半导体专用玻璃钝化硅二极管（GPP）芯片工艺和烧结工艺

半导体专用玻璃钝化硅二极管（GPP）芯片工艺和烧结工艺

硅二极管GPP芯片电泳玻璃钝化工艺

随着半导体技术的发展，对半导体表面钝化的要求越来越高。 作为二极管的钝化材料，毫无疑问应该具备：

一是良好的电气性能和可靠性。 包括电阻率、介电强度、离子迁移率等。材料的引入不应给器件带来副作用；

二是化学稳定性好。 半导体技术是一个使用化学试剂的过程。 作为器件的钝化材料，应具有一定的耐化学腐蚀性能；

三是可操作性。 该工艺必须简单、可重复且与设备制造工艺兼容。 材料的膨胀系数必须与硅材料一致或接近；

第四是经济。 可大批量生产，制造成本低，具有市场竞争力，材料和工艺具有较强的生命力和发展潜力。

根据上述要求，近年来市场上出现的半导体钝化专用玻璃制成的玻璃钝化硅二极管（GPP）芯片是一种理想的半导体钝化材料。

目前，玻璃钝化硅二极管（GPP）芯片的使用越来越普及，并得到电子行业人士的普遍认可。 该GPP芯片工艺集成了半导体平面工艺、台面工艺和玻璃烧结工艺。 它在硅扩散器金属化之前（或在玻璃钝化工艺温度允许之后）使用光刻胶掩模和V形蚀刻。 凹槽（或机械刻划的 V 形凹槽）台面。 然后将玻璃粉施加到接合表面以进行台面钝化。 玻璃粉是由一定的粘结剂和高纯细玻璃粉组成的悬浮液。 将玻璃粉悬浮液按一定工艺施入V型槽内。 粘合剂在高温下被烧掉，玻璃熔化，并在整个接合处的表面形成密封保护层。

常用的玻璃镀膜方法主要有三种：医用手术刀法、电泳法和光刻胶法。

基本方法机制

该方法的机理是将玻璃粉和有机溶剂(甲醇或异丙醇)制备成悬浮液，然后向悬浮液中加入适量的活性剂28%氨水和醋酸纤维素。 活化剂的作用是使玻璃粉颗粒带负电，增强颗粒的运动，形成致密、坚固的玻璃层。

醋酸纤维素用作粘合剂。 在直流电场的作用下，带负电的玻璃颗粒向正极上的硅片移动并沉积在硅片上。 电泳沉积需要固定的电子装置，硅片固定在电极上（带正电荷）。 电泳时加直流电压，场强100--200V/cm，直流电流0.5mA之间。 此时，可以用注射器向电泳液中添加活性剂，直流电流将升至1mA并维持至沉淀。 积累结束。

电泳沉积的特点是可以进行选择性钝化，并且可以在硅片的两面同时进行沉积，特别适合可控硅器件钝化膜的制作。 然而，在电泳方法中，活化剂对于沉积的成功至关重要。 添加活化剂会缩短电泳液的寿命。 由于电泳液寿命变化，每次添加的活化剂量不同，工艺公差小。 此外，其他各种原因也使得电泳方法的批量重现性较差。

电泳法生产玻璃钝化二极管芯片的工艺流程如下：

选择硅片→硅片清洗→磷预沉积→单面喷砂（减薄）→硼扩散和磷再分布→双面喷砂去除氧化层→氮气或氧气退火（必要时）→铂扩散和扩散后-表面蚀刻处理及清洗（必要时）→V型槽台腐蚀→生长二氧化硅膜或LPCVD沉积氮化硅膜（钝化保护）→玻璃钝化→HF冲洗（蚀刻）硅表面→双面镀镍（电极） )→晶圆划片→切片、清洗、包装。

主要相关生产工艺介绍如下：

1、选择电阻率和厚度合适的N型硅单片

采用N型直拉单晶硅。 硅片电阻率：15-20、20-25Ω·cm，选择原硅片厚度约270±10μm； 电阻率25-30、30-35、35-40、40-45、45-50Ω·cm，应选择厚度约290±10μm。

注：上述电阻率对应的击穿电压VR约为：600-900、900-1100、1000-1200、1200-1400、1400-1600、1500-1600、1600-1700。

2、硅片的清洗

硅片表面清洗是制造半导体器件的重要步骤。 用混合酸、清洗剂和纯水将硅片放入清洗槽或超声波清洗机中清洗，使其表面清洁、干燥。

清洗过程：3号液腐蚀3-5分钟→1号液煮沸2-3分钟→2号液煮沸2-3分钟→超纯水冲洗。

⑴1号液配比：氨水：H2O2：超纯水=1：2：5；

⑵2号液配比：HCI：H2O2：超纯水=1：2：8；

⑶3号液配比：硝酸：氢氟酸：冰醋酸=3:3:1。

最后用HF:H2O=1:10漂白10-20秒，去除硅片表面的自然氧化层，用超纯水冲洗干净，晾干备用。

3. 磷预沉积扩散

磷源：P60造纸磷源。

在每两片硅片之间放置一张磷源纸，将硅片排列整齐并压紧在石英舟中。 在洁净的石英管中，经过1220℃高温约2小时后，磷原子扩散到硅片中。磷表面抗结块4、磷扩散片泡酸分离及喷砂减薄

