專利名稱：具有低阻薄層襯底結(jié)構(gòu)的高壓硅管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于高壓半導(dǎo)體硅管(包括高壓硅二極管、高壓硅晶體管、高壓硅晶閘管)及其制造方法的發(fā)明。
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的高壓半導(dǎo)體硅管一般是在具有雙層結(jié)構(gòu)的硅單晶襯底上制成的，上層為高阻層，起支撐電壓的作用;下層是低阻層，起減小導(dǎo)通電阻的作用。管芯制作在高阻層上。低阻層的導(dǎo)電類型與高阻層的導(dǎo)電類型可以是同型的，也可以是反型的。同型的雙層襯底結(jié)構(gòu)為N-/N+，P-/P+形式;反型的雙層襯底結(jié)構(gòu)為N-/P+，P-/N+形式。低阻層可以是單層的，也可以是雙層的。雙層低阻層的上層是具有過度性質(zhì)的亞低阻薄層，雙層低阻層的下層是電阻率比亞低阻層更低的低阻層，導(dǎo)電類型與亞低阻層反型。具有雙層低阻層的襯底結(jié)構(gòu)為N-/N/P+，P-/P/N+，N-/P/N+，P-/N/P+形式。我們把亞低阻層和低阻層統(tǒng)稱為低阻層。雙層結(jié)構(gòu)的硅單晶襯底一般采用兩種方法制成。一種是采用外延工藝，在低阻硅單晶片上生長(zhǎng)高阻外延層，外延層的厚度隨額定擊穿電壓增高而增加。另一種是采用擴(kuò)散工藝，對(duì)高阻硅單晶片進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高溫?fù)诫s擴(kuò)散，兩面形成低阻層，磨去一面。1987年日本專利J62221-122A公布了一種新方法，把兩片硅單晶片直接密接在一起，經(jīng)過高溫處理形成一體，制成雙層結(jié)構(gòu)襯底。以上三種方法不僅工藝復(fù)雜，成本高，而且質(zhì)量不易保證。襯底制備是各類高壓硅管制作中普遍遇到的難題。用上述方法制成的襯底低阻層一般都比較厚(在幾十微米以上)。以上幾種方法的共同特點(diǎn)是先制成具有雙層結(jié)構(gòu)的襯底，然后在雙層結(jié)構(gòu)的襯底上制作管芯。管芯工藝要經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的高溫，使襯底下部低阻層的雜質(zhì)往上擴(kuò)散，一般可以擴(kuò)散幾個(gè)微米。
本發(fā)明人曾提供過一種新的制造方法，不用外延片，直接在高阻硅單晶片上制造管芯，再通過芯片減薄和薄片加工，減少高阻層的厚度，從而降低了晶體管的導(dǎo)通電阻，省去了低阻層，將雙層結(jié)構(gòu)改為單層結(jié)構(gòu)襯底。由于是把帶有管芯的硅單晶片同底托片粘接成復(fù)合片，對(duì)復(fù)合片進(jìn)行加工，因而可以把襯底做得很薄，由傳統(tǒng)的200至300微米，降到30至150微米。這種方法可以提高晶體管的高壓性能，降低成本。為此，本發(fā)明人已申報(bào)兩項(xiàng)中國(guó)專利-“高壓垂直擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)管及其制法”(專利申請(qǐng)?zhí)?8106151.4)和“具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓晶體管”(專利申請(qǐng)?zhí)?8213133.8)。這種制造方法雖然有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在著工藝較繁，成品率不夠高(尤其在高阻層襯底減薄后，再與第二個(gè)底托片粘接加工時(shí)，容易碎片)等不足。而且所制成的單層襯底晶體管，由于沒有低阻層，在高阻層與外接金屬層之間的接觸電阻偏大。
本發(fā)明是針對(duì)本發(fā)明人上述發(fā)明的不足所做的進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明的目的在于通過對(duì)具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管及其制造方法的改進(jìn)，提供一種新的制造高壓半導(dǎo)體硅管的工藝方法，通過背面摻雜工藝(可以采用離子注入方式或合金化方式)，在高阻層襯底底部形成一個(gè)低阻薄層，使得低阻層與外接金屬層之間的接觸電阻大大減小。而且，整個(gè)的制造工藝更為簡(jiǎn)化。對(duì)于具有反型低阻層和雙層低阻層的襯底結(jié)構(gòu)，如N-/P+，P-/N+，N-/N/P+，P-/P/N+，N-/P/N+，P-/N/P+等形式，襯底下部形成PN結(jié)，在PN結(jié)正向通導(dǎo)時(shí)，會(huì)有大量少數(shù)載流子注入高阻區(qū)，從而顯著地降低了導(dǎo)通電阻。使高壓硅管具有背面電導(dǎo)調(diào)制的功能。
