U型蚀刻直角台面硅二极管及其硅芯和制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种U型蚀刻直角台面硅二极管及其硅芯和制备方法。制备方法包括如下步骤：1)在N?型(110)晶面硅单晶片的正、反两表面分别同时扩散入P+型和N+型杂质，得到P+N?N+型硅扩散晶圆片；2)在P+N?N+型硅扩散晶圆片的正、反面镀上镍层；3)在P+N?N+型硅扩散晶圆片的正、反面涂上抗腐蚀胶，N+面上开启井字形腐蚀槽窗口；4)用硅各向异性择优腐蚀液对硅扩散晶圆片的N+面井字形腐蚀槽窗口进行化学腐蚀，获得U型蚀刻直角台面P+N?N+型硅芯；5)对U型蚀刻直角台面P+N?N+型硅芯进行去胶、锯切、焊接、清洗、台面钝化、压模成型，封装成硅二极管。本发明制造工艺简化，低成本，易于规模生产，产品性价比较高，产生显著经济效益。
【专利说明】
U型蚀刻直角台面硅二极管及其硅芯和制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体器件的制造，尤其涉及一种U型蚀刻直角台面硅二极管及其硅芯和制备方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，硅二极管是最重要的基础元器件，在电子电路应用中，PN结的反向击穿电压Vb和器件正向压降Vf为硅二极管两个最重要的电性能参数，它们都与制造器件原材料硅单晶的电阻率直接相关。所用硅单晶的电阻率越高，二极管PN结的反向击穿电压Vb越高，器件正向压降Vf越大。高压电子电路工作时要求硅二极管既能承受高反向工作耐压，同时具有尽可能低的器件正向压降VF，二者之间存在着矛盾，须极力化解之。目前的常规制造硅二极管硅芯直角台面的方法通常是:直接将硅扩散晶圆片进行锯切获得，然后对台面进行化学腐蚀以去除锯切造成的台面机械损伤。该方法获得的直角台面畸形不规则，容易导致低电压击穿。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种U型蚀刻直角台面硅二极管硅芯。本发明所采用的具体技术方案如下:
U型蚀刻直角台面硅二极管硅芯，由下到上分别为P+型杂质扩散层、原始硅单晶N-型层和N+型杂质扩散层，硅芯侧面的台面呈直角，所述的直角台面为完整光滑的平面。本发明中所述的完整光滑是指直角台面的侧面光滑平直，硅晶格结构完整，不会出现直接锯切再经化学腐蚀后造成的畸形不规则台面。
[0004]作为优选，所述的直角台面是由各向异性择优化学腐蚀获得。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种制备所述硅芯的硅扩散晶圆片，由下至上依次为P+型杂质扩散层、原始硅单晶N-型层、N+型杂质扩散层、镍层和抗腐蚀胶层，所述的镍层和抗腐蚀胶层上开设有井字形腐蚀槽窗口，井字形腐蚀槽窗口贯通至N+型杂质扩散层上表面。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种所述硅芯制备的U型蚀刻直角台面硅二极管，所述的P+型杂质扩散层连接二极管正极，N+型杂质扩散层连接二极管负极。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法，它的步骤如下:
1)在N-型的(110)晶面硅单晶片的正面扩散入P+型的硼半导体杂质，同时反面扩散入N+型的磷半导体杂质，得到P+N-N+型硅扩散晶圆片；
2)在P+N-N+型娃扩散晶圆片的正面和反面链上银层；
3)在P+N-N+型硅扩散晶圆片的正面和反面镍层之上涂上抗腐蚀胶，在N+面上通过锯切抗腐蚀胶层及镍层，开启贯通至N+型杂质扩散层上表面的井字形腐蚀槽窗口；
4)使用硅各向异性择优腐蚀液对N+面井字形腐蚀槽窗口进行超声振动化学腐蚀反应，上述腐蚀反应仅沿纵向进行而横向自动停止，从而获得U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯；
