用硅单晶薄片制造晶体管的方法
【专利摘要】本发明公开了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；2）每片抛光硅片均进行N+或P+预扩；3）使上述2片预扩后的抛光硅片正面两两正对后进行室温键合，将键合硅片组放到高温炉中进行加固；4）对加固后硅片组的两表面进行机械研磨和抛光；5）采用半导体平面工艺在所得硅片组的两表面均进行基极和发射极扩散以及电极加工，然后在所得硅片组的两个外表面分别贴上保护膜；6）将步骤5）所得的硅片组用多线切割的方法从键合的界面处分切为2片；7）去除保护膜，将硅片的切开面进行表面金属化，然后进行划片和封装；得晶体管。
【专利说明】用硅单晶薄片制造晶体管的方法【技术领域】
[0001]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】
[0002]轻掺/重掺架构的硅片大量用于大功率双极晶体管的制造，而生产这种结构硅片的方法通常有两种方法:方法一是在重掺硅片表面外延一层轻掺硅的方法；方法二所谓的三重扩散法，即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，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。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，再进行抛光形成N-/N+层结构的抛光片，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，引起器件参数的一致性差，加工器件的漏电流大，击穿电压低等，从而使器件性能变差。
[0003]发明专利CN1064766A提供了一种可以减少硅料损耗，同时还能减少硅片高温处理时间的方法，其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。
`[0004]发明专利200910152416.4提供了一种可以解决上述问题的方法，但是预扩后需要较长时间氧化(时间与氧化层厚度有关，氧化层越厚时间越长，1.0um氧化层约需要8小时)，而且进行HF分离的时间长(一般需要10天以上)的缺点。
[0005]发明专利CN101186082A (申请号:200710160389.6，发明名称《用多线切割机将多
个薄硅片沿径向一次性分切的方法》)提供了一种用线切割方法将硅片一分为二的方法。其存在着线切后表面很脏、难清洗的缺陷。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉、工艺简洁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不但能在较短时间内完成晶体管的制造，还能确保晶体管的性能。
[0007]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:[0008]I)、选用2片轻掺杂的抛光娃片,每片抛光娃片的正面为抛光面；
[0009]2)、上述每片抛光硅片均进行N+或P+预扩；
[0010]3)、使上述2片预扩后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加固，得加固后硅片组；
[0011]4)、对加固后娃片组的两表面进行机械研磨和抛光；
[0012]5)、采用半导体平面工艺(属于常规工艺)在步骤4)所得硅片组的两表面均进行基极和发射极扩散以及电极加工，然后在所得硅片组的两个外表面分别贴上保护膜；
[0013]备注说明:电极是作引线的；
[0014]6)、将步骤5)所得的硅片组用多线切割的方法从键合的界面处分切为2片(按专利CN101186082A所述分切方法)；
[0015]7)、去除防酸膜，将硅片的切开面表面金属化，然后进行划片和封装；得晶体管。
[0016]在本发明中，电阻率在I欧姆.厘米以上的为轻掺杂，电阻率在I欧姆.厘米以下的为重掺杂。
[0017]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)所得的预扩后的抛光硅片的正面表面粗糙度< 0.8nm，且表面不存在> 0.5um的颗粒。
[0018]由于进行N+或P+预扩后，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.Snm时，需要对抛光硅片正面的氧化层进行轻微的化学机械抛光，使表面粗糙度< 0.Snm ;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。
[0019]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)高温加固温度为900?1290°C，时间为5小时?100小时。
[0020]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)对加固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?lOOum，且每个表面粗糙度< 1.2nm。
[0021]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I)中抛光硅片的原始厚度为210?410um。