為了便于說明，先對(duì)附圖加以介紹，然后結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作具體介紹。


(以VDMOS晶體管為例)圖1，在帶有管芯的硅單晶片的正面各個(gè)管芯之間，鋸出劃片槽。
1帶有管芯的硅單晶片，正面向上。
I圖1的局部放大圖。
2劃片槽3N+擴(kuò)散區(qū)4P型擴(kuò)散區(qū)5柵氧6多晶硅7柵電極8源電極
9高阻硅單晶襯底圖2，粘成復(fù)合片。
10粘接劑(如光刻膠等)11底托片(如雙面磨片的厚硅片)12粘接劑(如白蠟等)13貼片盤圖3，研磨減薄，拋光。
17芯片圖4、離子注入摻雜。
14低阻薄層-本圖是由離子注入摻雜形成的低阻薄層(本發(fā)明也可以指背面合金化時(shí)摻雜形成的低阻薄層)。
圖5，淀積金屬。
15淀積形成的金屬層(即成品的漏電極)圖6，具有低阻薄層襯底結(jié)構(gòu)的高壓硅管(此處為VDMOS晶體管)。
圖7，具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓硅管(此處為VDMOS晶體管)。
圖8，傳統(tǒng)的高壓硅管(此處為VDMOS晶體管)。
16襯底的低阻厚層下面以VDMOS晶體管為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的制造方法和制成的具有低阻薄層襯底結(jié)構(gòu)的高壓硅管加以說明。
本發(fā)明制造方法的工藝過程為1、采用常規(guī)工藝，以高阻硅單晶片為襯底制作高壓管芯，制成帶有管芯的硅單晶片1。
2、劃片(見圖1)。在帶有管芯的硅單晶片1的正面各個(gè)管芯之間，劃出劃片槽2，槽深度D相當(dāng)于研磨減薄后芯片的厚度，因而不會(huì)劃透將管芯分離。D根據(jù)不同管型的耐壓要求確定D＝d1+d2+d3。d1是所用的高阻襯底在額定電壓下PN結(jié)勢(shì)壘的寬度，d2為拋光的去除厚度，若不拋光，則d2為研磨造成的損傷層厚度，d3是加工余量。
3、粘接復(fù)合片(見圖2)。將鋸好劃片槽2的硅單晶片1的正面，用粘接劑10與底托片11粘接在一起，形成復(fù)合片，再用粘接劑12將底托片11與貼片盤13粘接起來(lái)。
4、研磨、拋光(見圖3)。對(duì)硅單晶片1的背面進(jìn)行研磨，一般會(huì)使劃片槽2顯露，各個(gè)管芯互相分開，形成許多小芯片17(各個(gè)芯片17與底托片11仍粘在一起)。然后對(duì)各個(gè)芯片17的背面進(jìn)行拋光，除去研磨時(shí)產(chǎn)生的損傷層。對(duì)于同型注入，為簡(jiǎn)化工藝，也可以不拋光。
5、背面摻雜。本例是采用離子注入方式(見圖4)。對(duì)拋光后的芯片17的高阻襯底9的背面進(jìn)行離子注入摻雜，形成離子注入摻雜薄層14，其厚度一般小于2微米。目前，生產(chǎn)型的離子注入機(jī)，其注入能量較低，因此注入射程較淺，一般小于2微米。若使用科研用的高能加速器進(jìn)行離子注入，其射程可以超過2微米，能達(dá)到5-10微米，甚至更深。相應(yīng)于不同類型的高壓硅管，用于離子注入的雜質(zhì)源可以是單一型的(施主雜質(zhì)或受主雜質(zhì))，也可以是復(fù)合式的(施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)都用)。注入方式可以是同型注入(即注入雜質(zhì)類型同原高阻襯底導(dǎo)電類型相同)，也可以是反型注入(即注入雜質(zhì)類型與原高阻襯底導(dǎo)電類型相反)。反型注入在芯片17的高阻襯底9與低阻薄層14的界面上形成PN結(jié)，使制成的高壓管在導(dǎo)通時(shí)有大量的載流子從低阻薄層14注入高阻襯底9，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大大降低導(dǎo)通電阻。采用復(fù)合式注入，在低阻層與亞低阻層的界面上形成PN結(jié)，使制成的高壓管在導(dǎo)通時(shí)同樣具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。在注入過程中，注入能量可以是恒定的，也可以是變化的(例如取階梯形式)。在每個(gè)層次上的注入劑量一般為1×1015/cm2至1×1016/cm2。根據(jù)管子參數(shù)要求，注入劑量也可以大些或小些。根據(jù)注入的雜質(zhì)類型、注入能量和注入劑量的不同，低阻薄層14可以是單層的，如N+型、P+型，也可以是雙層的，如N/P+型、P/N+型等。由于離子注入在管芯工藝基本完成之后進(jìn)行的，為了不影響管芯中的鋁布線和鋁電極，不能采用通常的高溫退火(800℃以上)，而要采用低溫退火(430-560℃)。退火可使注入雜質(zhì)激活，形成低阻薄層14。低阻退火可在合金化過程中同時(shí)進(jìn)行。由于退火溫度低，雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)小，退火所時(shí)間也不長(zhǎng)，一般取10-20分鐘，使得在退火過程中，雜質(zhì)的擴(kuò)散很小。因而在退火以后，管芯襯底的低阻薄層14的厚度基本上就是退火之前離子注入摻雜薄層的厚度。一般情況下，這個(gè)厚度小于2微米。