5)对U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯进行去胶、锯切、焊接、清洗、台面钝化和压模成型，封装成硅二极管。
[0008]作为优选，所述的步骤I)中的N-型的(110)晶面硅单晶片具有(111)晶向的定位标志线。
[0009]作为优选，所述的步骤3)中的N+面上开启的腐蚀槽窗口中，井字形各条边分别平行或垂直于硅单晶片(111)晶向的定位标志线。
[0010]作为优选，所述的井字形腐蚀槽窗口采用自动锯切去除抗腐蚀胶层和镍层的开启方法，所选用的划片刀的刃口宽度为200um。
[0011]作为优选，所述的步骤4)中的硅各向异性择优腐蚀液以重量比计的组成为:Κ0Η:H2O = 1:10，化学腐蚀反应温度为90?95 °C。
[0012]本发明并非只靠提高硅单晶电阻率以求获得硅二极管高反向工作耐压，而是通过在硅二极管PN结的终端造型与硅晶格完整上挖潜力，同时收到有效改善硅二极管反向工作耐压和降低器件正向压降的理想效果。具体做法是将硅二极管PN结边界制作成U型蚀刻直角台面结构型式，目的在于PN结边界获得规则的直角台面和尽可能完整的硅晶格结构，如此使PN结边界具有与PN结中心体内相同宽厚的空间电荷层(有关原理详见后述)，结果使PN结边界范围的反向电压电场强度保持与PN结中心体内的电场强度相同，这一点意义重大，因为只要是在PN结内部或结边界上存在某一处的电场陡然急增达到临界值，旋即发生PN结反向电压雪崩击穿。理论及实践证实，在承受相同的反向工作电压情形下，相比图4所示的普通锯切成型所得到直角台面PN结之非规则结构，把硅PN结边界制成U型蚀刻直角台面可基本上扭转硅二极管反向工作时在PN结边界上时而首发低反向电压雪崩击穿乃至毁损电子电路的被动局面，确保二极管PN结的反向击穿电压Vb保持达到一个较理想的平均水平。由于本发明制造的硅PN结边界具有U型蚀刻直角台面结构，使硅二极管PN结反向击穿电压Vb指标之实现基本上取决于PN结中心内部反向电压雪崩击穿水平的理想情形，于是本发明在设计器件时只需考虑合理地选取硅材料电阻率的理论值参数即可，而无需留额外裕量，如此则又兼顾达到降低器件正向压降Vf之目标，正是一举两得。
[0013]下面说一说什么是“U型蚀刻直角”？参见图2，图中所表示的是本发明制造的P+N-N+型硅芯的一个截面，显而易见，截面的PN结边界线与水平底面之间的夹角为U型蚀刻而成的直角，故而又称图2的P+N-N+型硅芯为直角台面结构。
[0014]以下介绍本发明是如何制作U型蚀刻直角台面的。众所周知，硅单晶体存在三个晶向，分别称作(111)、(110)、(100)晶向，与以上晶向相垂直的有关各个面分别称作{111}、{100},{110}系列晶面，硅原子结构的研究指出:在硅单晶体中，数(I 11)晶面的硅原子密度为最高，(110)晶面的硅原子密度为最低，若使用KOH溶液作硅的腐蚀剂，则在(111)晶向上的腐蚀速率为最低，低到还不到(110)晶向方向上腐蚀速率的十分之一，故而又称此现象为硅的各向异性择优腐蚀。有意思的是，当KOH溶液从(110)晶面表面的井字形槽窗口逐步腐蚀硅单晶片时，化学反应最终将自动停止在侧壁上，所获得的”U”型腐蚀槽四侧壁皆为(111)晶面，如图2所示。特别指出，为获得规则的”u”型槽，首先(110)晶面硅单晶片必须按(111)晶向严格定位，其次在硅片表面开启的井字形待腐蚀槽窗口各条边必须与硅的(111)晶向定位线垂直或平行。图1示意性形象地给出了(110)晶面硅圆片与(111)晶面的相交线(以虚线表示)，对比看图1和图2就会发现，图2所示的P+N-N+型硅芯的U型台面之直角(U槽底角)即等同于图1所示的硅(111)晶面与(110)晶面相交所成的直角。
