CN101661884B

CN101661884B - 一种用硅单晶薄片制造晶体管的方法

Info

Publication number: CN101661884B
Application number: CN2009101524164A
Authority: CN
Inventors: 肖型奎
Original assignee: Hangzhou Haina Semiconductor Ltd Co
Current assignee: Zhejiang Haina Semiconductor Co ltd
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2029-09-08
Also published as: CN101661884A

Abstract

本发明公开了一种用硅单晶薄片制造晶体管的方法，包括如下步骤：1)、选用2片轻掺杂的抛光硅片，每片抛光硅片的正面为抛光面；2)、每片硅片均进行N+或P+预扩，然后在预扩后的抛光硅片的正面设置氧化层；3)、使上述2片带有氧化层的抛光硅片正面两两正对后进行室温键合，将所得键合硅片组放到高温炉中进行高温处理；4)、对所得硅片组的两表面进行机械研磨和抛光；5)、在硅片组的两表面分别制造晶体管芯片；6)、将步骤5)所得的硅片组置于HF溶液中使硅片分离；7)、将硅片的不设晶体管芯片的表面金属化，然后去除光刻胶、划片和封装；得晶体管。采用本发明方法能保证晶体管性能。

Description

一种用硅单晶薄片制造晶体管的方法

技术领域

本发明涉及一种用薄的单晶硅片制造晶体管的方法，主要是轻掺(硅片的顶层)/重掺(硅片的底层)结构硅基片的制造方法。

背景技术

生产N-/N+、P/N+、N/P+、P/P+结构的硅片，通常有两种方法：方法一是在重掺硅片表面外延一层轻掺硅的方法；方法二是用轻掺硅片在扩散炉中进行热扩散在表面形成重掺，然后将硅片的一面进行研磨抛光来实现上述结构。方法一即外延方法制成的上述结构的硅片质量好，但加工成本较高，其使用的外延炉的设备成本也很高，而且随着外延厚度的增加，成本会更高。为了降低成本以加工一些对硅片品质要求不高的硅片，所以有了方法二。图1是方法二以加工N-/N+为例的示意图，先把N-硅片放入扩散炉进行高温扩磷，在硅片的两面形成N+层，然后将一面的N+层全部及一部分N-层研磨掉，然后进行抛光形成N-/N+层结构，在这个过程中，有差不多一半的硅料要被研磨损失掉。而且三重扩散方法需要在1275度左右、200小时左右进行处理，长时间的高温热处理会在硅片体内引入再生热缺陷。这些热缺陷会导致器件工艺中掺杂剂在缺陷处的扩散速度与其他区域的扩散速度不同，会导致器件参数的一致性差，加工器件的漏电流大，击穿电压低等，从而使器件性能差。

发明专利CN1064766A提供了一种可以减少硅料损耗的，同时还能减少硅片高温处理时间的方法(如图2所示)是先将硅片进行预扩磷，然后进行单面研磨抛光，背面淀积一层膜，将2片硅片的背面用玻璃粉进行粘结，然后进行器件工艺。但这种方法存在以下几点缺陷：1、由于用玻璃粉粘结，在粘结界面必然会有很多气泡，气泡的存在会导致两片硅片间大量的应力存在，在后续的器件工艺中，应力在高温下会诱生晶体缺陷，从而大大降低器件性能。2由于在硅片正面已经做成抛光片的情况下再进行玻璃粘结，要保证硅片正面不被损伤，操作难度大；而且很容易弄伤抛光片表面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉的用薄单晶硅片制造晶体管的方法，采用该方法制作晶体管具有工艺成本低，加工过程中硅片内部缺陷少，从而保证晶体管性能的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用硅单晶薄片制造晶体管的方法，依次包括如下步骤：

1)、选用2片轻掺杂的抛光硅片，每片抛光硅片的正面为抛光面；

2)、上述每片硅片均进行N+或P+预扩，然后在预扩后的抛光硅片的正面设置氧化层；

3)、使上述2片带有氧化层的抛光硅片正面两两正对后进行室温键合，得键合硅片组；将上述键合硅片组放到高温炉中进行高温处理，得高温处理后硅片组；

4)、对高温处理后硅片组的两表面进行机械研磨和抛光；

5)、采用常规的半导体平面工艺在步骤4)所得硅片组的两表面分别制造晶体管芯片，然后在上述分别带有晶体管芯片的硅片组两表面分别设置抗腐蚀用的光刻胶；

6)、将步骤5)所得的硅片组置于HF溶液中使硅片分离；

7)、将硅片的不设晶体管芯片的表面金属化，然后去除光刻胶、划片和封装；得晶体管。

在本发明中，电阻率在1欧姆.厘米以上的为轻掺杂，电阻率在1欧姆.厘米以下的为重掺杂。

作为本发明的用硅单晶薄片制造晶体管的方法的改进：步骤2)中位于抛光硅片正面的氧化层的厚度为0.5um～3um、表面粗糙度≤0.8nm、且大于0.5um的颗粒为0(即不存在0.5um以上的颗粒)。设置氧化层的方法为热氧化法。

