专利名称：二极管制造方法
技术领域：
本发明涉及一种二极管的制造方法，特别是极力地将二极管生产中必须的热处理低温化，力求减少生产中必要的热量，减少电力消耗量，同时通过硅外延片的杂质浓度分布维持急剧的变化之方法。
背景技术：
二极管是一种常用的半导体元件。二极管的制造主要是在一块外延片上制作出PN结结构，而外延片是一种具有高浓度N+型单晶硅衬底，在其表面上采用外延工艺加上低浓度N型单晶硅外延层的基片。现有二极管的制造方法是以外延片为对象，经过氧化(热处理)、光刻、杂质掺入、杂质扩散、光刻、金属化(AL)、光刻、合金等工序在外延片上形成PN结构和电极，从而制成二极管。现有二极管制造方法的不足是1、热处理温度高，耗能大，一方面不利于节约能源，另一方面相应的成本较大，比如氧化处理时需要1200℃，3小时，而且升温和降温需要控制速度(升温从850℃起以10℃/分的速度进行，降温从1200℃以5℃/分的速度降至850℃)，因此能耗较大。2、制成二极管后硅外延片的杂质浓度分布变化较缓，见图3二极管杂质的分布状态a)曲线，因此二极管在工作时速度慢，呈现的电阻大，电能损耗高。3、使用外延片的外延层厚度大(厚度为8μ)，基片价格贵。因为外延片是在含有Sb(锑)或As(砷)高浓度的硅衬底上面长出外延层，那么长出的层厚越厚，设备的占有时间越长，生产效率就下降，工序合格率也越下降，所以外延片的价格与生长的外延层的厚度成正例。
本发明的目的是极力地将二极管生产中必须的热处理低温化，力求减少生产中必要的热量，减少电力消耗量，同时通过硅外延片的杂质浓度分布维持急剧的变化，减少二极管的电能损失，提高工作速度，最终实现低成本、高效率的二极管生产来立足于市场。
发明内容
为达到上述目的，本发明在结构方面采用的技术方案是一种二极管制造方法，以半导体硅外延片为对象，对其进行氧化膜工序、光刻工序、杂质掺入工序、杂质扩散工序、光刻工序、钝化膜工序、光刻工序、金属膜工序、光刻工序以及合金工序，其创新在于制膜工序及杂质掺入工序采用化学汽相淀积方法并结合低温热处理在半导体片表面沉积薄层材料。
上述技术方案的有关内容和变化解释如下1、上述方案中，所述“化学汽相淀积方法”是在一定压力条件下，用汽相化学的方法在半导体片表面沉积薄层材料的方法，英文为[CVD(ChemicalVapor Deposition)]。所述“制膜工序”具体指氧化膜工序和钝化膜工序。
2、上述方案中，所述低温热处理是相对现有技术中的热处理温度而言，以往氧化时热处理温度为1200℃，而现在只需要950℃。
3、上述方案中，所述氧化膜工序、钝化膜工序以及杂质掺入工序中至少两个工序是采用化学汽相淀积方法生产的。
4、上述方案中，所述氧化膜工序的具体工艺为先采用化学汽相淀积方法(CVD)在半导体硅片表面沉积多晶硅薄层材料，淀积温度650℃，时间3小时，气源为硅烷(SiH4)，气体流速为150毫升/分(SCCM)，真空度为350(mmHg)，然后在950℃条件下，通湿氧(蒸气)1小时进行氧化处理。
5、上述方案中，所述杂质掺入工序的具体工艺为采用化学汽相淀积方法(CVD)在半导体硅片表面沉积硼薄层材料，淀积温度650℃，时间30分钟，气源为硅烷(SiH4)和P型杂质硼化氢(H3B6)，气体流速硅烷为150毫升/分(SCCM)，硼化氢4毫升/分(SCCM)，真空度为350(mmHg)。
