一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法转让专利
申请号 : CN200810121643.6
文献号 : CN101383284B
文献日 : 2010-11-03
发明人 : 陈福元
申请人 : 杭州杭鑫电子工业有限公司
摘要 :
本发明公开了一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法，它包括如下步骤：1)在硅单晶片整个面上生长氧化硅层；2)去除一表面上的氧化硅层；3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；4)在1250～1300℃温度下，进行50～250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；5)对另一单面的N-或p-面进行化学机械抛光；6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管。本发明革除了常规半导体工业所采用的必须研磨去一个单面上占到2/5硅片总厚度的N-或p-杂质深扩散层的三重扩散工艺做法，节省1/4硅片用料。充分体现节材和产品高性价比的特点。
权利要求 :
1.一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在硅单晶片整个面上生长氧化硅层；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预扩散N+或p+半导体杂质；
4)在1250～1300℃温度下，进行50～250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一单面的N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管。
2.根据权利要求1所述的一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法，其特征在于所述的步骤1)中生长氧化硅层时间为8～12小时，温度为1100～1250℃；
3.根据权利要求1所述的一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法，其特征在于所述的步骤3)中硅中杂质预扩散的时间为2～4小时，温度为1100～1250℃；
4.根据权利要求1所述的一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法，其特征在于所述的步骤4)中温度为1270～1290℃，扩散时间为100～230小时；
5.根据权利要求1所述的一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法，其特征在于所述的步骤6)中，N+或P+层的厚度为100～220微米。
说明书 :
技术领域
本发明涉及半导体掺杂扩散，尤其涉及一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法。
背景技术
自二十世纪五十年代硅晶体管问世并成为最重要的电子产品以来，人们不断推出新型硅功率器件和半导体制造新工艺技术。根据半导体原理，硅晶体管制造需要进行前后三次III族(硼、铝、镓)、V族(磷)元素半导体杂质的掺杂扩散，形成晶体管的集电区、基区和发射区。人们通常采用N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型深结结构的硅片作为衬底基础，其中N-或P-层作为功率晶体管承受高反向电压的集电区部分，而N+或P+层作为支撑衬底同时起降低器件正向压降的作用。其中利用在高电阻率的N-(或P-)型硅单晶片上进行N+(或P-)型半导体掺杂后，获得N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型硅深结结构的方法即称为硅片三重扩散工艺。传统的硅三重扩散工艺是在高温下进行半导体杂质长时间的推结扩散后，在N-或P-型硅片中掺入高浓度的N+型或P+型半导体杂质，从而获得N+/N-/N+、P+/P-/P+、P+/N-/P+、N+/P-/N+型杂质深扩散结结构。然后研磨去除其中一个面上的N+或P+层，以得到为制造功率晶体管所需的N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型结构的硅深结三重扩散片。
对于常规的三重扩散工艺制备晶体管的硅基片的方法，当前所存在的问题有：由于它是在整个厚硅片的上下两面经高温长时间半导体掺杂扩散业已形成特深结的N+或P+层后，才研磨去除其中之一个面上的N+(或P+)层，获得制造晶体管所需的N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型结构硅基片。这样做就难以避免为去除其深(厚)度占到2/5硅片总厚度的N+或P+层所造成的相当大的材料浪费。目前，单晶硅价格高昂，因此更增加了常规的硅三重扩散法的生产成本，降低了三重扩散片产品的性价比。
对于常规的三重扩散工艺制备晶体管的硅基片的方法，当前所存在的问题有：由于它是在整个厚硅片的上下两面经高温长时间半导体掺杂扩散业已形成特深结的N+或P+层后，才研磨去除其中之一个面上的N+(或P+)层，获得制造晶体管所需的N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型结构硅基片。这样做就难以避免为去除其深(厚)度占到2/5硅片总厚度的N+或P+层所造成的相当大的材料浪费。目前，单晶硅价格高昂，因此更增加了常规的硅三重扩散法的生产成本，降低了三重扩散片产品的性价比。
发明内容
本发明的目的为了克服传统深结三重扩散法中硅片浪费、成本较高的缺点，提供一种硅单晶薄片氧化单面预扩散制造晶体管的方法。
包括如下步骤：
1)在N-或p-硅单晶片整个面上生长氧化硅层；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预扩散入N+或p+半导体杂质；
4)在1250～1300℃温度下，进行50～250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面(N-或p-面)进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管。
