专利名称：：硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法
技术领域：
：本发明涉及一种半导体加工工艺，尤其涉及一种硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法。
背景技术：
：SID(静电感应器件)是目前电力器件的主流产品，其中的SITH(StaticInductionThyristor，静电感应晶闸管)是SIT(静电感应晶体管)的派生器件，采用P+区代替SIT的漏极接触区而构成阳极接触区，其i-v特性与普通晶闸管的负阻转折特性相似。SITH的结构和SIT或BSIT(电力半导体器件)类似，所不同的只是阳极p+代替了n+漏区。SITH可以制做成常开型器件，也可以制做成常关型器件，通常阳极接正的高压VA使器件处于正向工作状态。当VG〉0时，器件将进入以大电流、低压降为特征的正向导通状态；当VG〈0时，器件处于以高压、小电流为特征的正向阻断状态。当阳极电压VA为负时，器件将处于反向阻断态，不过由于正向阻断态有高的开关速度，所以通常用负栅压来实现正向强迫关断，而不采用反向阻断形式。为提高器件的关断能力，希望栅阴极之间能够承受较大的反向电压，所以往往在采用掩埋栅结构来制作SITH。现有技术中的SITH的结构及常规工艺如图1所示，(a)第一次外延，生长阳极区域P+;(b)选择性离子注入和扩散，形成栅区P+;(c)第二次外延，在栅极上形成n—层；(d)通过刻蚀和欧姆接触，引出栅极、阴极和阳极。可以看出，掩埋栅结构SITH阴极的形成需要外延工艺，相对于材料制备时的第一次外延，这时称为阴区外延的二次外延工艺，二次外延通常用CVD(化学气相淀积)法完成，其控制难度很大。如图l(b)、(c)中所示，因为栅区和阳极都存在高浓度的空穴，将会产生非常严重的自掺杂效应，没有办法获得高电阻率的掩埋层。这样一来，所制造的SITH的BVGKO(栅-阴极击穿电压)很低，栅-阴极仅能承受几伏的反向电压，栅极的控制能力明显不行。
发明内容本发明的目的是提供一种栅-阴极击穿电压高的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，包括歩骤A、在第一n型硅片上进行第一次外延，生长阳极区域P+;B、进行选择性离子注入和扩散，形成栅区P+;C、取第二n型硅片，并通过硅-硅直接键合，在栅极上形成n—层；D、通过刻蚀和欧姆接触，引出栅极、阴极和阳极。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，由于通过硅-硅直接键合，代替现有技术中的二次外延生长工艺，在栅极上形成n—层。解决了外延层的质量问题，可以提高栅-阴极击穿电压。图1为现有技术中掩埋栅结构SITH的主要工艺及结构示意图；图中，(a)第一次外延，生长阳极区域P+;(b)选择性离子注入和扩散，形成栅区P+;(c)第二次外延，在栅极上形成n—层；(d)通过刻蚀和欧姆接触，引出栅极、阴极和阳极。具体实施方式本发明的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其较佳的具体实施方式如图l所示，将图l(c)中现有技术中的第二次外延用硅-硅直接键合技术取代。具体包括步骤l、在第一n型硅片上进行第一次外延，生长阳极区域P+;步骤2、进行选择性离子注入和扩散，形成栅区P+;步骤3、取第二n型硅片，并通过硅-硅直接键合，在栅极上形成rT层，第二n型硅片与第一n型硅片的晶向可以相同，便于键合，根据需要也可以选用不同的晶向。步骤4、通过刻蚀和欧姆接触，引出栅极、阴极和阳极。上述的步骤3具体包括首先，对第二n型硅片和第一n型硅片进行预处理，预处理包括对硅片进行抛光处理，并对抛光后的硅片进行亲水处理。然后，对预处理过的第二n型硅片和第一n型硅片进行退火处理。退火处理可以在780820°C、Ar气氛中退火2535分钟，如在800。C、Ar气氛中退火30分钟，根据需要也可以选择其它的退火温度和条件。之后，对退火处理过的第二n型硅片与第一n型硅片进行键合操作，键合操作可以在低温下进行，如室温或略高于室温。键合过程中，第二n型硅片与第一n型硅片的的基准面对齐角度可以小于等于O.5度。上述歩骤2完成之后，第一n型硅片可以在氮气环境下随炉冷却至室温，以便退火消除变形。本发明中，通过SDB(硅-硅直接键合工艺)制作SITH，通过键合的方法代替二次外延生长工艺，解决外延层的质量问题，从而可以提高栅-阴极击穿电压。SDB技术将两硅片通过高温退火处理后可直接键合在一起，中间不需任何粘结剂，也不需外加电场，工艺简单。具体实施例的实现过程是如图1所示，在完成图l中(a)、(b)两步后，另取一n型硅片，掺杂浓度为107cm3，晶向为(111)，这是为了与待键合的硅片在晶向上保持一致，然后将两片硅片先进行键合前的预处理，具体是将抛光好的硅片进行亲水处理。然后，在室温下使两个亲水的抛光面键合在一起。由于键合前，硅片通常需经过大于90(TC的高温处理，通常是采用110(TC数个小时，可以想象，这种长时间高温环境对杂质的控制是不利的。为此，在键合前，首先将硅片在高温下先进行退火，可以在80(TC、Ar气氛中退火30分钟，这样，在退火过程中，硅片表面的碳氢化合物已被解吸附，然后再进行正常的低温键合。两硅片进行键合时，键合界面晶格的连续性与硅片衬底的取向、两硅片的对准程度有关，对于两个同样晶向的硅片的键合，若两硅片的基准面对齐(角度小于0.5度)，则键合界面就像硅片外延生长时的界面一样，而且界面几乎不存在晶格缺陷。