6、上述方案中，所述钝化膜工序的第一种具体工艺为采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面进行磷硅玻璃淀积，淀积温度350℃，磷浓度为4.0mol％，厚度1μm，时间30分钟，还可以在磷硅玻璃淀积之后增加非晶氮化硅淀积和光刻，所述非晶氮化硅淀积采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面进行，淀积温度350℃，厚度最小为0.5μm，时间30分钟。
7、上述方案中，所述钝化膜工序的第二种具体工艺为采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面进行非晶氮化硅淀积，淀积温度350℃，厚度最小为0.5μm，时间30分钟。
8、上述方案中，在生产工序中采用两次以上的氧化工艺。第一次是指下表2、表3和表4中的第2项，即氧化(热处理)工艺，该工艺在硅表面形成了二氧化硅层。第二次是指下表2、表3和表4中的第5项，即杂质扩散(氧化)工艺，该工艺在硅表面形成了二氧化硅层。第三次是指下表3和表4中的第7项，即PSG淀积(CVD)(氧化)工艺。
下面通过列表形式给出现有技术以及本发明主要工艺和条件表1为以往现有技术
表2为本发明技术(一)
表3为本发明技术(二)
表4为本发明技术(三)
本发明技术方案的核心在于低温下进行的工序，其实现的手段是采用化学汽相淀积方法(CVD方法)。与现有的二极管及其制造方法相比，可以获得如下效果1可以使用低价格的外延片来制造二极管；2二极管的工作电耗减少；3二极管的工作速度快；4器件晶片尺寸小型化5生产工序中的能耗小；6生产成本低。
本发明二极管制造方法，从总体工序方面看由氧化工序、杂质掺入工序、杂质扩散工序及金属膜形成工序来形成，与现有二极管、晶体管、IC、VLSI(超大规模集成电路)等半导体器件的工序基本相同，属同样的道理。
本发明的新异点在于在方法、条件、组合等方面与以往不同，具体不同之处体现在两个方面，一是低温下进行的工序，二是对制膜工序和杂质掺入工序采用二次以上化学汽相淀积方法[CVD(Chemical Vapor Deposition)]和二次以上的氧化工序进行。结果在经济性、实用性方面获得很大利益的同时，还节省了生产中的能耗，提高了二极管的性能和品质。具体体现在以下几方面1、众所周知，外延片的原价，与生长的外延层的厚度成正比。外延层厚越厚，设备的占有时间越长，生产效率就下降。时间越长，工序合格率越下降。所以外延层做得薄，可获得生产的效率提高和工序合格率提高的双重效果，结果原价剧减。
2、本发明对二极管采用低温化的生产工序，所以生产工序中由热处理而产生的硅外延层中的高浓度杂质的陡峭分布带来实效是外延层厚减小，获得陡峭分布使外延层的厚度变得薄之效果。这点由图3很容易理解。
从图3中还可以知道，低温处理中，杂质变化b)相对于表面的深度呈急剧变化，这样电子走行距离短，相应地动作快，这点说明通过电流的电阻小，所以电压损失及电力损失也少。因此电力损失的减少带来自身的发热减少，相应地散热面积需要得少，结果器件面积可以做小。
3、通过上述方法及各因素的多重相互影响的效果，既节省能源，提高了产品的性能和品质，而且产品的生产成本大幅度地下降，因此实际效果非常显著。据计算，与过去的方法相比，实施本发明估计可减少芯片尺寸约60％、综合原价近50％。实用性之大、获利性之大可想而知。
附图1为一般二极管断面图。其中1为氧化膜，2为杂质的扩散层，3为外延成长层，4为其硅衬底，5为保护环扩散层。