由于设置氧化层后，作为抛光硅片正面的抛光面表面的粗糙度会恶化，当粗糙度大于0.8nm时，需要对抛光硅片正面的氧化层进行化学机械抛光，使其表面粗糙度≤0.8nm；要严格控制化学机械抛光的抛去量，即在满足上述表面粗糙度的前提下，化学机械抛光的抛去量越小越好；务必不能抛光掉整个位于抛光硅片正面的氧化层，否则会导致后续步骤6)的硅片不能分离。

作为本发明的用硅单晶薄片制造晶体管的方法的进一步改进：步骤3)高温处理温度为900～1290℃，时间为10分钟～100小时。

作为本发明的用硅单晶薄片制造晶体管的方法的进一步改进：步骤4)对高温处理后硅片组的两表面进行机械研磨和抛光，每个表面的去除量为30～100um，且每个表面粗糙度≤1.2nm。

作为本发明的用硅单晶薄片制造晶体管的方法的进一步改进：步骤6)中HF溶液的重量百分比浓度为10％～50％。

本发明的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，是一种先将抛光硅片进行磷预扩，然后再将两片硅片抛光面(正面)相对进行键合加固，再将键合硅片组的两面进行研磨和抛光处理，然后进行平面器件工艺，之后将硅片进行分离后进行背面(即不设晶体管芯片的那个表面)金属化和划片封装的制造晶体管的方法。

在本发明中：

1、步骤1)：抛光硅片的原始厚度为150～350um，直径为2～12英寸(inch)；以抛光硅片的正面作为键合面，抛光硅片的反面可以是研磨面、腐蚀面或者抛光面。

2、在步骤2)中，由于氧化层厚度与后续步骤的硅片分离有关，氧化层厚度越厚越有利于后面的硅片分离；但同时氧化层厚度越厚，氧化的成本也会相应增加。因此，键合层处氧化层的厚度优选1um～6um(即2个氧化层厚度之和)。

3、步骤3)的键合方法为常规的硅片室温直接键合方法，键合区域空气洁净等级为≤10级。

将硅片组的两表面进行抛光，可采用双抛机进行双面抛光的形式，或者采用单抛机对两面单独进行抛光，从而分两次完成抛光这个步骤。

本发明的硅单晶薄片制造晶体管的方法，具有以下优点：

1)节省硅料；

2)工艺成本相对低，减少了长时间高温处理时间；

3)大大降低了由于界面应力导致的缺陷，能提高器件性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是现有的带重掺杂扩散层的硅抛光片的制备流程图；

图2是发明专利CN1064766A的制备流程图；

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

实施例1、图3给出了一种硅片键合分离方法，依次进行如下步骤：

1)、选用2片单晶抛光硅片，该单晶硅片的晶向为<111>，掺杂型号为N型，掺杂剂为磷，电阻率为33欧姆.厘米～35欧姆.厘米，该单晶抛光硅片的正面为表面粗糙度0.5nm的抛光面，该单晶硅片的厚度为230um、直径为100mm。

2)、每片硅片均进行如下操作：

将硅片置于高温扩散炉，采用常规的磷预扩工艺，温度1140℃通磷源(POCL₃)，于硅片表面作杂质(N+)进行预沉积扩散，时间为4小时。

然后采用常规的热氧化法，工艺条件为温度为1140度，氧气流量6.6升/分钟，H₂流量9升/分钟，时间为3小时；从而使位于单晶硅片正面的氧化层厚度为1.0um。

因为采用热氧化法，故所得的N型(111)单晶硅片的表面(即正反2面)均会出现氧化层。位于单晶硅片的正面的氧化层的厚度为1.0um，表面粗糙度为0.6nm，表面存在着≥0.5um的颗粒。

使上述2片单晶硅片依次在清洗机上用SC1和SC2药液进行清洗，并用颗粒测试仪对位于单晶硅片正面的氧化层进行表面颗粒测试，如果有＞0.5um的颗粒存在，则判定为不合要求，重复的依次用SC1和SC2药液进行清洗(或者轻微抛光后，再重复的依次用SC1和SC2药液进行清洗)，直至表面不存在＞0.5um的颗粒。

SC1药液的配方如下：NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6(体积比)，

SC2药液的配方如下：H₂O₂∶HCL∶H2O＝1∶1∶10(体积比)。

3)、将上述符合要求的带有氧化层的抛光硅片正面两两正对后在键合机上进行室温键合，键合方法采用常规的硅片室温直接键合法，键合区域空气洁净等级为10级，得键合硅片组。

