掩膜版高精度遮挡半导体芯片门极图形真空镀薄膜加工工艺的制作方法

本发明涉及功率半导体器件制造技术领域，尤其涉及大功率晶闸管半导体芯片真空镀薄膜接触工艺。

背景技术：

众所周知，在大功率晶闸管半导体芯片中，存在三个电极：阳极、阴极和门极。给门阴级之间加一个正的触发信号，可以控制晶闸管的导通；给门阴极之间加一个负的触发信号，可以控制晶闸管的关断。门极和阴极处于半导体芯片的同一面内，两者都集成了半导体集成电路元件,集成电路元件表面处需要覆盖金属薄膜，金属薄膜作为内部电极的欧姆接触和集成电路元件之间的引线。门极集成电路元件表面处覆盖的金属薄膜和阴极集成电路元件表面处覆盖的金属薄膜之间必须实现隔离，隔离分为横向和纵向隔离。横向隔离是指在硅平面内门极与阴极金属薄膜之间要断开；纵向隔离是指阴极与门极之间的金属薄膜之间存在高度差，将来封装在管壳内，使门极悬空于半导体器件管壳内。需要指出的是：不论是横向隔离，还是纵向隔离，隔离间距很小，否则会劣化器件的性能。

现有的大功率晶闸管半导体芯片的门极和阴极隔离技术有光刻台阶法和封装垫银片法。光刻台阶法就是利用真空二次镀膜、二次光刻，二次化学腐蚀的原理形成阴极和门极横向20μm的隔离技术和纵向7μm的金属薄膜高度差隔离技术，将来封装在管壳内形成门极悬空状，实现门阴极有效隔离。这种技术的优点有：采用光刻掩膜版、化学腐蚀技术，光刻后线条精细、门阴极横向隔离间距小、精度高；纵向两次真空镀薄膜法纵向隔离间距小、精度高。缺点有：

1、二次真空镀薄膜、二次光刻、二次化学腐蚀工艺复杂、工艺过程不受控，而且生产周期长、浪费原材料严重。

2、由于第二次真空镀薄膜是在第一次光刻、第一化学腐蚀后工艺基础上进行的。第一次光刻、第一化学腐蚀工艺多采用光刻胶、强酸、强碱等化工材料，极易造成半导体芯片及第一次真空镀膜层的污染，如果第二次真空镀薄膜前处理不干净，极易造成第二次金属薄膜起泡、脱落、缺膜，严重影响器件性能。

3、多次使用光刻掩膜版、化学腐蚀工艺会增加工艺难度，会引入累积误差，使门阴极隔离不能可靠地受控，使成品率明显下降。

以上三条缺陷，严重劣化大功率晶闸管的性能、降低生产成品率，浪费原材料，增加了工艺难度。造成工艺不受控。

封装垫银片法是一种非常粗糙的工艺方法，就是通过一次真空镀薄法、一次光刻、一次化学腐蚀方法实现门极和阴极横向20μm间距的有效隔离；然后在阴极面上垫1mm左右厚度的银片，形成阴极和门极的1mm的高度差，压封在管壳内，实现了阴极和门极横向20μm的隔离间距和纵向1mm的高度差的门阴极悬空隔离状态，实现了门阴极之间有效隔离。这种技术的优点有：横向采用光刻法，光刻后线条精细、门阴极横向隔离间距小、精度高；工艺简单。缺点是：纵向银片不可能做的加工很薄，因此纵向隔离间距很宽，而且由于银片与金属薄膜层之间是层与层的的接触，而不是原子间亲密接触，所以两层之间不能形成良好的欧姆接触，会造成纵向电阻大、瞬态热阻抗大，严重影响器件性能；严重时银片还可能发生跑位，与门极金属薄膜发生短路，造成晶闸管烧毁。目前4英寸以上大功率晶闸管门阴极隔离技术，多采用光刻台阶法。

