CN115631994B - 碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法和制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及肖特基二极管制作技术领域，公开了碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法和制作方法，在实际使用时，本发明在对碳化硅肖特基二极管的碳化硅衬底进行减薄时，先通过第一研削工艺和第二研削工艺可以高效、快速的减薄衬底，保证碳化硅肖特基二极管的生产速度不会太低，然后通过激光辐照碳化硅衬底并将其分解为石墨烯可以有效修复研削工艺对碳化硅衬底造成的损失，降低减薄工艺对器件性能造成的不良影响；另外由于是最后通过激光辐照来减薄碳化硅衬底，一方面可以得到较为平整的碳化硅衬底底面，另外一方面不会因为碳化硅衬底的变薄而造成碳化硅衬底碎片。
Description
技术领域
本发明涉及肖特基二极管制作技术领域，具体涉及碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法和制作方法。
背景技术
在半导体技术领域，碳化硅(SiC)材料因其优越的物理特性，开始受到人们的关注和研究。其中，采用碳化硅材料的肖特基二极管可以实现更高压、更高温环境应用，突破了硅基功率器件电压和温度限制。
在二极管的使用过程中，二极管的通态功耗是最为关心的问题之一，而降低二极管通态功耗的有效方法就是降低二极管的总电阻。对于碳化硅（SiC）肖特基二极管来说，由于其通常采用垂直结构来实现大电流处理能力，而这种结构的SiC肖特基二极管会采用较厚的衬底，从而导致器件的通态电阻中会引入较大的串联电阻，进而限制器件可以承载的极限电流密度。
为了充分发挥SiC肖特基二极管的优势特性，在SiC肖特基二极管的制作工艺中，会对衬底进行减薄，通过减薄背面衬底厚度来有效降低SiC肖特基二极管的总电阻，降低导通压降，减小二极管在导通状态下的功耗，显著提升产品的导通性能。
目前现有SiC肖特基二极管的衬底减薄技术为研削工艺。研削工艺主要采用镶嵌有金刚石为磨料的磨轮直接摩擦碳化硅衬底（下称样品）表面，从而对样品进行减薄。但是在研削时，由于磨轮会给样品施加一定的压力，当样品的厚度变小导致其机械强度下降时，样品会有发生碎片的风险，同时对器件背面造成划痕，损伤严重，严重影响欧姆接触，另外现有研削工艺减薄后的极限衬底厚度在110um。
发明内容
鉴于背景技术的不足，本发明是提供了碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法和制作方法，所要解决的技术问题是现有SiC肖特基二极管在制作时采用研削工艺对碳化硅衬底进行减薄，当碳化硅衬底厚度变小导致其机械强度下降时会存在碎片的风险，进而损伤器件。
为解决以上技术问题，第一方面，本发明提供了如下技术方案：碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，包括如下步骤：
S1：提供半导体器件，所述半导体器件包括衬底和位于衬底顶面上的外延层，所述外延层的顶面向内设有至少一个P阱区；
S2：通过第一研削工艺磨削所述衬底的底面，将所述衬底的厚度减薄至第一厚度；
S3：通过第二研削工艺磨削所述衬底的底面，将所述衬底的厚度减薄至第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度，所述第一研削工艺使用的磨轮的目数小于所述第二研削工艺使用的磨轮的目数；
S4：先使用激光辐照所述衬底的底面，将所述衬底的底面向上的第三厚度部分分解为石墨烯，并将分解后的石墨烯去除，得到第四厚度的衬底。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S1中提供半导体器件的步骤如下：
S10：在所述衬底的顶面上制作外延层，形成第一器件；
S11：对所述第一器件进行清洗，去除所述第一器件表面的污染物和残留颗粒；
S12：在所述第一器件的顶面向下进行离子注入，形成至少一个P阱区；
S13：在所述第一器件的顶面制作场板氧化层；
S14：在所述场板氧化层上与所述P阱区的对应位置制作肖特基接触开口；
S15：在所述场板氧化层上制作肖特基接触层，所述肖特基接触层与所述P阱区电连接；
S16：在所述肖特基接触层的顶面制作欧姆接触层。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S2的步骤如下：
S20：先在所述半导体器件顶面贴设保护膜，然后将半导体器件固定在转台上；
S21：同时让第一磨轮和转台转动，通过控制第一磨轮的进给量来使所述衬底的厚度磨削至第一厚度。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S3的步骤如下：
