离方式把晶粒分离出来。

5、台面腐蚀(现有技术中，该工序是在晶粒焊接了引线后进行的，属于整流二极管制造工序)

对焊接了引线的晶粒进行台面腐蚀，去除切割裂片时的损伤层(约50μm)，形成晶粒台面形状。

6、清洗包装。

对以上工序进行多次纯水清洗并使用化学脱水方式脱水，进行烘干即得成品晶粒。

这种传统的整流二极管管芯制造方法有以下缺点：

1、传统方法制造的整流二极管管芯是三层结构，管芯N区1由N+层101和N-层102组成，P区2由一层P+层201构成，N-层102与P+层201交界处为管芯PN结12，如图1所示。由于扩散原理P+层201杂质会往内部继续迁移，影响欧姆接触层200表面合金效果，这样的合金层欧姆接触不好，影响器件电性能。

2、传统方法制造的整流二极管晶粒形状为正四棱台，N区1与P区2之间的夹角α＝180°，如图1所示，PN结正好处于正四棱台靠近下底面的位置，在涂覆保护层时，该处包覆厚度小，容易造成电压击穿故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种整流二极管管芯制造方法，改进现有技术的生产工艺，提高器件性能。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，整流二极管管芯制造方法，包括如下步骤：

a、在N-型单晶硅片一面扩散5价杂质，形成N+层；

b、在所述单晶硅片另一面扩散3价杂质，经过2次扩散分别形成P-层和P+层；

c、在所述N+层和P+层表面形成欧姆接触层；

d、对上述加工完成的硅片进行切割，得到管芯；

e、对所述管芯进行腐蚀，消除切割伤痕并形成管芯形状。

本发明在管芯制作的扩散工序中，在3价杂质扩散时采用二次扩散工艺，在N-型单晶硅片上形成四层结构，即N+层、N-层、P-层和P+层，得到四层结构的晶粒，提高了P区载流子有效浓度，并且改善了表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，有效载流面积有所提高。这些对于提高器件电性能，如电流密度、耐压、功率等均有很大的助益。本发明调整了工序流程，在焊接引线之前进行管芯腐蚀，有利于得到合适的晶粒形状，在焊接引线前先形成晶粒台面，减少二极管封装厂的工序和化学药剂使用量，大大的降低了二极管行业的污染。由于晶粒制作过程中就形成了台面，晶粒焊接面积相对与传统晶粒小，大大降低了封装尺寸，有利于器件的小型化。由于晶粒结构改变和焊接面积减小，所以器件制造时，工装制作材料消耗降低，降低了器件制造成本。

进一步的，所述管芯形状为直棱柱和直棱台的组合体，所述直棱柱底面与直棱台上底面连接，并具有相同形状和大小，其棱相互对接，所述直棱柱自上而下由N+层和N-层构成，所述直棱台自上而下由P-层和P+层构成。

在晶粒制作过程中形成的这种台面结构，完全不同于现有技术在焊接引线后使用酸蚀获得的正锥台形状的晶粒结构，传统的晶粒结构PN结处N区与P区交界处夹角α＝180°，参见图1。该处是器件工作时电场梯度最大的地方，在进行涂覆保护时，该处涂覆胶的厚度是整个包覆层比较薄的地方，并且很容易形成晶粒边缘尖角，导致晶粒表面容易产生尖峰电场，大大降低器件耐压。本发明晶粒结构N区与P区交界处(即直棱柱和直棱台交界处)夹角α＜180°，形成一个凹陷区，参见图2。涂覆保护层时，涂覆胶流动集中在凹陷区，在此处包覆厚度是整个包覆层比较厚的地方，并且完全杜绝晶粒表面尖峰电场现象。这种结构的保护层抗电强度大大优于现有技术的晶粒。

具体的，所述直棱柱和直棱台分别为正四棱柱和正四棱台。

这种结构更符合硅的结晶形状，有利于降低晶粒表面尖峰电场，提高器件耐压。

具体的，所述5价杂质为磷。

采用磷作N型参杂，工艺成熟，成本低。

具体的，所述3价杂质为硼。

采用硼作P型参杂，工艺简单、成熟。

具体的，所述欧姆接触层由镀镍层构成。

欧姆接触层采用镍材料，制作工艺简单，与硅基材料兼容性好，较之金、银等贵金属成本更低。

进一步的，所述镀镍层采用2次镀镍工艺形成，第一次镀镍后在氢气氛下进行合金化，生成一层镍硅合金，第二次在镍硅合金上再镀一层镍。

这是一种比较成熟的欧姆接触层制造工艺，制作的欧姆接触层与硅基材料结合紧密，接触电阻小。

本发明的有益效果是，在P区扩散时采用二次扩散工艺，形成四层结构的PN结，改善了表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，提高了可焊性，增加了有效载流面积和P区载流子浓度，管芯电流密度、耐压、功率等均有很大的提高。本发明调整了工序流程，在焊接引线之前进行管芯腐蚀，有利于得到合适的晶粒形状。在焊接引线前先形成晶粒台面，简化二极管制造工序，减少二极管生成的化学药剂使用量，大大的降低了二极管行业的污染。由于晶粒制作过程中就形成了台面，晶粒焊接面积相对于传统晶粒更小，大大降低了封装尺寸，有利于器件的小型化。由于晶粒结构改变和焊接面积减小，后续工装制作材料消耗降低，降低了器件制造成本。本发明的晶粒特别适合用于制造高反压低漏电流的高可靠二极管。