技术实现要素：

本发明提供一种掩膜版高精度遮挡半导体芯片门极图形真空镀薄膜加工工艺。

本发明的技术解决方案是：一种掩膜版高精度遮挡半导体芯片门极图形真空镀薄膜加工工艺，包括下述步骤：

A：将半导体芯片(9)放入体积比1:100的氢氟酸混合液ACF和氨水：双氧水：纯水体积比为1：2：5的1#号清洗液中清洗干净，然后将其放入200±2℃充氮气烘箱内，将其烘干；然后将半导体芯片(9)中的中心门极图形(1)及放大门极图形(3)与强力磁铁(11)图形高精度对准，强力磁铁(11)是镶嵌在模具(13)中，台面图形(6)四周设有档环(12)，利用固定梢(14)将台面档环(12)与模具(13)固定，然后将门极掩膜版(10)与半导体芯片(9)上的门极图形(1)及放大门极图形(3)高精度对准，放于半导体芯片(9)表面上；利用强力磁铁(11)隔半导体芯片(9)强力吸附门极掩膜版(10)作用，使门极掩膜版(10)与半导体芯片(9)相对位置固定，至此完成了门极掩膜版(10)高精度掩蔽半导体芯片(9)上的中心门极图形(1)及放大门极图形(3)；

B：将半导体芯片(9)连同门极掩膜版(10)和耐高温强力磁铁(11)整套装置装入真空镀膜机的行星盘中，注意门极掩膜版(10)与半导体芯片(9)相对位置在行星盘行进中不能发生偏离；在真空条件下，金属铝被激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，当遇到带有门极掩膜版(10)和档环(12)的半导体芯片(9)时，会均匀沉积在半导体芯片(9)的表面上和门极掩膜版(10)及档环(12)上，半导体芯片(9)上的阴极图形(5)沉积第一次金属膜(8)，沉积的厚度为20μm±2μm；然后将半导体芯片(9)、门极掩膜版(10)、档环(12)和高温强力磁铁(11)一套卸下，此时半导体芯片(9)只有阴极图形(5)保留了一层第一次金属膜(8)，中心门极图形(1)、放大门极图形(3)和台面图形(6)由于门极掩膜版(10)和档环(12)的遮档作用，并未沉积到金属薄膜，此时完成了阴极图形(5)第一次镀薄膜工艺；

C：将经过第一次镀膜工艺后的半导体芯片(9)的台面图形(6)继续用档板(12)遮档，并利用固定梢(14)将台面档环(12)与模具(13)固定，继续装入真空镀膜机的行星盘中，在真空条件下，进行二次镀薄膜，此时半导体芯片(9)的中心门极图形(1)及放大门极图形(3)、阴极图形(5)的第一次金属膜(8)、档环(12)又均匀镀了第二层金属膜(7)，第二层金属膜(7)的厚度为7μm±2μm，此时由于没有门极掩膜版(10)的遮档作用，中心门极图形(1)及放大门极图形(3)也被镀有一层金属膜(7)，整个阴极图形(5)金属薄膜和放大门极图形(3)金属膜膜层之间形成了20μm±2μm的高度差，而台面图形(6)由于档环(12)的遮档作用，并未沉积上第二层金属膜(7)；

D:将经过两次镀薄膜后的半导体芯片(9)传入光刻工艺，作线条的精确刻蚀工艺，将第二层金属膜(7)隔离成中心门极图形(1)金属膜、放大门极图形(3)金属膜和阴极图形(5)金属膜，然后去掉光刻胶，中心门极图形(1)金属膜和放大门极图形(3)金属膜通过隔离线条(2)隔断；放大门极图形(3)金属膜和阴极图形(5)金属膜通过隔离线条(4)隔断，形成独立的阴极结构和门极结构；至此完成了半导体芯片阴极图形和门极图形及放大门极图形镀薄镆工艺。

金属膜(7)电阻率为223±5Ω/m，热导率为236±6W/mK，材料为99.999％的AL元素,其厚度为7μm±2μm。

金属膜(8)电阻率为223±5Ω/m，热导率为236±6W/mK，材料为99.999％的AL元素,其厚度为20μm±2μm。

中心门极图形(1)金属膜与放大门极图形(3)金属膜之间的横向间距(2)为20μm±2μm。

放大门极图形(3)金属膜与阴极图形金属膜(5)之间的横向间距(4)20μm±2μm。

门极掩膜版(10)必须精确对准半导体芯片(9)的中心门极图形(1)及放大门极图形(3),门极掩膜版(10)周界比半导体芯片(9)的中心门极图形(1)和放大门极图形(3)偏大100μm±10μm；强力磁铁(11)图形隔半导体芯片(9)处于门极掩膜版(10)正下面，强力磁铁(11)图形比门极掩膜版(10)图形大100μm±10μm；强力磁铁(11)材料为钐钴磁铁；门极掩膜版(10)材料为镍锌不锈钢材料；模具(13)、台面档环(12)和固定销(14)均为99.999％的铜材料。