S30：使用目数比第一磨轮高的第二磨轮来磨削所述衬底，通过控制所述第二磨轮的进给量将所述衬底的厚度磨削至第二厚度；
S31：将所述半导体器件顶面的保护膜去除掉。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S20贴设的保护膜是热释胶带保护膜或者紫外线减粘保护膜；当步骤S20贴设的保护膜是热释胶带保护膜时，步骤S31中将所述半导体器件放到加热台上进行加热，从而将半导体器件与所述热释胶带保护膜分离；当步骤S20贴设的是紫外线减粘保护膜时，步骤S31中通过紫外光照射所述紫外线减粘保护膜，使所述紫外线减粘保护膜失去粘性。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S4中，在使用激光辐照第二厚度的衬底的底面前:
先对半导体器件进行清洗，具体如下：先将半导体器件浸入到丙酮中并通过超声波清洗方式进行清洗，然后将半导体器件浸入到无水酒精中并通过超声波清洗方式进行清洗；
清洗完成后对半导体器件进行干燥。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S4中，将激光以脉冲的形式辐照所述第二厚度的衬底底面。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S4中，将所述第二厚度的衬底的底面向上的第三厚度部分分解为石墨烯，并将分解后的石墨烯去除的步骤如下：
多次使用激光辐照所述衬底的底面，并在每次辐照完成后将分解的石墨烯去除掉。
在第一方面的某种实施方式中，步骤S4中，激光单脉冲能量密度在5J/cm2-5.5J/cm2之间，激光脉冲频率在5Hz-20Hz之间，每次激光辐射的脉冲数在50-100之间。
第二方面，本发明还提供了碳化硅肖特基二极管的制作方法，包括上述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，
还包括步骤S5，步骤S5如下：
S5：在所述衬底的底面制作第二欧姆接触层。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：首先本发明在对碳化硅肖特基二极管的碳化硅衬底进行减薄时，先通过第一研削工艺和第二研削工艺可以高效、快速的减薄衬底，保证碳化硅肖特基二极管的生产速度不会太低，然后通过激光辐照碳化硅衬底并将其分解为石墨烯可以有效修复研削工艺对碳化硅衬底造成的损失，降低减薄工艺对器件性能造成的不良影响；
另外通过激光辐照来减薄碳化硅衬底不会对肖特基二极管产生损伤；
最后通过激光辐照来减薄碳化硅衬底，一方面可以得到较为平整的碳化硅衬底底面，另外一方面不会因为碳化硅衬底的变薄而造成碳化硅衬底碎片。
附图说明
图1为本发明的半导体器件的第一种结构示意图；
图2本发明的半导体器件的第二种结构示意图；
图3为本发明的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法的流程图；
图4为本发明对碳化硅衬底执行完步骤S2的结构示意图；
图5为本发明对碳化硅衬底执行完步骤S3的结构示意图；
图6为本发明的碳化硅肖特基二极管制作方法的流程图；
图7为本发明制作的碳化硅肖特基二极管的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图3所示，碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，包括如下步骤：
S1：提供半导体器件，如图1所示，半导体器件包括衬底1和位于衬底1顶面上的外延层2，外延层2的顶面向内设有至少一个P阱区3。
在实际使用时，可以通过离子注入技术向外延层2的顶面的预定位置注入离子，从而形成P阱区3，其中注入的离子类型可以根据实际需求选择。
在实际使用时，当使用图1所示的半导体器件进行下述的步骤S2、步骤S3和步骤S4后，还需要在外延层2的顶面依次制备肖特基接触层5和欧姆接触层6。基于此，为便于制作，在步骤S1提供半导体器件时还可以提供如图2所示结构的半导体器件，图2中的半导体器件在外延层2的顶面从下往上依次设有场板氧化层4、肖特基接触层5和欧姆接触层6，其中图2所示的半导体器件的提供方法如下：
S10：在衬底1的顶面上制作外延层2，形成第一器件；其中衬底1为N型衬底，外延层2为N型外延层；
S11：对第一器件进行清洗，去除第一器件表面的污染物和残留颗粒，得到干净的第一器件；
S12：在第一器件的顶面向下进行离子注入，形成至少一个P阱区；一个P阱区与外延层2的接触面为一个PN 结；
S13：在第一器件的顶面制作场板氧化层4；
S14：在场板氧化层4上与P阱区3的对应位置制作肖特基接触开口；
S15：在场板氧化层4上制作肖特基接触层5，肖特基接触层5与P阱区3电连接；其中可以通过沉积工艺在场板氧化层4上沉积一层Ni金属层，该Ni金属层为肖特基接触层5；