附图2为形成二极管的硅衬底的杂质的分布状态。在这里是硅外延片的状态。(n0为外延层原始杂质浓度，n+为衬底浓度)。
附图3为把肖特基二极管(考虑了保护环扩散)实际做出来时的杂质的分布状态。其中a)是用过去的技术制成的情况；b)是用本发明技术制成的情况。
具体实施例方式
下面结合附图、比较例及实施例对本发明作进一步描述比较例参见表1所述的工序条件下做成二极管。
所使用的外延片的规格如下硅衬底 电阻率3μΩCM 杂质As外延层 电阻率0.8ΩCM 厚度8μ做成二极管后测定外延层厚度和浓度分布结果，见图3，a)，这时由硅外延层的杂质，缓变分布效果所减少的外层厚达到接近4μ，即实际外延层厚为4μ。做成二极管的结果，Vf为0.55V。
具体工艺步骤如下1、清洗半导体硅片。用氢氧化铵(NH4OH)、双氧水(H2O2)和水(H2O)按1∶4∶20配制的清洗液，在65℃条件下清洗硅片2.5分钟。
2、旋转甩干。把硅片插在旋转体上，在氮气(N2)保护中以每分钟1000转的转速旋转5分钟。
3、氧化。对硅片进行加温，从850℃开始以10℃/分钟升温到1200℃，通干氧(O2)10分钟→湿氧(蒸气)3小时→干氧(O2)10分钟，以5℃/分钟降温到850℃。
4、烘烤。在氮气保护条件下，将硅片用200℃烘烤30分钟。
5、涂胶。以4000转/分钟的转速旋转涂胶30秒。
6、烘烤。用热板以120℃烘烤硅片30秒。
7、用光刻板曝光。用光刻板以1000000勒克司-秒(Lux-Sec)的光照强度对硅片进行曝光。
8、显影。以500转/分钟的转速旋转显影60秒。
9、烘烤。同步骤6。
10、检验。用显微镜对光刻的显影观察检验。
11、烘烤。在氮气保护条件下，用150℃烘烤30分钟坚膜。
12、腐蚀。用氢氟酸(HF)、氟化铵(NH4F)按1∶6配制的试剂对光刻后的硅片进行腐蚀，温度为20℃，时间为20分钟。
13、检验。用显微镜观察检验。
14、去胶。用硫酸(H2SO4)、双氧水(H2O2)按10∶1比例对硅片去胶，温度120℃，时间10分钟。
15、检验。同步骤13。
16、清洗硅片。同步骤1。
17、检验。同步骤13。
18、硼淀积(杂质掺入)。将氮化硼(BN)片与外延片紧贴在1000℃条件下预淀积30分钟。
19、去除硼硅玻璃。用氢氟酸(HF)、水(H2O)按1∶5比例配制的试剂，在20℃条件下用30秒时间去除硼硅玻璃。
20、扩散氧化(杂质扩散)。在1200℃条件下，通干氧(O2)10分钟→湿氧(蒸气)50分钟→干氧(O2)10分钟。
21、烘烤。同步骤4。
22、涂胶。同步骤5。
23、烘烤。同步骤6。
24、用光刻板曝光。同步骤7。
25、显影。同步骤8。
26、烘烤。同步骤9。
27、检验。同步骤10。
28、烘烤。同步骤11。
29、腐蚀。同步骤12。
30、检验。同步骤13。
31、去胶。同步骤14。
32、检验。同步骤15。
33、清洗硅片。同步骤16。
34、在金属淀积之前的预处理。用氢氟酸(HF)、水(H2O)以1∶30比例在20℃条件下预处理20秒。
35、金属淀积。以5×10-6(mmHg)的真空度在150℃条件下，用 (埃/秒)淀积金属铝(AL)，淀积厚度为5微米。
36、烘烤。同步骤4。
37、涂胶。同步骤5。
38、烘烤。同步骤6。
39、用光刻板曝光。同步骤7。
40、显影。同步骤8。
4l、烘烤。同步骤9。
42、检验。同步骤10。
43、烘烤。同步骤1l。