所述的步骤1)中生长氧化硅层时间为8～12小时，温度为1100～1250℃；
所述的步骤3)中硅中杂质预扩散的时间为2～4小时，温度为1100～1250℃；
所述的步骤4)中温度为1270～1290℃，扩散时间为100～230小时；
所述的步骤6)中，N+或P+层的厚度为100～220微米。
本发明的有益效果是在制造过程中硅片化学机械抛光的去除量所占比例不到硅片总厚度的1/10。因此，可实现选用仅为传统工艺所需0.7倍厚度的硅单晶片作为原材料。在当前单晶硅供应紧张、价格高昂，且原材料硅单晶片成本占到硅深结三重扩散片生产总成本75％的情况下，本发明方法降低了原材料成本，可望取得较高的经济效益。
包括如下步骤：
1)在N-或p-硅单晶片整个面上生长氧化硅层；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预扩散入N+或p+半导体杂质；
4)在1250～1300℃温度下，进行50～250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面(N-或p-面)进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管。
所述的步骤1)中生长氧化硅层时间为8～12小时，温度为1100～1250℃；
所述的步骤3)中硅中杂质预扩散的时间为2～4小时，温度为1100～1250℃；
所述的步骤4)中温度为1270～1290℃，扩散时间为100～230小时；
所述的步骤6)中，N+或P+层的厚度为100～220微米。
本发明的有益效果是在制造过程中硅片化学机械抛光的去除量所占比例不到硅片总厚度的1/10。因此，可实现选用仅为传统工艺所需0.7倍厚度的硅单晶片作为原材料。在当前单晶硅供应紧张、价格高昂，且原材料硅单晶片成本占到硅深结三重扩散片生产总成本75％的情况下，本发明方法降低了原材料成本，可望取得较高的经济效益。
附图说明
图1是本发明的硅单晶薄片氧化单面预扩制造晶体管的方法工艺流程图；
图2是传统的硅三重扩散方法工艺流程图。
具有实施方式
本发明在硅单晶片整个面上生长氧化硅膜后，去除一表面上的氧化硅膜，在无氧化硅膜的单面上预先扩散入N+或p+半导体杂质，然后作高温长时间的硅单面内N+(或p+)杂质的推结扩散，经过N-或p-面的化学机械抛光，获得制造晶体管所用的N-/N+(或P-/P+)深结扩散硅基片。具有节省硅片材料、降低产品成本的特点。
根据硅功率晶体管的高反压特性参数设计要求，单晶硅片需选用10-120欧姆厘米的高电阻率。同时受到硅片易碎特性和半导体薄片加工水平的制约，硅片厚度有严格的下限。若硅片电阻率高、厚度过大，将会使功率晶体管低正向电压降的性能指标难以实现。因为功率晶体管的设计中真正用于制造硅晶体管的高电阻率层只占到硅片总厚度的1/4左右，其余占3/4厚度的硅片部分只是起着防止晶体管在制造过程中发生破碎的基础衬底支撑之作用。晶体管设计对该衬底部分的要求是必须低电阻率，高电导性硅材料。
本发明选取适当厚度和电阻率的单晶硅片，经过严格的清洗，在1100-1250℃下，在硅单晶片整个面上进行8-12小时的氧化硅生长，去除一个单面上的氧化硅膜，再在1150-1200℃下，对硅片进行2-3小时的半导体杂质源预沉积扩散，在硅片无氧化硅膜的一面掺入浓度高、掺杂量足够、结深较浅的N+型或P+型半导体杂质，获得N+/N-、P+/P-、N-/P+、P-/N+型浅结结构。此后在1250℃-1300℃范围内进行50小时-250小时N+(或p+)杂质的推结，在推结过程中原先掺入的半导体杂质总量基本保持不变，扩散结大为加深。N-或p-面经化学机械抛光后，获得N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型硅深结扩散片。
以N型硅单晶为例。将硅单晶(N型，电阻率ρ＝10-120Ωcm)切成厚度为350±10μm的单晶硅片，经过1号化学电子清洗液(NH4OH：H2O2：H2O＝1：2：5)和2号化学电子清洗液(HCL：H2O2：H2O＝1：2：8)严格清洗。化学电子清洗液的清洗反应温度为80-85℃，反应时间为10分钟。然后将硅片置于纯水中彻底冲洗清洁。纯水电阻率≥12兆欧姆厘米，每次冲水时间≥60分钟。硅片在120℃的烘箱内烘干，烘烤时间≥30分钟。在1100-1250℃下，于清洁的石英管炉中，硅单晶片整个面上进行10±2小时的氧化硅生长，硅片表面上生长成厚度达1微米以上的氧化硅膜。采用氢氟酸的化学腐蚀方法去除硅片一个表面上的氧化硅膜后，硅片先在1100-1250℃下进行约2-3小时的半导体磷杂质源(通氮气携带三氯氧磷液态源进石英反应管)预沉积扩散，在硅片无氧化硅膜的一面掺入浓度高、掺杂量充足、结深较浅的N+型半导体杂质，硅片变为N-/N+型的结构。此后再在1250-1300℃的温度下对硅片进行100-250小时的N+型半导体磷杂质推结扩散，在此过程中原先掺入的磷杂质总量基本保持不变，扩散结加深至150-220μm。最后将硅片的N-单面研磨抛光成镜面(根据晶体管设计要求保留厚度为250-280μm)，获得N-/N+型硅深结扩散片。本发明的优点是实现选用仅为传统工艺所需0.7倍厚度的硅单晶片作为原材料，较大幅度降低了原材料成本。
实施例1
1)在硅单晶片在1100～1250℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为8～12小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为2～4小时，温度为1100～1250℃；
4)在1250～1300℃温度下，进行50～250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为100～220微米。
实施例2
1)在硅单晶片在1150℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为9小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为3.5小时，温度为1150℃；