⑴ 将这个“圆筒”浸泡在氢氟酸中，几天后，硅片就会彼此分离；

⑵硅片用自来水清洗后，喷砂去除无磷纸一侧的扩散层，同时将硅片减薄去除15μm左右；

⑶ 用混合酸、清洗剂和纯水在清洗槽或超声波清洗机中对硅片进行清洗，去除硅片表面的缺陷、金属杂质、可移动离子和有机物，使表面清洁、干燥。

5.硼扩散和磷再分布扩散

硼源：a． B40纸硼源； b. 无水乙醇：硝酸铝：三氧化硼=150：5：8。

⑴第一次硼源是将一张硼源纸背靠背放置在磷面两喷砂面之间，将硅片排列整齐并压紧在石英舟中；

第二种磷源是在喷砂表面涂敷（喷涂或旋涂）一层溶解有三氧化硼和硝酸铝的混合溶剂。 烘烤后，再次排入石英舟内压实；

⑵ 在特制石英管中，在1250℃高温下进行硼（或铝）扩散21～35小时。 同时，磷重新分布、扩散；

⑶扩散后，检测扩散结深度和掺杂浓度。硼表面片电阻

⑷基底区域的宽度控制在100μm左右。

6、硼扩散片酸分离喷砂去除氧化层

⑴ 将硼扩散“筒”再次浸泡在氢氟酸中，几天后，硅片彼此分离。

⑵用自来水清洗后，对两面进行喷砂，去除两面磷、硼扩散形成的约10μm的氧化层。

⑶ 用混合酸、清洗剂和纯水将硅片放入清洗槽或超声波清洗机中清洗，使表面清洁、干燥。

7. 光刻沟槽

⑴预烘烤。 所有硅片在除胶前均需在175℃烤箱中预烘烤60分钟；

⑵除去胶水。 将硅片置于转盘上，滴适量于硅片表面，按下真空开关开始除胶。 第一步低速胶水分散：800转/分10秒； 第二步是高速点胶：1500至2000转/分钟，10至15秒；

⑶ 预先烘烤。 将涂好胶的薄膜放入幻灯片盒中放入85℃烤箱预烤10分钟，然后放入110℃预膜烤箱中烘烤30分钟；

⑷ 暴露。 光强度：500 mJ/cm2，时间：30-45秒；

⑸ 开发。 将曝光后的胶片放入胶片载体中放入显影筒中显影45秒，然后放入定影筒中定影30秒。 注意：显像过程中应来回摇动载玻片盒数次；

⑹硬膜。 显影后，将硅片干燥，然后置于145℃的膜硬化炉中30分钟以硬化膜。

8、腐蚀V型槽

⑴V型槽腐蚀。 腐蚀液的配比为硝酸：氢氟酸：冰醋酸=3～6：3：1。 腐蚀在冰水中进行20-25分钟（腐蚀时间根据凹槽深度确定）。 凹槽的深度为80-120μm。 关键是控制腐蚀速率。 并使管芯形成尽可能大的负斜角台（40°-75°）。

⑵V型槽台面腐蚀。 腐蚀液比例：硝酸：氢氟酸：冰醋酸：硫酸=9：9：10-12：4。 温度20℃±2℃，时间45s--90s。

⑶表面钝化：钝化液配比，双氧水：磷酸：去离子水=1:1:2-4； 温度70℃±5℃，时间40s--60s。

⑷ 去除光刻胶：温度500--520℃，时间15--20min，通O2，6L/min或化学方法去除光刻胶。

9. SiO2层的氧化生长（要求厚度1~2nm）

氧化炉温度800℃，通湿氧5分钟； 或720℃，通湿氧10-15分钟。 可以生长约1.5nm的SiO2层。

注：首先在凹槽中生长1~2nm厚的氧化层可能有利于硅表面阻断电压的形成。

10、电泳涂覆玻璃粉的方法

⑴ 以异丙醇（IPA）和乙基纤维素醋酸酯（EA）为悬浮介质，按IPA:EA=50:50的体积比混合。

⑵ 每100cc悬浮液中加入2-4克玻璃粉，超声波4-5分钟，静置4-5分钟，然后倒入石英或特氟隆涂层的不锈钢罐中。

⑶ 按2.0--4.0cc/L的比例加入28%氨水（或鼓泡氨水至浓度0.03mol/L）。

⑷ 添加上述电解液后，超声混合4分钟，然后将承载硅片及其对电极的器件浸入电解液中。 硅片和对电极之间的最佳距离为 2 cm。

⑸ 使悬浮液静置30秒后，从直流电源通过电泳装置的端子（如鳄鱼夹）施加100--200V/cm的场强2--4分钟。

⑹设备取出电极和硅片的速度为5毫米/秒。

11.玻璃熔化（烧成）

⑴将硅片放在烤盘上，110±2℃，烘烤2分钟。 将其放在旋转的真空吸盘上，用橡皮轮以800~的转速轻轻擦去硅片表面残留的玻璃粉（也可以使用小刷子）轻轻扫过硅片表面硅片在入炉前涂上玻璃粉，保证涂层均匀），然后按一定间隔直立插入石英舟上，准备入炉。

