矽二極體GPP晶片電泳法玻璃鈍化工藝

隨著半導體技術的發展，對半導體表面鈍化的要求越來越高，作為二極體一種鈍化材料，無疑應具備：

一是良好的電氣性能和可靠性。包括電阻率、介電強度、離子遷移率等。材料的引入不應給器件帶來副作用；

二是良好的化學穩定性。半導體工藝是用化學試劑開展的工藝，作為器件的鈍化材料，應有一定的抗化學腐蝕能力；

三是可操作性。工藝要簡單，重複性好，能與器件製造工藝相容，材料的膨脹係數要與矽材料相一致或接近；

四是經濟性。可大批量生產，製造成本要低，有市場競爭力，材料和工藝有強大的生命力和開發潛力。

根據上述要求，近年來市場上出現的利用半導體鈍化專用玻璃製作玻璃鈍化矽二極體（GPP）晶片就是一種較為理想的半導體鈍化材料。

目前，使用玻璃鈍化矽二極體（GPP）晶片的呼聲越來越高，並得到電子行業內人士的普遍認可。這種GPP晶片工藝為半導體平面工藝、台面工藝和玻璃燒結工藝於一體，是在矽擴散片金屬化之前（玻璃鈍化工藝溫度允許也可之後），使用光刻膠掩膜及刻蝕V型槽（或機械式劃V型槽）的台面。然後，在結表面塗敷玻璃粉以便進行台面鈍化處理。玻璃粉料是由某些粘合劑及高純度的微細玻璃粉混合組成的懸浮液。將玻璃粉懸浮液按一定的工藝方法塗敷於V型槽內，在高溫下粘合劑被燒掉，玻璃熔化並在整個結的表面上形成密封保護層。

塗敷玻璃常用的主要有三種方法：醫用手術刀法、電泳法和光致抗蝕劑法。

基本方法機理

這種方法機理是將玻璃粉和有機溶劑（甲醇或異丙醇）配製成懸浮液，井在懸浮液內加入適量的活性劑28%的氨水和醋酸纖維素。活性劑的作用是使玻璃粉粒子帶負電，以增強顆粒運動，形成緻密堅實的玻璃層。

醋酸纖維素作粘接劑，在直流電場作用下，帶負電的玻璃顆粒向正電極上矽片方向運動，並澱積在矽片上。電泳法澱積需一固定的電子裝置，矽片被固定在電極上（正電）。電泳時，將直流電壓加到100--200V/cm場強，直流電流在0.5ｍＡ之間，這時，可用注射器向電泳液內加入活性劑，直流電流隨之升至１ｍＡ，並維持到澱積結束。

電泳法澱積的特點是可以進行選擇性鈍化，而且矽片兩面可以同時澱積，尤其適宜於可控矽器件的鈍化膜製造。但在電泳法中活性劑對澱積成功很關鍵，活性劑的加入會降低電泳液壽命，隨著電泳液壽命的變化，活性劑加入量每次都不一樣，工藝寬容度較小，加上其他各種原因，使電泳法的批次重複性較差。

電泳法製作玻璃鈍化二極體晶片的工藝流程如下：

選擇矽片 矽片清洗 磷預澱積 單面噴砂（減薄） 硼擴散及磷再分布 雙面噴砂去氧化層 氮氣或氧氣退火（需要時） 鉑擴散及擴散後的表面腐蝕處理和清洗（需要時）V型槽台面腐蝕 生長二氧化矽膜或LPCVD澱積氮化矽膜（鈍化保護） 玻璃鈍化ＨＦ漂洗（腐蝕）矽表面 雙面鍍鎳（電極） 晶圓劃片－分片、清洗、包裝。

主要相關生產工藝介紹如下：

1、挑選具有合適電阻率和厚度的N型矽單晶片

採用N型直拉單晶矽。矽片電阻率：15-20、20-25Ω·cm，選擇原始矽片厚度約270±10μm；電阻率25-30、30-35、35-40、40-45、45-50Ω·cm，應選擇厚度約290±10μm。

註：以上電阻率所對應的擊穿電壓VR大約為：600-900、900-1100、1000-1200、1200-1400、1400-1600、1500-1600、1600-1700。

2、矽片的清洗

矽片表面清洗是製造半導體器件的重要環節，用混合酸、清洗劑和純水在清洗槽或超聲波清洗機內清洗矽片，使其表面潔凈並烘乾。

清洗過程：3號液腐蝕3-5分鐘－1號液煮沸2－3分鐘－2號液煮沸2－3分鐘－超純水沖洗。

1號液配比：氨水：H2O2：超純水＝1：2：5；

2號液配比：HCI：H2O2：超純水＝1：2：8；

3號液配比：硝酸：氫氟酸：冰醋酸=3：3：1。

最後用HF:H2O＝1：10漂10－20秒，除去矽片表面自然氧化層，用超純水沖洗、烘乾備用。

3、磷預澱積擴散

磷源：P60紙質磷源。

在每兩片矽片中間放一張磷源紙，將矽片排列整齊並壓緊在石英舟中。在潔凈的石英管內，經過1220℃高溫2小時左右，使磷原子擴散到矽片內。磷表面方塊電阻<0.1Ω/、Xjn≈20μm。磷預沉積結束後，矽片會黏結成圓柱形。