本发明的有益效果是：本发明提供一种全新的半导体芯片真空镀薄膜工艺加工途径，采用镍锌材料的掩膜板将半导体芯片门极图形高精度遮挡，利用钐钴耐高温强力磁铁在半导体阳极面隔半导体芯片将掩膜板强力吸附作用，使掩膜板与半导体芯片相对位置固定，进行半导体芯片高精度门极图形遮挡法第一次真空镀薄膜；然后卸掉掩膜板和耐高温磁铁，进行半导体芯片表面的第二次真空镀薄膜，此时在阴极区域和门极区域膜层形成了一定的高度差，然后再利用光刻掩膜版法精细刻蚀线条技术，将第二次薄膜横向精细隔离。至此完成了半导体芯片门极和阴极精确的隔离技术。

本发明省去了光刻台阶法中一次光刻、一次化学腐蚀、二次真空镀薄膜前的清洗工艺，有效解决了二次镀薄膜后，半导体芯片与二次膜之间、两层膜之间氧化、污染、起泡、脱落、缺膜等工艺难题，不能形成良好的欧姆接触技术的问题；同时也解决了封装垫银片法中银片太厚，银片与金属薄膜层之间不能形成良好的欧姆接触，造成纵向接触电阻大、瞬态热阻抗大，严重劣化器件性能的问题。

本发明一次真空镀薄膜采用高精度掩膜版门极图形遮挡法，利用耐高温强力磁铁在半导体阳极面隔半导体芯片将门极掩膜板强力吸附作用，使门极掩膜板与半导体芯片相对位置固定，进行第一次真空镀薄膜；然后卸掉门极掩膜板和高温强力磁铁进行第二次真空镀薄膜，此时两层膜层之间、半导体芯片表面与二次金属膜层之间为无污染，亲密接触，形成了优良的欧姆接触。然后再经过光刻精细刻蚀工艺技术将门极和阴极横向和纵向的精确的隔离技术。

很明显，采用此工艺技术方案省略了光刻台阶法中一次光刻和一次腐蚀工艺，也就省略了光刻台阶法中第二次真空镀薄膜前半导体芯片光刻、腐蚀、清洗工艺，由此也不会造成两层薄膜之间接触不良，形成了良好的欧姆接触；节约了封装垫银片法中垫银片工艺，由此解决了封装垫银片法中银片太厚，银片与金属薄膜层与层接触问题，不是欧姆接触技术，银片与镀层相对滑动，易引起门极和阴极短路等技术问题。可见本发明具有工艺方法简单、生产周期短、生产精度高、可靠易控制、节约原材料、器件性能优越、产品成品率高等优点。

附图说明

附图1为本发明管芯平面结构示意图。

附图2为本发明管芯剖面结构示意图。

附图3为门极掩膜版、半导体芯片、档环和强力磁铁装配结构示意图。

附图4为完成第一次真空镀膜半导体芯片结构示意图。

附图5为档环、半导体芯片和模具装配结构示意图。

附图6为完成第二次真空镀膜半导体芯片结构示意图。

附图7为光刻、腐蚀第二次金属薄膜，形成阴极、门极集成电路引线结构示意图。

具体实施方式

如图1～7所示，大功率晶闸管半导体器件包括半导体芯片9，半导体芯片9上设有中心门极图形1、放大门极图形3、阴极图形5和台面图形6。第一层金属膜8分布在半导体芯片9上的阴极图形5上；第二层金属膜7分布在半导体芯片9上的中心门极图形1及放大门极图形3与阴极图形5的第一层金属膜8上；中心门极图形1金属膜和放大门极图形3金属膜通过隔离线条2隔断；放大门极图形3金属膜和阴极图形5金属膜通过隔离线条4隔断，可见阴极图形5金属膜由第一层金属膜8和第二层金属膜7组成；第二层金属膜7与半导体芯片9上的中心门极图形1及放大门极图形3具有良好的欧姆接触；第一层金属膜8与半导体芯片9上的阴极图形5具有良好的欧姆接触；金属膜7与金属膜8两层为同种金属接触，具有欧姆接触的特性。