S16：在肖特基接触层5的顶面制作欧姆接触层6；其中可以通过沉积工艺在肖特基接触层5上沉积一层Al金属层，该Al金属层为欧姆接触层6；沉积工艺可以是物理气相沉积工艺；
另外在实际制作时，在执行完步骤S16后对半导体器件进行退火处理和对半导体器件的顶面进行钝化处理。其中钝化处理的步骤如下：在 350 ℃下，使用PECVD设备在肖特基接触层5上沉积SiN薄膜，反应气体为 SiH4和NH3。
S2：通过第一研削工艺磨削衬底1的底面，将衬底1的厚度减薄至第一厚度。
在实际使用时，在磨削半导体器件前，需要对半导体器件进行固定，本实施例中，步骤S2先执行步骤S20，步骤S20如下：
S20：先在半导体器件顶面贴设保护膜，然后将半导体器件固定在转台上。
其中设置保护膜可以保护半导体器件的顶面在被转台夹持时不被破坏，保护膜可以是热释胶带保护膜或者紫外线减粘保护膜，在某种实施方式中，保护膜可以是其余特性的保护膜。
其中可以通过真空吸附的方式将半导体器件固定在转台上。
接着执行步骤S21，步骤S21如下：
S21：同时让第一磨轮和转台转动，通过控制第一磨轮的进给量来使衬底1的厚度磨削至第一厚度；其中第一磨轮的目数在2000-3500之间，第一厚度的范围在140um-160um之间。
在实际使用时，执行完步骤S2后的半导体器件的结构示意图如图4所示。
S3：通过第二研削工艺磨削衬底1的底面，将衬底1的厚度减薄至第二厚度，第一研削工艺使用的磨轮的目数小于第二研削工艺使用的磨轮的目数。
步骤S3具体如下：
S30：使用目数比第一磨轮高的第二磨轮来磨削衬底1，通过控制第二磨轮的进给量将衬底1的厚度磨削至第二厚度；
S31：将半导体器件顶面的保护膜去除掉。
其中，第一厚度大于第二厚度，第二厚度的范围在100um-120um之间。
其中，第二研削工艺使用的第二磨轮的目数在8000-10000之间。
在实际使用时，磨轮的目数越小，切削力则越大，但是研削表面更为粗糙，反之亦然，因此通过让第二研削工艺使用的第二磨轮的目数大于第一研削工艺使用的第一磨轮的目数可以使研削表面更加平整。
在实际使用时，衬底1通过第一研削工艺的减薄量大于衬底1通过第二研削工艺的减薄量。
在实际使用时，当步骤S20贴设的保护膜是热释胶带保护膜时，步骤S31中将半导体器件放到加热台上进行加热，从而将半导体器件与所述热释胶带保护膜分离，其中加热温度在95-110℃之间；当步骤S20贴设的是紫外线减粘保护膜时，步骤S31中通过紫外光照射紫外线减粘保护膜，使紫外线减粘保护膜失去粘性。
在实际使用时，执行完步骤S3后的半导体器件的结构示意图如图5所示。
当执行完步骤S3后，半导体器件的表面会存在有机物杂质，为了便于步骤S4的执行，需要对半导体器件进行清洗。
本实施例中，半导体器件的清洗方式如下：
先将半导体器件浸入到丙酮中并通过超声波清洗方式进行清洗，通过丙酮可以清洗掉半导体器件上的有机物杂质，其中清洗时间为10-15分钟；然后将半导体器件浸入到无水酒精中并通过超声波清洗方式进行清洗，通过无水酒精可以去除掉半导体器件上的丙酮，其中清洗时间为10-15分钟；另外通过超声波清洗方式即以振动的方式对半导体器件进行清洗可以提升清洗效果。
在清洗完成后对半导体器件进行干燥。本实施例中，通过使用氮气吹干半导体器件进行干燥。由于氮气是一种化学性质非常稳定的气体，将氮气快速、连续、可控地吹到半导体器件表面，可以有效去除器件表面残留的清洗剂及灰尘残留物等，达到洁净干燥的目的。
在半导体器件清洗和干燥完成后，执行步骤S4，步骤S4如下：
S4：先使用激光辐照衬底1的底面，将衬底1的底面向上的第三厚度部分分解为石墨烯，并将分解后的石墨烯去除，得到第四厚度的衬底。
具体地，本实施例中，多次使用激光辐照衬底1的底面，并在每次辐照完成后将分解的石墨烯去除掉。
其中，激光的波长范围在308nm-532nm之间；另外当激光的单脉冲密度过高时会对器件结构造成损伤，当激光的单脉冲能量密度过低时则无法有效将碳化硅诱导为石墨烯，因此本实施例中，激光的单脉冲能量密度在5J/cm2-5.5J/cm2之间；激光脉冲频率在5Hz-20Hz之间，每次激光辐射的脉冲数在50-100之间；在实际使用时，本实施例中设置的激光脉冲数较小一方面可以保护设备，另外一方面能耗低。
本实施例中，激光垂直照射衬底1的底面。
本实施例中，当每次使用激光照射衬底1的底面后，在衬底1的底面上设置胶带，通过胶带破除范德华力去掉石墨烯。
本实施例中，第三厚度在10um-40um之间，第四厚度在70um-80um之间。
在实际使用时，本发明在对碳化硅肖特基二极管的碳化硅衬底进行减薄时，先通过第一研削工艺和第二研削工艺可以高效、快速的减薄衬底1，保证碳化硅肖特基二极管的生产速度不会太低，然后通过激光辐照碳化硅衬底并将其分解为石墨烯可以有效修复研削工艺对碳化硅衬底造成的损失，降低减薄工艺对器件性能造成的不良影响；
另外通过激光辐照来减薄碳化硅衬底不会对肖特基二极管产生损伤；