附图说明

图1是现有技术管芯结构示意图；

图2是本发明管芯结构示意图；

图3是实施例的工艺流程图。

图中：1为N区；2为P区；100为N+层表面的欧姆接触层；101为N+层；102为N-层；12为PN结；202为P-层；201为P+层；200为P+层表面的欧姆接触层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的整流二极管管芯制造方法在P区3价杂质扩散时采用二次扩散工艺，在N-型单晶硅片一面形成P-层和P+层，与芯片另一面扩散5价杂质形成的N+层构成整个芯片的四层结构，即N+层、N-层、P-层和P+层。这种四层结构的PN结，有效提高了载流子浓度，改善了P区表面欧姆接触层的合金质量，降低了接触电阻，增加了有效载流面积。这些对于提高器件电性能有很大的助益。

实施例

本例整流二极管管芯制造工艺流程如图3所示，包括：

芯片扩散

选择N-型单晶硅片，配制含磷乳胶(磷源)，把含磷乳胶涂覆在硅片的一面上，将涂好磷源的硅片放入洁净烘箱将磷源溶剂烤干。烤干后的硅片即可装舟，将硅片有磷面相对放置在石英舟中，每舟约放750片。将石英舟分步推入扩散炉中进行扩散，获得N+层。扩散时间到后将石英舟从扩散炉中分步拉出冷却。冷却后进行化学分割并清洗表面。将清洗好后的硅片送入喷砂车间对硅片进行处理，将处理好的硅片送入扩硼车间。配制含硼元素的乳胶(硼源)，把硼源涂覆在硅片的另一面上，将涂好硼源的硅片平放在滤纸上放入洁净烘箱将硼源溶剂烤干。烤干后的硅片即可装舟，将硅片有硼面相对放在石英舟中，每舟约放750片。将石英舟分步推入扩散炉中进行两次扩散，第一次扩散得到P-层，第二次扩散得到P+层。扩散时间到后将石英舟从扩散炉中分步拉出冷却。冷却后进行化学分割并清洗表面，然后送入喷砂车间进行表面处理。处理好后的硅片清洗干净。这样得到的芯片即为包含N+层101、N-层102、P-层202、P+层201的四层结构的芯片，如图2所示。

芯片镀镍

对扩散好的硅片进行P+层表面和N+层表面镀镍形成欧姆接触层200和欧姆接触层100。

首先通过化学方法对硅片表面进行清洗和活化。将活化好后的硅片放入化学镀镍液中进行第一次镀镍，将一次镀镍后的硅片进行清洗烘干。烘干后装入扩散舟中送入渗氢车间，通过充入高纯氢气进行镍和硅的合金化，生成一层镍硅合金层，合金完后再送入化镀镍车间进行表面二次镀镍。

芯片定向

按硅片原有的基准面按规定角度划一条基准切割线，即定向基准线。

切晶粒

通过划片机按定向基准线进行切割成晶粒。

裂片

通过机械分离方式把晶粒分离出来。

台面腐蚀

对分离好的晶粒进行台面腐蚀，去除切晶粒时的损伤层约50μm(2mil)，形成直棱柱和直棱台组合体形状的晶粒台面。如图2所示，直棱柱为正四棱柱，直棱台为正四棱台。正四棱柱底面和正四棱台上底面连接，其结合部12就是PN结，正四棱柱底面和正四棱台上底面具有相同形状和大小，正四棱柱和正四棱台的四条棱相互对接。正四棱柱为管芯的N区1，自上而下分别由N+层101和N-层102构成，N+层101表面有欧姆接触层100；正四棱台为管芯的P区2，自上而下分别由P-层202和P+层201构成，P+层201表面有欧姆接触层200。本例中，欧姆接触层100和欧姆接触层200均包括内层合金层和外层金属镀层(图2中未示出)。本例管芯是由N-型单晶硅片上一面扩散5价元素磷另一面扩散3价元素硼形成，扩散5价元素构成管芯的N+层101，扩散3价元素采用二次扩散工艺，第一次扩散形成P-层202第二次扩散形成P+层201，N-层102为N-型单晶硅片本体材料。

清洗包装。

对上述工序后得到的晶粒进行多次纯水清洗并使用化学脱水方式脱水，最后烘干即得成品晶粒。

Claims

1.整流二极管管芯制造方法，包括如下步骤：

a、在N-型单晶硅片一面扩散5价杂质，形成N+层；

c、在所述N+层和P+层表面形成欧姆接触层；

d、对上述加工完成的硅片进行切割，得到管芯；

e、对所述管芯进行腐蚀，消除切割伤痕并形成管芯形状。

2.根据权利要求1所述的整流二极管管芯制造方法，其特征在于，所述管芯形状为直棱柱和直棱台的组合体，所述直棱柱底面与直棱台上底面连接，并具有相同形状和大小，其棱相互对接，所述直棱柱自上而下由N+层和N-层构成，所述直棱台自上而下由P-层和P+层构成。

3.根据权利要求2所述的整流二极管管芯制造方法，其特征在于，所述直棱柱和直棱台分别为正四棱柱和正四棱台。

4.根据权利要求1所述的整流二极管管芯制造方法，其特征在于，所述5价杂质为磷。

5.根据权利要求1所述的整流二极管管芯制造方法，其特征在于，所述3价杂质为硼。

6.根据权利要求1所述的整流二极管管芯制造方法，其特征在于，所述欧姆接触层由镀镍层构成。

7.根据权利要求6所述的整流二极管管芯制造方法，其特征在于，所述镀镍层采用2次镀镍工艺形成，第一次镀镍后在氢气氛下进行合金化，生成一层镍硅合金，第二次在镍硅合金上再镀一层镍。