⑵ 玻璃预烧。 涂上玻璃粉后，将晶圆置于 200°C 下，使溶液蒸发并干燥。 然后将硅片放入500℃烘烤炉中，用氧气烘烤15分钟，烧掉有机溶剂（或光刻胶膜）。 燃烧后，凹槽中仅残留白色玻璃粉末。 以5-8℃/min（或推拉速度50mm/min）升温至转变温度（例如GP-200玻璃粉的转变温度为560℃）并保持20- 30分钟。 预热和冷却炉口各5-10分钟。 。

⑶ 预烧后擦拭硅片。 将预烧硅片表面的玻璃粉擦干净，注意不要擦掉凹槽内的玻璃浆。 沿对角线方向轻轻擦去硅片表面残留的玻璃粉（此步骤要根据效果选择）。

⑷ 玻璃烧制。 进出方式与玻璃预烧相同，在一定比例的氧气+氮气气氛中烧成。 各种玻璃粉的典型熔化温度一般在720-860℃之间，具体取决于玻璃成分（例如GP-200玻璃粉的熔化温度为820℃）。 温度曲线按照附录1玻璃粉产品说明书执行。严格控制玻璃烧结熔化温度和氧气中的氮含量是制备高质量玻璃钝化层的关键。

12. HF 冲洗（腐蚀）硅表面

用HF:H2O=1:3~5漂白20-40秒，去除硅片表面残留的玻璃层和氧化物，用超纯水冲洗，干燥备用。

注意：严格控制腐蚀速率、时间和腐蚀厚度。

13.双面化学镀镍

镀镍液配方：氯化镍30g/L、次磷酸钠10g/L、氯化铵50g/L、柠檬酸氢二铵65g/L。 将镀镍液加热至沸腾，加入25毫升氨水调节pH值至9左右，将硅片放入镀镍液中5-7分钟。 一次性镀镍、清洗、干燥后，在680--750℃的含氮或氮氢混合气体中烧渗30-40分钟，使镍和硅形成微合金层。 如果镍层经过燃烧和渗透后表面变黄，需要用硝酸腐蚀，然后用氢氟酸冲洗。 硅片清洗干净后，镀上新的可焊性良好的化学镀镍层。

注：快恢复二极管在化学镀镍前需要用铂扩容。

⑴铂来源：a． 美国公司Pt920液源； b. 无水乙醇：三氯化铂=100：0.5-2.5；

⑵ 将铂源旋涂在扩散器的磷表面上。 干燥后，将铂面背对背卸入石英舟内压紧；

⑶ 推入专用石英管。 炉温：860℃-980℃； 时间：45-60分钟。 相应的恢复时间Trr：200-35ns。

需要指出的是，原始硅片的厚度应根据不同的硅片电阻率、正向压降VF以及铂扩片的恢复时间Trr适当确定。 一般来说：

1）若电阻率为10-15Ω·cm，正向压降VF小于1V，恢复时间Trr小于50ns，则原硅片厚度应为220±10μm；

2）原硅片厚度250±10μm，15-30Ω·cm，正向压降VF小于1.2V，恢复时间Trr小于150ns；

3）原始硅片厚度为280±10μm，电阻为30-45Ω·cm，正向压降VF小于1.3V，恢复时间Trr小于200ns。

14. 晶圆切割工艺

使用高速砂轮划片机或激光划片机。

⑴高速砂轮划片机技术：气压：6.5-7.2kg/cm2； 冷水压力：1.5-2.0kg/cm2； 转速500-700转/秒； 进给速度4-10mm/s； 残余高度5μm； 刀片宽度25--50μm；

⑵ 激光划片机技术：划片速度30～40mm/s；

⑶ 划线深度波动控制在20um以内。

15. 分割、清洗、包装

用纯水将蓝膜贴在不锈钢板上冷冻（-18℃，30分钟）进行劈裂，去除硅片边缘的不良品。 取出后，剥去蓝色薄膜，放入不锈钢筛网中用水冲洗，用开水烫一下，然后在丙酮中焯一下。 浸泡20分钟后，用异丙醇超声三至四次，脱水干燥（如有光刻胶残留，须在30-50℃白炽灯下干燥），包装。