[0022]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N+或P+预扩，然后再将两片硅片抛光面(正面)相对进行键合加固，再将加固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并加贴保护膜，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。
[0023]在本发明中:
[0024]1、步骤I):抛光硅片的原始厚度为210?410um，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。
[0025]2、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。
[0026]3、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。
[0027]本发明的硅单晶薄片制造晶体管的方法，具有以下优点:
[0028]I)节省娃料；[0029]常规的三扩工艺是525um原始硅片厚度，而本发明的抛光硅片的原始厚度仅为210~410um ;因此实现了节省硅料。
[0030]2)工艺成本相对低，相对于发明专利200910152416.4而言，取消了步骤2)中的“在预扩后的抛光硅片的正面设置氧化层”的高温处理步骤，因此能提高器件性能。
[0031]3)预扩后不用氧化工序，从而减少氧化时间，可以降低成本。
[0032]4)分切精度要求可大大降低，按照专利CN101186082A所述的方法就能实现把键合的界面磨掉，且不把低阻层磨穿。【专利附图】
【附图说明】
[0033]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。
[0034]图1是发明专利200910152416.4的制备流程图；
[0035]图2是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0036]实施例1、图2给出了一种用硅单晶薄片制造晶体管的方法，依次进行如下步骤:
[0037]I)、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230um、直径为100mm。
[0038]2)、每片硅片均进行如下操作:
[0039]将硅片置于高温扩散炉，采用常规的磷预扩工艺，温度1140°C通磷源(P0CL3)，于硅片表面作杂质(N+)进行预沉积扩散，时间为4小时。
[0040]所得的N型(111)单晶硅片的表面(即正反2面)表面粗糙度为0.6nm，表面存在着≥0.5um的颗粒。
[0041]使上述2片单晶硅片依次在清洗机上用SCl和SC2药液进行清洗，并用颗粒测试仪进行表面颗粒测试，如果有> 0.5um的颗粒存在，则判定为不合要求，重复的依次用SCl和SC2药液进行清洗(或者轻微抛光后，再重复的依次用SCl和SC2药液进行清洗)，直至表面不存在> 0.5um的颗粒。
[0042]SCl 药液的配方如下:NH4OH:H2O2:H2O=1: 1:6 (体积比)，
[0043]SC2 药液的配方如下:H202:HCL:H20=1: 1:10 (体积比)。
[0044]3)、将上述符合要求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。
[0045]然后将上述键合硅片组放到高温退火炉中进行高温加固处理，高温退火炉中通氮气，处理温度为1270°C，时间为10小时；得加固后硅片组；
[0046]经红外摄像仪对此步骤3)所得的加固后硅片组的界面进行气泡检测，无气泡。
[0047]4)、将加固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，使键合硅片组总厚度为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。
[0048]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均进行基极和发射极扩散以及电极加工，然后在所得硅片组的两个外表面分别贴上保护膜，保护膜的作用是保护晶体管基极和发射极在后续的线切加工中保持干净，并能提高硅片强度。
[0049]保护膜例如可以选用苏州莹俊光电科技有限公司生产的晶圆切割保护膜。
[0050]6)、按照CN101186082A告知的方法，将步骤5)所得的硅片组置于多线切割机上进行切割，从界面处将两片硅片分离；该步骤耗时仅为340分钟。
[0051]7)、去除保护膜，按照常规工艺，将硅片的切开面进行表面金属化(B卩，将硅片不设晶体管基极和发射极的那面金属化)，然后进行划片和封装；得晶体管。
[0052]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(采用红外摄像仪检测无气泡)；因此能确保器件性能。
[0053]对比例1-1，
[0054]以完全同实施例1的单晶硅片按照CN101661884 (发明专利200910152416.4)所述方法进行，所得的晶体管的性能同实施例1。即，按照该方法的步骤3)处理后所得的硅片组的界面无气泡(采用红外摄像仪检测无气泡)。
[0055]但按照CN101661884 (发明专利200910152416.4)所述方式实现两片硅片仅分离至少需要10天，而本发明的分离仅需340分钟。