一种掩膜版高精度遮挡半导体芯片门极图形真空度薄膜加工工艺，包括下述步骤：

A：将半导体芯片9放入体积比1:100的氢氟酸混合液ACF和氨水：双氧水：纯水体积比为1：2：5的1#号清洗液中清洗干净，然后将其放入200±2℃充氮气烘箱内，将其烘干；然后将半导体芯片9中的中心门极图形1及放大门极图形3与强力磁铁11图形高精度对准，强力磁铁11材料为钐钴磁铁；强力磁铁11是镶嵌在模具13中，台面图形6四周设有档环12，利用固定梢14将台面档环12与模具13固定，模具13、台面档环12和固定销14均为99.999％的铜材料。然后将门极掩膜版10与半导体芯片9上的门极图形1及放大门极图形3高精度对准，放于半导体芯片9表面上，门极掩膜版10材料为镍锌不锈钢材料；门极掩膜版10周界比半导体芯片9的中心门极图形1和放大门极图形3偏大100μm±10μm；强力磁铁11图形隔半导体芯片9处于门极掩膜版10正下面，强力磁铁11图形比门极掩膜版10图形大100μm±10μm；利用强力磁铁11隔半导体芯片(9)强力吸附门极掩膜版10作用，使门极掩膜版10与半导体芯片9相对位置固定，至此完成了门极掩膜版10高精度掩蔽半导体芯片9上的中心门极图形1及放大门极图形3。如图3所示。

B：将半导体芯片9连同门极掩膜版10和耐高温强力磁铁11整套装置装入真空镀膜机的行星盘中，注意门极掩膜版10与半导体芯片9相对位置在行星盘行进中不能发生偏离。在真空度高于1×10^-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的AL源，金属铝AL被激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，当遇到挡有门极掩膜版10和挡环12的半导体芯片9时，会均匀沉积在半导体芯片9的表面上、门极掩膜版10和档环12上，半导体芯片9上的阴极图形5沉积第一次金属膜8，金属膜8电阻率为223±5Ω/m，热导率为236±6W/mK，材料为99.999％的AL元素,其厚度为20μm±2μm。然后将半导体芯片9、门极掩膜版10和高温强力磁铁11一套卸下，卸掉门极掩膜版10和高温强力磁铁11，此时半导体芯片9只有阴极图形5真空镀了一层第一次金属膜8，中心门极图形1、放大门极图形3及台面图形6由于门极掩膜版10和档环12的遮档作用，并未沉积金属薄膜，此时完成了阴极图形一次镀薄膜工艺。如图4所示。

C：将经过一次镀膜工艺后的半导体芯片9的台面图形6继续用档板12遮档，并利用固定梢14将台面档环12与模具13固定，继续装入真空镀膜机的行星盘中，在真空度高于1×10^-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的AL源，使AL源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，进行二次镀薄膜，此时半导体芯片9的中心门极图形1、放大门极图形3和阴极图形5的金属薄膜8又均匀镀了第二层金属膜7，台面图形6由于档环12的存在，并没有沉积第二次金属薄膜，第二层金属膜7电阻率为223±5Ω/m，热导率为236±6W/mK，材料为99.999％的AL元素,其厚度为7μm±2μm。此时由于没有门极掩膜版10的遮档作用，中心门极图形1及放大门极图形3也被镀有一层金属膜7，整个阴极图形5金属薄膜和放大门极图形3金属膜膜层之间形成了20μm±2μm的高度差。如图6所示。

D:将二次镀膜后的半导体芯片9传入光刻工艺，用光敏光刻胶，光刻掩膜版将门极图形、阴极图形刻蚀出来。浸入浓磷酸(65％)腐蚀液中，将阴极图形5金属膜与中心门极图形1金属膜和放大门极图形3金属膜隔离，放入浓硫酸(98％)硫化铵(5％)混和液中，去除光刻胶，烘干，形成独立的阴极结构和门极结构。中心门极图形1金属膜与放大门极图形3金属膜之间的横向间距2为20μm±2μm。放大门极图形3金属膜与阴极图形5金属膜之间的横向间距4为20μm±2μm。如图7所示。

本发明工艺简单、可行,易操作，若通过多次、复杂、繁琐的光刻、腐蚀、清洗等工艺方法，理论上也可达到工艺目的，但易造成生产成本的提高、生产周期延长、工艺不受控、工艺缺陷几率成倍增加等负面影响。