6、淀積金屬和合金化(見圖5)。將復(fù)合片清洗后，放入濺射臺(tái)或蒸發(fā)臺(tái)，在離子注入摻雜薄層14的上面淀積金屬(如鋁)，厚度為0.8至1.2微米，形成淀積金屬層15。再對(duì)復(fù)合片進(jìn)行合金化，溫度為430-560℃之間，時(shí)間10-30分鐘，通氧流量為5-20升/分。在合金化過程中，離子注入摻雜薄層14也進(jìn)行了低溫退火，形成低阻薄層14;粘接劑10受熱分解并與氧氣作用氣化，使各個(gè)芯片17同底托片11分離。
7、將每個(gè)芯片17按常規(guī)工藝進(jìn)行粘接、鍵合、封管，即可制成具有低阻薄層的襯底結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管(見圖6)。
背面摻雜的方法除了采用對(duì)芯片17的背面進(jìn)行離子注入的方法以外，還可采用有足量施主或受主雜質(zhì)的金屬與芯片背面進(jìn)行合金，在芯片背面合金化時(shí)對(duì)芯片17的高阻襯底9的背面進(jìn)行摻雜。如對(duì)高阻襯底為N-型的芯片17，可用金銻合金作為背面合金化的金屬;對(duì)高阻襯底為P-型的芯片17，可用金硼鎵合金作為背面合金化的金屬。
從結(jié)構(gòu)上看，具有低阻薄層的襯底結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管，與傳統(tǒng)高壓半導(dǎo)體硅管(見圖8)相比，均屬雙層結(jié)構(gòu)襯底。其主要區(qū)別在于以低阻薄層14代替了低阻厚層16;與具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管(見圖7)相比，其主要區(qū)別在于在高阻襯底9與淀積金屬層15之間增加了低阻薄層14。
本發(fā)明與傳統(tǒng)工藝方法的區(qū)別在于傳統(tǒng)方法是先制成具有雙層結(jié)構(gòu)的襯底，然后在雙層結(jié)構(gòu)的襯底上制作管芯。本發(fā)明是先在單一高阻襯底上制作管芯，然后通過復(fù)合片減薄工藝和背面摻雜，使襯底形成雙層結(jié)構(gòu)。
從工藝方法上講，本發(fā)明提供的制造方法(以下簡(jiǎn)稱新方法)與“高壓垂直擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)管及其制法”及“具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓晶體管”所提供的制造方法(以下簡(jiǎn)稱原方法)相比，主要有以下改進(jìn)和區(qū)別1、對(duì)于需要淀積金屬層15的情況，原方法在加工中要兩次采用底托片粘接，新方法只用一次，簡(jiǎn)化了工藝，避免了原方法第二次粘接底托片過程中碎片率較高的損失。
2、工藝流程順序改變，突出區(qū)別在于原方法是先研磨后劃片，新方法是先劃片后研磨。
3、新方法可以用離子注入等方法進(jìn)行背面摻雜形成低阻薄層，原方法則沒有。
4、原方法只能制造具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管，新方法則可以制造具有低阻薄層的雙層襯底結(jié)構(gòu)的高壓硅管，其中包括具有單一反型低阻薄層的襯底結(jié)構(gòu)如N-/P+，P-/N+形式，也包括有具有雙層低阻薄層的襯底結(jié)構(gòu)如N-/N/P+，P-/P/N+，N-/P/N+，P-/N/P+形式。這兩種結(jié)構(gòu)都使襯底下部形成PN結(jié)，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。因此，新方法可以制造具有新功能的新型結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管。
5、原方法僅用于制造高壓硅晶體管。新方法不僅可以制造高壓硅晶體管，也可以制造高壓硅二極管和高壓硅晶閘管等。
下面介紹3個(gè)實(shí)施例。
例1，制造耐壓600伏垂直雙擴(kuò)散MOS(VDMOS)晶體管。
以<100>晶向18歐姆·厘米的高阻N-硅單晶片為襯底，按前面所述的制造工序進(jìn)行。需要具體說明的地方是1、鋸槽深度為110微米。
2、拋光去除厚度為50微米。