[0056]对比例1-2、将实施例1步骤6)改成按照‘“CNlO 1661884 (发明专利200910152416.4)所述方法”的步骤6)所述的HF溶液浸泡；其余等同于实施例1。
[0057]所得结果为:无法实现硅片的分离。
[0058]对比例1-3、取消步骤5)中贴保护膜，其余等同于实施例1。
[0059]切割及后续的处理中，碎片率明显提高，而且表面的沾污很难清洗干净，导致产品合格率大大降低。
[0060]实施例2、一种硅片键合分离方法，依次进行如下步骤:
[0061]I)、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230um、直径为125mm。
[0062]2)、同实施例1。
[0063]3)、将上述符合要求的预扩后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。
[0064]然后将上述键合硅片组放到高温退火炉中进行高温加固处理，高温退火炉中通氮气，处理温度为1280°C，时间为5小时；得加固后硅片组；
[0065]经红外摄像仪对此步骤3)所得的加固后硅片组的界面进行气泡检测，无气泡。
[0066]4)、将加固后硅片组放在单面研磨机上用砂轮进行研磨，每面各I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，使键合硅片厚度总厚度为350um，单片厚度为175um，保证表面的粗糙度≤1.2nm。
[0067]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均进行基极和发射极扩散以及电极加工，然后在所得硅片组的两个外表面分别贴上保护膜，保护膜的作用是保护晶体管基极和发射极在后续的线切加工中保持干净，并能提高硅片强度。[0068]6)、按照CN101186082A告知的方法，将步骤5)所得的硅片组置于多线切割机上进行切割，从界面处将两片硅片分离；该步骤耗时仅为510分钟。
[0069]7)、去除保护膜，按照常规工艺，将硅片的切开面进行表面金属化(B卩，将硅片不设晶体管基极和发射极的那面金属化)，然后进行划片和封装；得晶体管。
[0070]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。
[0071]对比例2-1，
[0072]以完全同实施例2的单晶硅片按照CN101661884 (发明专利200910152416.4)所述方法进行，所得的晶体管的性能同实施例2。即，按照该方法的步骤3)处理后所得的硅片组的界面无气泡(采用红外摄像仪检测无气泡)。
[0073]但按照CN101661884 (发明专利200910152416.4)所述方式实现两片硅片分离至少需要10天，而本发明的分尚仅需510分钟。
[0074]对比例2-2、将实施例1步骤6)改成按照“CNlO 1661884 (发明专利200910152416.4)所述方法”的步骤6)所述的HF溶液浸泡；其余等同于实施例2。
[0075]所得结果为:无法实现硅片的分离。
[0076]对比例2-3、取消步骤5)中贴保护膜，其余等同于实施例2。
[0077]切割及后续的处理中，碎片率明显提高，而且表面的沾污很难清洗干净，导致产品合格率大大降低。
[0078]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。
【权利要求】
1.用硅单晶薄片制造晶体管的方法，其特性是依次包括如下步骤: 1)、选用2片轻掺杂的抛光娃片,所述每片抛光娃片的正面为抛光面； 2)、上述每片抛光硅片均进行N+或P+预扩； 3)、使上述2片预扩后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加固，得加固后硅片组； 4 )、对加固后娃片组的两表面进行机械研磨和抛光； 5)、采用半导体平面工艺在步骤4)所得硅片组的两表面均进行基极和发射极扩散以及电极加工，然后在所得硅片组的两个外表面分别贴上保护膜； 6)、将步骤5)所得的硅片组用多线切割的方法从键合的界面处分切为2片； 7)、去除保护膜，将硅片的切开面进行表面金属化，然后进行划片和封装；得晶体管。
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)所得的预扩后的抛光硅片的正面表面粗糙度< 0.8nm，且表面不存在> 0.5um的颗粒。
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3)高温加固温度为900?1290°C，时间为5小时?100小时。
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4)对加固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?lOOum，且每个表面粗糙度< 1.2nm。
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I)中抛光硅片的原始厚度为210?410um。
【文档编号】H01L21/331GK103730358SQ201410020788
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】肖型奎, 陈杰, 刘浦锋, 宋洪伟, 陈猛 申请人:上海超硅半导体有限公司