同时，对于(111)硅片的键合，界面将存在几纳米厚的非晶层，非晶层会补偿两键合片的晶格失配。键合完成后，将键合的硅片进行研磨和化学机械抛光等减薄处理，最后估计剩下厚度为2024um的平整的抛光面，此时硅膜透明，可以在显微镜下看到扩散形成的栅区图形；之后，依次进行采用与埋栅型SITH—样的工艺，光刻阴极区和限场环；台面腐蚀，腐蚀出栅电极的金属化窗口；引线、封装、测试等步骤。本发明的测试结果与分析所制得的SDB-SITH，阴极区厚度为20um左右，在阳极不加电压的情况下，栅阴极的击穿电压测试结果如表l所示。表l.SDB-SITH栅阴极击穿电压测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage0</column></row><table>可以看出，各样品的击穿电压均在60V以上，可以满足SITH正向阻断态下对栅极所加反向电压幅值的要求。各样品执行的是相同的工艺，但从表1可知，各样品之间栅阴极击穿电压的数值有一定的差别，经分析，认为是由于键合前的硅片，在扩散形成栅区时经历的高温所引起的；一般来说，电力电子器件需要在高温环境下(IIOO'C以上)较长时间(6小时)的扩散，以得到深结；这样一来，长时间的高温环境会使硅片发生变形，从而影响键合的强度；经过测试发现，样品3和样品6虽然其栅阴极击穿电压非常高，但键合强度非常差，这是是硅片变形较严重所导致的结果。为克服这种问题，本发明增加了一步工艺，即在硅片扩散结束后，在氮气环境下将扩散炉缓慢降温进行退火；另外，在键合时，适当增加了压力，通过以上工艺的调整，所制样品的栅阴极击穿电压数值保持了一致，相互之间的差别控制在了5%之内。本发明用硅-硅直接键合(SDB)工艺替代静电感应晶闸管(SITH)中的二次外延，有效地提高了栅阴极击穿电压，增强了通过栅极正向阻断阳极电压的能力；并对键合过程中硅-硅界面进行了研究，提出了提高界面质量的工艺措施；同时给出了控制栅阴极击穿电压一致性的方法。采用硅-硅直接键合技术制作SITH时，在键合前，对己经受高温扩散处理的硅片，由于其经历的高温环境，会导致表面变形，从而影响所制成器件的电学性质，为此，对这些硅片，先进行氮气氛下的慢降温退火处理，然后在键合时施加一定的压力，则保证了键合的效果，键合后所形成的SDB-SITH，表现出与常规SITH相一致的电学特性，可以代替常规SITH中的二次外延，提高SITH的栅阴极击穿电压。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。权利要求1、一种硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，包括步骤A、在第一n型硅片上进行第一次外延，生长阳极区域P+；B、进行选择性离子注入和扩散，形成栅区P+；C、取第二n型硅片，并通过硅-硅直接键合，在栅极上形成n-层；D、通过刻蚀和欧姆接触，引出栅极、阴极和阳极。2、根据权利要求l所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述的步骤C包括首先，对所述第二n型硅片和第一n型硅片进行预处理；然后，对所述预处理过的第二n型硅片和第一n型硅片进行退火处理；之后，对所述退火处理过的第二n型硅片与第一n型硅片进行键合操作。3、根据权利要求2所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述的预处理包括对所述硅片进行抛光处理，并对抛光后的硅片进行亲水处理。4、根据权利要求2所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述的退火处理包括在78082(TC、Ar气氛中退火2535分钟。5、根据权利要求4所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为800。C、时间为30分钟。6、根据权利要求2所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述的键合操作在室温下进行。7、根据权利要求l或2所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述的第二n型硅片与第一n型硅片的晶向相同。8、根据权利要求l、2或6所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述键合过程中，所述第二n型硅片与第一n型硅片的的基准面对齐角度小于等于0.5度。9、根据权利要求l所述的硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，其特征在于，所述的步骤B完成之后，所述第一n型硅片在氮气环境下随炉冷却至室温。全文摘要本发明公开了一种硅-硅直接键合制作静电感应晶闸管的方法，用硅-硅直接键合工艺替代静电感应晶闸管制作中的二次外延，并提出了提高键合界面质量的工艺措施，同时给出了控制栅阴极击穿电压一致性的方法。在键合前，对已经受高温扩散处理的硅片，先进行氮气氛下的慢降温退火处理，并在键合前在800℃、Ar气氛中退火30分钟，然后在键合时施加一定的压力，保证了键合的效果，有效地提高了栅阴极击穿电压，增强了通过栅极正向阻断阳极电压的能力。文档编号H01L21/332GK101404255SQ200810114179公开日2009年4月8日申请日期2008年5月30日优先权日2008年5月30日发明者姜岩峰申请人:北方工业大学