然后将上述键合硅片组放到高温退火炉中进行高温处理，高温退火炉中通氮气，处理温度为1000℃，时间为2小时；得高温处理后硅片组；

经红外摄像仪对此步骤3)所得的高温处理后硅片组的界面进行气泡检测，无气泡。

4)、将高温处理后硅片组在双面研磨机上进行均匀地双面研磨，然后在双抛机上进行均匀地双面抛光，使硅片组总厚度为340um(即单片厚度为170um)；其中双面研磨去除量80um，双面抛光去除量40um，保证每个表面的粗糙度均≤1.2nm。

5)、采用常规的半导体平面工艺，在步骤4)所得的硅片组的两表面分别制造晶体管芯片；然后在上述分别带有晶体管芯片的硅片组两表面分别设置抗腐蚀用的光刻胶(例如选用FSH-2型高抗蚀反面胶)，光刻胶层的厚度为10um，设置此光刻胶的目的是为了保护晶体管芯片。

6)、将步骤5)所得的硅片组置于质量浓度40％的HF溶液中，从而使两片硅片相分离；

7)、按照常规工艺，将硅片不设晶体管芯片的那面金属化，然后除去表面光刻胶，再进行划片和封装；得晶体管。

键合最大的问题是如何避免界面的气泡，按照本行业的常规知识，气泡会导致后续的热加工过程中硅片内部产生大量滑移线，从而导致加工出的器件性能降低。而在本实施例中，由于保证了步骤3)所得的高温处理后硅片组的界面无气泡；因此能确保器件性能。

对比实验1、

以完全同实施例1的单晶抛光硅片作为原料，按照CN1064766A告知的制备方法，粘合后的硅片组用红外摄像仪进行检测，发现界面存在大量气泡；因此无法保证最后所得的器件性能。

实施例2、一种硅片键合分离方法，依次进行如下步骤：

1)、选用2片单晶抛光硅片，该单晶硅片的晶向为<111>，掺杂型号为N型，掺杂剂为磷，电阻率为33欧姆.厘米～35欧姆.厘米，该单晶硅片的正面为表面粗糙度0.5nm的抛光面，该单晶硅片的厚度为170um、直径为125mm。

2)、同实施例1。

3)、将上述符合要求的带有氧化层的抛光硅片的正面两两正对后在键合机上进行室温键合，键合方法采用常规的硅片室温直接键合法，键合区域空气洁净等级为10级，得键合硅片组。

然后将上述键合硅片组放到高温退火炉中进行处理，退火炉中通氮气，处理温度为1280℃，时间为20分钟；得高温处理后硅片组；

4)、将高温处理后硅片组在单面研磨机上用砂轮进行研磨，每面各1次，每面去除量均为35um；然后在双抛机上进行双面抛光，双面抛光去除40um；使硅片组的总厚度为230um(即单片厚度为115um)，保证每个表面的粗糙度均≤1.2nm。

5)、采用常规的半导体平面工艺在步骤4)所得的硅片组两表面上制造晶体管芯片；然后在上述分别带有晶体管芯片的硅片组两表面(即正反2个外表面)设置抗腐蚀用的光刻胶；光刻胶层的厚度为10um。

6)、将步骤5)所得的硅片组置于质量浓度50％HF溶液中，从而使硅片分离；

键合最大的问题是如何避免界面的气泡，按照本行业的常规知识，气泡会导致后续的热加工过程中硅片内部产生大量滑移线，从而导致加工出的器件性能降低。而在本实施例中，由于保证了步骤3)所得的加固后硅片组的界面无气泡；因此能确保器件性能。

对比实验2、

以完全同实施例2的单晶抛光硅片作为原料，按照CN1064766A告知的制备方法，粘合后的硅片组用超声波进行检测，发现界面存在大量气泡；因此无法保证最后所得的器件性能。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特性在于依次包括如下步骤：

1)、选用2片轻掺杂的抛光硅片，所述每片抛光硅片的正面为抛光面；

2)、上述每片硅片均进行N+或P+预扩，然后在预扩后的抛光硅片的正面设置氧化层；对所得的硅片用SC1和SC2药液进行清洗，直至表面不存在＞0.5um的颗粒；

4)、对高温处理后硅片组的两表面进行机械研磨和抛光；

6)、将步骤5)所得的硅片组置于HF溶液中使硅片分离；

2.根据权利要求1所述的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特征是：所述步骤2)中位于抛光硅片正面的氧化层的厚度为0.5um～3um、表面粗糙度≤0.8nm且大于0.5um的颗粒为0。

3.根据权利要求2所述的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特征是：所述步骤2)设置氧化层的方法为热氧化法。

4.根据权利要求3所述的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特征是：所述步骤3)高温处理温度为900～1290℃，时间为10分钟～100小时。

5.根据权利要求4所述的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特征是：所述步骤4)对高温处理后硅片组的两表面进行机械研磨和抛光，每个表面的去除量为30～100um，且每个表面粗糙度≤1.2nm。

6.根据权利要求5所述的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特征是：所述步骤6)中HF溶液的质量浓度为10％到50％。

7.根据权利要求6所述的用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特征是：所述步骤1)中抛光硅片的原始厚度为150～350um。