[0015]下面叙述因何硅芯PN结选用了 U型蚀刻直角台面就能提高硅PN结的反向击穿电压Vb的问题，半导体PN结的基本原理指出:当在某一种导电类型(N型或P型)的原始硅单晶片中掺入异形导电(P型或N型)的半导体杂质时，在两种异型导电杂质区的交界面瞬间即形成PN结，这是由于在半导体内所掺入的杂质的浓度分布由表及里存在着浓度梯度，如此便导致半导体载流子(电子和空穴)顺杂质浓度梯度方向的扩散运动，以及与之同时引发的载流子顺着PN结自建电场方向的漂移运动，两种运动相互作用并趋于平衡，结果在PN结中心建立起空间电荷区，参见图3。空间电荷区中靠P区一侧是负固定电荷，靠N区一侧是正固定电荷，正固定电荷和负固定电荷在数量上相等。此时从正固定电荷层到负固定电荷层之间即产生PN结自建电场E，方向由正固定电荷层指向负固定电荷层，结果PN结处于平衡稳定状态。其后当外部电路向PN结施加反向电压时，PN结原先的平衡被打破，外加电压电场驱动硅中载流子作漂移运动的结果，增厚了空间电荷区，于是PN结内的电场强度随之增大，最终PN结内部电场增大到完全抵御外加电压的作用时为止，PN结达到新的平衡。此即意味着PN结的空间电荷区越宽，PN结能承受的反向工作电压将越高。而如果PN结的空间电荷区的某一处变窄或发生任何畸变，参见图4，则必然导致该处的固定电荷过于拥挤和高度集中，那么此处PN结内的电场强度随之陡增，就将因为局部区域电场急升至临界值而发生低电压雪崩击穿，这可是我们最不希望看到的，正因为是不在人们预计的范围内就过早地突发低电压雪崩击穿，其隐患更大。显而易见，图3中的U槽是通过均匀的化学腐蚀反应获得的，槽壁台面平直且光滑，基本确保硅晶格完整性，于是使PN结台面边界上的空间电荷层宽度W保持处处均匀，其结果正如我们所希望的那样，由于PN结U型蚀刻直角台面边界上的反压电场强度因此也处处均匀一致，此对于防止和避免PN结的边界比结中心内部往往更易频发反向电压雪崩击穿的现象起到关键性作用。我们知道，只有当PN结的边界安全了，才能确保PN结安全可靠地达到由体内中心反向击穿电压Vb指标所决定的理论耐压水平。其实PN结U型蚀刻直角台面的技术早在30多年前就已经开始在半导体器件制造业中得到应用，不同的是所制备的U型蚀刻直角台面都是设在器件PN结的中心处，并非用于PN结的边界终端造型上，而且纯粹是从提高硅芯片面积利用率、集成度和器件电流密度方面出发。为便于比较鉴别，在此特意就当前常规制造直角台面开放式PN结硅二极管的工艺与产品特点作一个说明，重点关注的是在制得P+N-N+型娃扩散晶圆片后，常规获取直角台面的做法是按娃芯大小规格要求直接将扩散片锯切成一个个正方形芯片，因芯片的侧向锯切面完全暴露在外，且与芯片表平面成直角，故而又被称为直角台面开放式PN结硅芯。此制造方法最大缺点是硅芯锯切口深(贯穿整个硅片厚度)，由于用的锯切力大，就必然对硅芯四侧台面的PN结边界造成异常程度之机械损伤，特别是一些垂直于台面的深晶界裂缝缺陷，必须予以彻底清除。常规的方法是利用混酸腐蚀去除台面上约100微米以上的表层。其时若在PN结边界范围内存在任何一丁点不符合上述要求之处，则PN结必定呈现低、軟电压击穿特性，即在极低反向电压下，PN结即出现异常的反向大漏电，致使产品报废。然而上述的直角台面酸腐蚀超过量了也不行，酸的过腐蚀，所带来的不良后果不仅仅是使芯片面积缩小、器件电流容量降低和正向压降增大而已，而是使PN结直角台面因此变得异常不规则，参见图4，先前由锯切而成的直角如今成了凹面形，甚至形成PN结局部边界上的负斜角。负斜角是要起负面影响的，判断PN边界是不是负斜角，其依据是看PN结轻掺杂N-区侧的截面积是否在离结中心方向上渐趋增大，图4的P+N-N+型硅芯截面自PN结中心开始往上的截面积的确是趋于增大的，呈现负斜角台面形貌，于是据PN结电中性原理，处于负斜角范围内的N-区侧边界的正固定电荷分布将朝结中心方向缩进，致使该局部区域的空间电荷层变窄，自然而然出现PN结局部边界上电场过度集中的异常情形，从而引发PN结低反向电压雪崩击穿，进而损坏电路。