4、磷擴散片泡酸分離及噴砂減薄

將此"圓柱體"浸泡在氫氟酸中，數天後使矽片互相分離開；

矽片經自來水清洗後，噴砂去除未附磷紙那一面的擴散層，同時減薄矽片去除約15μm；

用混合酸、清洗劑和純水在清洗槽或超聲波清洗機內清洗矽片，去除矽片表面的缺陷，金屬雜質，可動離子和有機物，使其表面潔凈並烘乾。

5、硼擴散及磷再分布擴散

硼源：a、B40紙質硼源；b、 無水乙醇∶硝酸鋁∶三氧化二硼＝150：5：8。

第一種硼源是在磷面背靠背的兩片噴砂面中間放一張硼源紙，將矽片排列整齊並壓緊在石英舟中；

第二種磷源是在噴砂面塗覆（噴塗法或旋敷塗法）一層溶有三氧化二硼和硝酸鋁的混合溶劑，烘烤後再次排放在石英舟中並壓緊；

在專用石英管中，經過1250℃高溫21～35小時進行硼（或含鋁）的擴散。同時，進行磷的再分布擴散；

擴散後檢測擴散結深和摻雜濃度。硼表面方塊電阻<0.1Ω/、Xjn≈60μm；結深：Xjp 45～90μm（擴硼）或60～110μm（擴硼鋁）；

基區寬度控制在大約100μm左右。

6、硼擴散片泡酸分離及噴砂去氧化層

再次將此硼擴散"圓柱體"浸泡在氫氟酸中，數天後使矽片互相分離開。

經自來水清洗後，雙面噴砂去除約10μm兩面的磷、硼擴散形成的氧化層。

用混合酸、清洗劑和純水在清洗槽或超聲波清洗機內清洗矽片，使其表面潔凈並烘乾。

7、光刻溝槽

預烘。所有矽片在甩膠前需在175℃烘箱內預烘60分鐘；

甩膠。在轉盤上放置矽片，在矽片表面上滴入適量SC450cp,按下真空開關開始甩膠。第一步低速勻膠：轉速800轉、時間10秒；第二步高速甩膠：轉速1500～2000轉、時間10～15秒；

前烘。將甩膠好的片子裝入載片盒放入85℃烘箱內預烘10分鐘，再置入110℃膠膜前烘箱內烘30分鐘；

曝光。光強度500毫焦/平方厘米、時間30～45秒；

顯影。將曝光好的片子裝入載片盒放入顯影缸中顯影45秒，再置入定影缸中定影30秒。注意：顯影時應來回晃動載片盒數次；

堅膜。顯影后將矽片晾乾，然後放入145℃的堅膜烘箱內堅膜30分鐘。

8、腐蝕V型槽

腐蝕V型槽。腐蝕液配比，硝酸：氫氟酸：冰醋酸=3～6：3：1，腐蝕在冰水中進行，時間20-25min（腐蝕時間隨槽深而確定），槽深80-120μm ，關鍵是控制好腐蝕速率。並使管芯形成儘量大的（40°-75°）負斜角台面。

V型槽台面腐蝕。腐蝕液配比，硝酸：氫氟酸：冰醋酸：硫酸=9：9：10-12：4。溫度20℃±2℃，時間45s--90s。

表面鈍化：鈍化液配比，過氧化氫：磷酸：去離子水=1：1：2-4；溫度70℃±5℃，時間40s--60s。

去光刻膠 ：溫度500--520℃，時間15--20min，通氣O2，6L/min或化學方法去除光刻膠。

9、氧化生長SiO2層（要求厚度1～2nm）

氧化爐溫800℃，通濕氧5分鐘或720℃，通濕氧10--15分鐘。可生長1.5nm左右的SiO2層。

註：在槽內先生長1～2nm厚的氧化層可能對矽表面阻斷電壓的形成有利。

10、電泳法塗敷玻璃粉

異丙醇（IPA)和乙基醋酸纖維素(EA)作為懸浮媒介，以體積比IPA:EA=50:50混合。

每100cc懸浮液中加入2--4克玻璃粉，超聲4--5分鐘後靜置4--5分鐘後將其倒入石英或具有特氟隆塗層的不鏽鋼液槽內。

按2.0--4.0cc/L的比例加入28%的氨水（或通氨鼓泡至濃度為0.03mol/L）。

上述電解液添加好後超聲混合4分鐘然後將攜帶矽片及其反電極的裝置浸入電解液中，矽片和反電極的最佳距離是2厘米。

懸浮液靜置30秒後由直流電源通過電泳裝置的端子（如鱷魚夾）加以100--200V/cm場強，2--4分鐘。

裝置將電極和矽片帶出的速度為5毫米/秒。

11、玻璃熔凝（燒成）

將矽片置於110±2℃烤盤上烘烤2 min，置於旋轉真空吸盤在轉速800～1000rpm下用橡膠圓塊輕輕擦去矽片表面殘留的玻璃粉（也可拿個小刷子輕輕掃塗有玻璃粉的矽片表面，保證塗層均勻再入爐），然後以一定間隔豎立插放在石英舟上準備進爐。