3、注入摻雜源為磷，注入能量取30K電子伏，60K電子伏兩個(gè)階梯，每個(gè)能量階梯的注入劑量為1×1016/厘米2。
例2，制造耐壓為600伏的MOS控制晶閘管(MCT)。
以<100>晶向30歐姆·厘米的高阻N-硅單晶片為襯底，按前面所述的制造工序進(jìn)行。需要具體說明的是1、鋸槽深度為130微米。
2、拋光去除厚度為50微米。
3、注入雜質(zhì)源有兩種，一種是硼，一種是磷。硼的注入能量取階梯形式。即取300K電子伏，250K電子伏，200K電子伏，150K電子伏，100K電子伏，50K電子伏，25K電子伏等共七個(gè)能量階梯，每個(gè)階梯的注入劑量為1×1015/厘米2。磷的注入劑量取30K電子伏，50K電子伏，100K電子伏和150K電子伏四個(gè)臺(tái)階，每個(gè)能量臺(tái)階的注入劑量為1×1016/厘米2。
例3，制造耐壓為1000伏的二極管。
以<111>晶向27歐姆·厘米的高阻N-硅單晶片為襯底，工序基本同例1，不同之處在于，鋸槽深度為160微米。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，成品合格率大大提高，制作成本降低;雙層結(jié)構(gòu)是在管芯工藝基本完成以后，在低溫過程中形成的，因而減少了由于長(zhǎng)時(shí)間高溫產(chǎn)生的晶格缺陷，制成的高壓硅管電學(xué)性能好;工藝靈活，通過改變注入雜質(zhì)源，注入劑量和注入能量，具有電導(dǎo)調(diào)制等功能。
權(quán)利要求
1.一種高壓硅管的制造方法，以高阻硅單晶片為襯底用常規(guī)工藝制造管芯，然后將帶有管芯的硅單晶片1與底托片11用粘接劑10粘接在一起形成復(fù)合片，對(duì)復(fù)合片進(jìn)行加工，將硅單晶片1背面減薄和加工，其特征在于a、在同底托片11粘接形成復(fù)合片之前，先在帶有管芯的硅單晶片1的正面各個(gè)管芯之間劃出劃片槽2；b、帶有管芯的硅單晶片1背面研磨減薄后，對(duì)芯片17的高阻襯底9的背面進(jìn)行摻雜。
2.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于芯片17的高阻襯底9的背面摻雜方法是離子注入法。
3.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于芯片17的高阻襯底9的背面摻雜方法是采用含有足量施主或受主雜質(zhì)的金屬同芯片背面合金化法。
4.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于帶有管芯的硅單晶片1背面研磨減薄后，對(duì)芯片17的高阻襯底9的背面進(jìn)行表面拋光，然后再進(jìn)行摻雜。
5.如權(quán)利要求1、2所述的制造方法，其特征在于離子注入摻雜后采用低溫退火(430-560℃)。
6.如權(quán)利要求1、2所述的制造方法，其特征在于離子注入的雜質(zhì)源是復(fù)合式的(施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)都用)。
7.如權(quán)利要求1、2所述的制造方法，其特征在于離子注入摻雜的能量是變化的。
8.如權(quán)利要求1、2所述的制造方法，其特征在于離子注入采用反型注入(即注入摻雜與原高阻襯底導(dǎo)電類型相反)。
9.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于劃片槽的深度D根據(jù)不同管型的耐壓要求確定D＝d1+d2+d3，d1是所用的高阻襯底在額定電壓下PN結(jié)勢(shì)壘的寬度，d2為拋光的去除厚度，d3是加工余量。若不拋光，則d2為研磨減薄造成的損傷層厚度。
10.一種采用上述制造方法制造的高壓半導(dǎo)體硅管，包括高壓硅二極管，高壓硅晶體管，高壓硅晶閘管，其特征在于管芯襯底的低阻薄層14的厚度小于2微米。
11.如權(quán)利要求10所述的高壓半導(dǎo)體硅管，其特征在于低阻薄層14是雙層的。
12.如權(quán)利要求10所述的高壓半導(dǎo)體硅管，其特征在于襯底高阻層9與低阻薄層14的導(dǎo)電類型相反。
全文摘要
一種對(duì)具有單層襯底結(jié)構(gòu)的高壓半導(dǎo)體硅管制造方法的改進(jìn)，通過背面摻雜等工藝，在襯底高阻層背面形成低阻薄層，有效地減小了接觸電阻，增加了功能，簡(jiǎn)化了工藝，減少了加工中的碎片率，制成一種具有低阻薄層襯底結(jié)構(gòu)的新型高壓半導(dǎo)體硅管。
文檔編號(hào)H01L21/24GK1047758SQ8910353
公開日1990年12月12日 申請(qǐng)日期1989年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月2日
發(fā)明者李恩敏 申請(qǐng)人:北京市半導(dǎo)體器件研究所