[0016]本发明的优点是工艺简化，低成本，易于实现规模生产，产品性价比较高，产生显著经济效益。
【附图说明】
[0017]图1为硅单晶体(111),(110)晶面相交的硅原子结构示意图；
图2为U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯截面图；
图3为U型蚀刻直角台面PN结反向工作电压下空间电荷层分布；
图4为普通(111)晶面硅片锯切成型的直角台面PN结反向工作电压下空间电荷层分布。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0019]本发明的U型蚀刻直角台面硅二极管解决了常规直角台面硅二极管PN结边界上频发反向电压雪崩击穿损坏电子电路的问题，克服当前普通硅二极管制造技术方面存在之不足。
[0020]U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法的步骤如下:
I)在N-型的(110)晶面硅单晶片的正面扩散入P+型的硼半导体杂质，同时反面扩散入N+型的磷半导体杂质，得到P+N-N+型硅扩散晶圆片。硅单晶片的参数可根据实际需要进行选择。其中一种为单晶片电阻率为10?15 Ω.cm，厚度为255?260um。扩散温度为1265?1270°C，扩散时间为10?15小时，P+区结深为60um，N+区结深为65um，杂质表面浓度为12Vcm30[0021 ] 2)在P+N-N+型硅扩散晶圆片的正面和反面镀上镍层。
[0022]3)在P+N-N+型硅扩散晶圆片的正面和反面镍层之上涂上抗腐蚀胶，在N+面上通过锯切抗腐蚀胶层及镍层，开启贯通至N+型杂质扩散层上表面的井字形腐蚀槽窗口。井字形腐蚀槽窗口的一组边垂直于硅单晶片(111)晶向定位标志线，腐蚀槽窗口宽为200um。井字形腐蚀槽窗口采用自动锯切去除抗腐蚀胶层和镍层的开启方法，所选用的划片刀的刃口宽度为200um。
[0023]4)使用硅各向异性择优腐蚀液对N+面井字形腐蚀槽窗口进行超声振动化学腐蚀反应，上述腐蚀反应仅沿纵向进行而横向自动停止，从而获得U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯。硅各向异性择优腐蚀液以重量比计的组成为:KOH: H2O = 1:1O，化学腐蚀反应温度为90°C?95°C，加超声振动的化学腐蚀反应时间为10?15分钟，“U”形腐蚀槽深度为230?235微米。由此获得U型蚀刻直角台面硅二极管硅芯，该硅芯由下到上分别为P+型杂质扩散层、原始硅单晶N-型层和N+型杂质扩散层，硅芯侧面的台面呈直角，所述的直角台面为完整光滑的平面。
[0024]5)对U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯进行去胶、锯切、焊接、清洗、台面钝化、压模成型，封装成硅二极管。
[0025]实施例1
I)在N-型的(110)晶面硅单晶片的正面扩散入P+型的硼半导体杂质，同时反面扩散入N+型的磷半导体杂质，得到P+N-N+型硅扩散晶圆片。本实施例中采用的硅单晶片电阻率为15Ω.cm,厚度为260um。扩散温度为1270 °C，扩散时间为1小时，P+区结深为60um，N+区结深为65um，杂质表面浓度为12Vcm3。
[0026]2)在P+N-N+型硅扩散晶圆片的正面和反面镀上镍层；
3)在P+N-N+型硅扩散晶圆片的正面和反面镍层之上涂上抗腐蚀胶，在N+面上通过锯切抗腐蚀胶层及镍层，开启贯通至N+型杂质扩散层上表面的井字形腐蚀槽窗口。井字形腐蚀槽窗口的一组边垂直于硅单晶片(111)晶向定位标志线，腐蚀槽窗口宽为200um。