最后通过激光辐照来减薄碳化硅衬底，一方面可以得到较为平整的碳化硅衬底底面，另外一方面不会因为碳化硅衬底的变薄而造成碳化硅衬底碎片。
第二方面，如图6所示，本发明还提供了碳化硅肖特基二极管的制作方法，包括上述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，
还包括步骤S5，步骤S5如下：
S5：在衬底1的底面制作第二欧姆接触层7。制作完的碳化硅肖特基二极管的结构示意图如图7所示。其中通过沉积技术在衬底1的底面沉积一层Al金属层，该Al金属层是第二欧姆接触层7。最终制作的碳化硅肖特基二极管的结构示意图如图7所示。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供半导体器件，所述半导体器件包括衬底和位于衬底顶面上的外延层，所述外延层的顶面向内设有至少一个P阱区；
S2：通过第一研削工艺磨削所述衬底的底面，将所述衬底的厚度减薄至第一厚度；
S3：通过第二研削工艺磨削所述衬底的底面，将所述衬底的厚度减薄至第二厚度，所述第一研削工艺使用的磨轮的目数小于所述第二研削工艺使用的磨轮的目数；
S4：使用激光辐照所述衬底的底面，将所述衬底的底面向上的第三厚度部分分解为石墨烯，并将分解后的石墨烯去除，得到第四厚度的衬底。
2.根据权利要求1所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S1中提供半导体器件的步骤如下：
S10：在所述衬底的顶面上制作外延层，形成第一器件；
S11：对所述第一器件进行清洗，去除所述第一器件表面的污染物和残留颗粒；
S12：在所述第一器件的顶面向下进行离子注入，形成至少一个P阱区；
S13：在所述第一器件的顶面制作场板氧化层；
S14：在所述场板氧化层上与所述P阱区的对应位置制作肖特基接触开口；
S15：在所述场板氧化层上制作肖特基接触层，所述肖特基接触层与所述P阱区电连接；
S16：在所述肖特基接触层的顶面制作欧姆接触层。
3.根据权利要求1所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S2的步骤如下：
S20：先在所述半导体器件顶面贴设保护膜，然后将半导体器件固定在转台上；
S21：同时让第一磨轮和转台转动，通过控制第一磨轮的进给量来使所述衬底的厚度磨削至第一厚度。
4.根据权利要求3所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S3的步骤如下：
S30：使用目数比第一磨轮高的第二磨轮来磨削所述衬底，通过控制所述第二磨轮的进给量将所述衬底的厚度磨削至第二厚度；
S31：将所述半导体器件顶面的保护膜去除掉。
5.根据权利要求4所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S20贴设的保护膜是热释胶带保护膜或者紫外线减粘保护膜；当步骤S20贴设的保护膜是热释胶带保护膜时，步骤S31中将所述半导体器件放到加热台上进行加热，从而将半导体器件与所述热释胶带保护膜分离；当步骤S20贴设的是紫外线减粘保护膜时，步骤S31中通过紫外光照射所述紫外线减粘保护膜，使所述紫外线减粘保护膜失去粘性。
6.根据权利要求1所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S4中，在使用激光辐照第二厚度的衬底的底面前:
先对半导体器件进行清洗，具体如下：先将半导体器件浸入到丙酮中并通过超声波清洗方式进行清洗，然后将半导体器件浸入到无水酒精中并通过超声波清洗方式进行清洗；
清洗完成后对半导体器件进行干燥。
7.根据权利要求1或6所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S4中，将激光以脉冲的形式辐照所述第二厚度的衬底底面。
8.根据权利要求7所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S4中，将所述第二厚度的衬底的底面向上的第三厚度部分分解为石墨烯，并将分解后的石墨烯去除的步骤如下：
多次使用激光辐照所述衬底的底面，并在每次辐照完成后将分解的石墨烯去除掉。
9.根据权利要求8所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，其特征在于，步骤S4中，激光单脉冲能量密度在5J/cm2-5.5J/cm2之间，激光脉冲频率在5Hz-20Hz之间，每次激光辐射的脉冲数在50-100之间。
10.碳化硅肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的碳化硅肖特基二极管的衬底减薄方法，
还包括步骤S5，步骤S5如下：
S5：在所述衬底的底面制作第二欧姆接触层。
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