4)在1290℃温度下，进行150小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为180微米。
实施例3
1)在硅单晶片在1250℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为12小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为4小时，温度为1250℃；
4)在1280℃温度下，进行250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为220微米。
实施例4
1)在硅单晶片在1150℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为10小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为3小时，温度为1200℃；
4)在1270℃温度下，进行140小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为150微米。
图2是传统的硅三重扩散方法工艺流程图。
具有实施方式
本发明在硅单晶片整个面上生长氧化硅膜后，去除一表面上的氧化硅膜，在无氧化硅膜的单面上预先扩散入N+或p+半导体杂质，然后作高温长时间的硅单面内N+(或p+)杂质的推结扩散，经过N-或p-面的化学机械抛光，获得制造晶体管所用的N-/N+(或P-/P+)深结扩散硅基片。具有节省硅片材料、降低产品成本的特点。
根据硅功率晶体管的高反压特性参数设计要求，单晶硅片需选用10-120欧姆厘米的高电阻率。同时受到硅片易碎特性和半导体薄片加工水平的制约，硅片厚度有严格的下限。若硅片电阻率高、厚度过大，将会使功率晶体管低正向电压降的性能指标难以实现。因为功率晶体管的设计中真正用于制造硅晶体管的高电阻率层只占到硅片总厚度的1/4左右，其余占3/4厚度的硅片部分只是起着防止晶体管在制造过程中发生破碎的基础衬底支撑之作用。晶体管设计对该衬底部分的要求是必须低电阻率，高电导性硅材料。
本发明选取适当厚度和电阻率的单晶硅片，经过严格的清洗，在1100-1250℃下，在硅单晶片整个面上进行8-12小时的氧化硅生长，去除一个单面上的氧化硅膜，再在1150-1200℃下，对硅片进行2-3小时的半导体杂质源预沉积扩散，在硅片无氧化硅膜的一面掺入浓度高、掺杂量足够、结深较浅的N+型或P+型半导体杂质，获得N+/N-、P+/P-、N-/P+、P-/N+型浅结结构。此后在1250℃-1300℃范围内进行50小时-250小时N+(或p+)杂质的推结，在推结过程中原先掺入的半导体杂质总量基本保持不变，扩散结大为加深。N-或p-面经化学机械抛光后，获得N-/N+、P-/P+、N-/P+、P-/N+型硅深结扩散片。
以N型硅单晶为例。将硅单晶(N型，电阻率ρ＝10-120Ωcm)切成厚度为350±10μm的单晶硅片，经过1号化学电子清洗液(NH4OH：H2O2：H2O＝1：2：5)和2号化学电子清洗液(HCL：H2O2：H2O＝1：2：8)严格清洗。化学电子清洗液的清洗反应温度为80-85℃，反应时间为10分钟。然后将硅片置于纯水中彻底冲洗清洁。纯水电阻率≥12兆欧姆厘米，每次冲水时间≥60分钟。硅片在120℃的烘箱内烘干，烘烤时间≥30分钟。在1100-1250℃下，于清洁的石英管炉中，硅单晶片整个面上进行10±2小时的氧化硅生长，硅片表面上生长成厚度达1微米以上的氧化硅膜。采用氢氟酸的化学腐蚀方法去除硅片一个表面上的氧化硅膜后，硅片先在1100-1250℃下进行约2-3小时的半导体磷杂质源(通氮气携带三氯氧磷液态源进石英反应管)预沉积扩散，在硅片无氧化硅膜的一面掺入浓度高、掺杂量充足、结深较浅的N+型半导体杂质，硅片变为N-/N+型的结构。此后再在1250-1300℃的温度下对硅片进行100-250小时的N+型半导体磷杂质推结扩散，在此过程中原先掺入的磷杂质总量基本保持不变，扩散结加深至150-220μm。最后将硅片的N-单面研磨抛光成镜面(根据晶体管设计要求保留厚度为250-280μm)，获得N-/N+型硅深结扩散片。本发明的优点是实现选用仅为传统工艺所需0.7倍厚度的硅单晶片作为原材料，较大幅度降低了原材料成本。
实施例1
1)在硅单晶片在1100～1250℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为8～12小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为2～4小时，温度为1100～1250℃；
4)在1250～1300℃温度下，进行50～250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为100～220微米。
实施例2
1)在硅单晶片在1150℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为9小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为3.5小时，温度为1150℃；
4)在1290℃温度下，进行150小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为180微米。
实施例3
1)在硅单晶片在1250℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为12小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为4小时，温度为1250℃；
4)在1280℃温度下，进行250小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为220微米。
实施例4
1)在硅单晶片在1150℃温度下，整个面上生长氧化硅层；生长氧化硅层时间为10小时；
2)去除一表面上的氧化硅层；
3)在去除氧化硅层的表面上预先扩散入N+或p+半导体杂质；预先扩散的时间为3小时，温度为1200℃；
4)在1270℃温度下，进行140小时单面硅内N+或p+杂质的推结；
5)对另一表面去除氧化硅层并对N-或p-面进行化学机械抛光；
6)在N-/N+或P-/P+硅基片上制造晶体管，N+或P+层的厚度为150微米。