[0027]4)使用硅各向异性择优腐蚀液对N+面井字形腐蚀槽窗口进行超声振动化学腐蚀反应，上述腐蚀反应仅沿纵向进行而横向自动停止，从而获得U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯。硅各向异性择优腐蚀液以重量比计的组成为:KOH: H2O = 1:1O，化学腐蚀反应温度为95°C，加超声振动的化学腐蚀反应时间为15分钟，“U”形腐蚀槽深度为235um。
[0028]5)对U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯进行去胶、锯切、焊接(P+型杂质扩散层连接二极管正极，N+型杂质扩散层连接二极管负极)、清洗、台面钝化和压模成型，封装成硅二极管。
[0029]以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种U型蚀刻直角台面硅二极管硅芯，其特征在于由下到上分别为P+型杂质扩散层、原始硅单晶N-型层和N+型杂质扩散层，硅芯侧面的台面呈直角，所述的直角台面为完整光滑的平面。2.如权利要求1所述的U型蚀刻直角台面硅二极管硅芯，其特征在于所述的直角台面是由各向异性择优化学腐蚀获得。3.—种制备权利要求1所述硅芯的硅扩散晶圆片，其特征在于由下至上依次为P+型杂质扩散层、原始硅单晶N-型层、N+型杂质扩散层、镍层和抗腐蚀胶层，所述的镍层和抗腐蚀胶层上开设有井字形腐蚀槽窗口，井字形腐蚀槽窗口贯通至N+型杂质扩散层上表面。4.一种权利要求1所述硅芯制备的U型蚀刻直角台面硅二极管，其特征在于，所述的P+型杂质扩散层连接二极管正极，N+型杂质扩散层连接二极管负极。5.—种U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法，其特征在于它的步骤如下: 1)在N-型的(110)晶面硅单晶片的正面扩散入P+型的硼半导体杂质，同时反面扩散入N+型的磷半导体杂质，得到P+N-N+型硅扩散晶圆片； 2)在P+N-N+型娃扩散晶圆片的正面和反面链上银层； 3)在P+N-N+型硅扩散晶圆片的正面和反面镍层之上涂上抗腐蚀胶，在N+面上通过锯切抗腐蚀胶层及镍层，开启贯通至N+型杂质扩散层上表面的井字形腐蚀槽窗口； 4)使用硅各向异性择优腐蚀液对N+面井字形腐蚀槽窗口进行超声振动化学腐蚀反应，上述腐蚀反应仅沿纵向进行而横向自动停止，从而获得U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯； 5)对U型蚀刻直角台面P+N-N+型硅芯进行去胶、锯切、焊接、清洗、台面钝化和压模成型，封装成硅二极管。6.根据权利要求5所述的一种U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法，其特征在于所述的步骤I)中的N-型的(110)晶面硅单晶片具有(111)晶向的定位标志线。7.根据权利要求5所述的一种U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法，其特征在于所述的步骤3)中的N+面上开启的腐蚀槽窗口中，井字形各条边分别平行或垂直于硅单晶片(111)晶向的定位标志线。8.根据权利要求5所述的一种U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法，其特征在于所述的井字形腐蚀槽窗口采用自动锯切去除抗腐蚀胶层和镍层的开启方法，所选用的划片刀的刃口宽度为200umo9.根据权利要求5所述的一种U型蚀刻直角台面硅二极管的制备方法，其特征在于所述的步骤4)中的硅各向异性择优腐蚀液以重量比计的组成为:KOH: H2O = 1:1O，化学腐蚀反应温度为90?95 °C。
【文档编号】H01L29/06GK106098791SQ201610439122
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】陈福元, 胡煜涛, 毛建军, 任亮, 苏云清, 虞旭俊
【申请人】杭州赛晶电子有限公司