玻璃預燒。玻璃粉塗敷之後，將晶片放在200°C下，以使溶液蒸發烘乾。然後將矽片放入500℃焙燒爐中通入氧氣焙燒15分鐘，以燒去有機溶劑（或光刻膠膜）。燒完後只留下溝槽中的白色粉末玻璃。以5–8℃/min(或推拉速度為50mm/min)升溫至轉化溫度（如GP-200玻璃粉的轉化溫度560℃）保溫20～30分鐘，爐口預熱及冷卻各5--10min。

擦拭預燒後矽片。將預燒後的矽片表面的玻璃粉擦拭乾凈，注意溝槽內玻璃漿不要擦掉。沿對角線方向輕擦去矽片表面殘留的玻璃粉（此步驟根據效果取捨）。

玻璃燒成。進出方式同玻璃預燒，在一定比例的氧氣+氮氣氣氛中燒成。各種玻璃粉的熔凝典型溫度一般在720-860℃之間，與玻璃成分有關（如GP-200玻璃粉的熔化溫度820℃）。溫度曲線按附件1玻璃粉產品說明書實施。嚴格控制玻璃燒結熔凝溫度和氧氣中的含氮氣量是製備優質玻璃鈍化層的關鍵。

12、ＨＦ漂洗（腐蝕）矽表面

用HF:H2O＝1：3～5漂20－40秒，除去矽片表面殘留玻璃層及氧化物，用超純水沖洗、烘乾備用。

注意：嚴格控制腐蝕速率、時間及腐蝕厚度。

13、雙面化學鍍鎳

鍍鎳液配方：氯化鎳30克/升、次亞磷酸鈉10克/升、氯化銨50克/升、檸檬酸氫二銨65克/升。鍍鎳液加熱至沸騰，加入氨水25ml調節pH值至9左右，將矽片放入鍍鎳液中，時間5-7分鐘。一次鍍鎳、清洗烘乾後進行680--750℃在含氮氣或氮氫混合氣體中燒滲，時間30—40分鐘，讓鎳、矽形成微合金層。燒滲後鎳層表面發黃需用硝酸腐蝕，再用氫氟酸漂洗，矽片清洗乾淨後再鍍上一層可焊性良好的新的化學鍍鎳層。

註：快恢復二極體需要在化學鍍鎳前擴鉑

鉑源：a、美國Filmtronics公司Pt920液態源；b、無水乙醇∶三氯化鉑=100：0.5-2.5；

在擴散片磷面旋轉塗敷鉑源，烘乾後鉑面背靠背排放在石英舟中並壓緊；

推入專用石英管道中。爐溫860℃-980℃；時間：45-60分鐘。對應的恢復時間Trr：200-35ns。

需要指出的是，擴鉑片應按不同矽片電阻率、正向壓降VF和恢復時間Trr適當確定原始矽片的厚度。一般為：

1）電阻率10-15Ω·cm、正向壓降VF小於1V、恢復時間Trr小於50ns的原始矽片厚度選220±10μm；

2）15-30Ω·cm、正向壓降VF小於1.2V、恢復時間Trr小於150ns的原始矽片厚度為250±10?m；

3）30-45Ω·cm、正向壓降VF小於1.3V、恢復時間Trr小於200ns的原始矽片厚度為280±10?m。

14、晶圓劃片工藝

採用高速砂輪劃片機或雷射劃片機。

高速砂輪劃片機工藝：氣壓：6.5—7.2kg/cm2；冷缺水壓：1.5—2.0kg/cm2；轉速500-700r/s；進刀速度4-10mm/s；余高5μm；刃寬25--50μm；

雷射劃片機工藝：劃片速度30到40mm/s；

劃片深度波動控制在20um之內。

15、裂片、清洗、包裝

將藍膜用純水粘在不鏽鋼板上冷凍（-18℃ 、30min）進行裂片，去除矽片邊緣的不良品；取出後剝下藍膜，用水沖入不鏽鋼篩網內，開水燙後在丙酮里浸泡20分鐘後，異丙醇超聲三到四次，脫水烘乾（如有光刻膠殘留須在白熾燈下30—50℃烘乾）及包裝。

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