44、腐蚀。用磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、醋酸(CH3COOH)按93∶l∶6的重量比配制的腐蚀液，在65℃条件下，用29KHz500W的超声波腐蚀3分钟。
45、检验。用显微镜观察检验。
46、去胶。用502去胶液(Tokyo-Ohka)在60℃条件下处理15分钟。
47、检验。用显微镜观察检验。
48、合金。在氮气保护下，用400℃处理30分钟。
实施例一参见表232工序条件下做成二极管。
所使用的外延片的规格如下硅衬底 电阻率3μΩQCM 杂质As外延层 比电阻O.8ΩCM 厚度8μ做成二极管后测定外延层厚和浓度分布结果，见图3，b)。这时由硅外延层的杂质层陡峭分布效果所减少的外延层厚为1μ，即实际外延层厚为7μ。做成二极管的结果是，二极管的正向压降，Vf为0.65V。这是因为实际外延层度厚的原因。
具体工艺步骤如下
1、清洗半导体硅片。用氢氧化铵(NH4OH)、双氧水(H2O2)和水(H2O)按1∶4∶20配制的清洗液，在65℃条件下清洗硅片2.5分钟。
2、多晶硅淀积。采用化学汽相淀积方法[CVD(Chemical VaporDeposition)]在半导体硅片表面沉积多晶硅薄层材料，淀积温度650℃，时间3小时，气源为硅烷(SiH4)，气体流速为150毫升/分(SCCM)，真空度为350(mmHg)。
3、擦洗(1)。用75公斤/厘米2的高压去离子水(DI water)擦洗1分钟。
4、擦洗(2)。再用1公斤/厘米2的去离子水(DI water)擦洗1分钟。
5、清洗硅片。同步骤1。
6、氧化。在950℃条件下，通湿氧(蒸气)1小时(没有以往氧化过程中的升温和降温)。
7、烘烤。在氮气保护条件下，将硅片用200℃烘烤30分钟。
8、涂胶。以4000转/分钟的转速旋转涂胶30秒。
9、烘烤。用热板以120℃烘烤硅片30秒。
10、用光刻板曝光。用光刻板以1000000勒克司-秒(Lux-Sec)的光照强度对硅片进行曝光。
11、显影。以500转/分钟的转速旋转显影60秒。
12、烘烤。同步骤9。
13、检验。用显微镜对光刻的显影观察检验。
14、烘烤。在氮气保护条件下，用150℃烘烤30分钟坚膜。
15、腐蚀。用氢氟酸(HF)、氟化铵(NH4F)按1∶6配制的试剂对光刻后的硅片进行腐蚀，温度为20℃，时间为20分钟。
16、检验。用显微镜观察检验。
17、去胶(剥胶)。用硫酸(H2SO4)、双氧水(H2O2)按10∶1比例对硅片去胶，温度120℃，时间10分钟。
18、检验。用显微镜观察检验。
19、清洗硅片。同步骤1。
20、硼淀积(杂质掺入)。采用化学汽相淀积方法[CVD(Chemical VaporDeposition)]在半导体硅片表面沉积硼薄层材料，淀积温度650℃，时间30分钟，气源为硅烷(SiH4)和P型杂质硼化氢(H3B6)，气体流速硅烷为150毫升/分(SCCM)，硼化氢4毫升/分(SCCM)，真空度为350(mmHg)。
2l、扩散氧化(杂质扩散)。在1200℃条件下，通干氧(O2)10分钟一湿氧(蒸气)50分钟→干氧(O2)10分钟。
22、烘烤。同步骤7。
23、涂胶。同步骤8。
24、烘烤。同步骤9。
25、用光刻板曝光。同步骤10。
26、显影。同步骤11。
27、烘烤。同步骤12。
28、检验。同步骤13。
29、烘烤。同步骤14。
30、检验。同步骤15。
3l、去胶。同步骤16。
32、检验。同步骤17。
33、清洗硅片。同步骤1。
34、在金属淀积之前的预处理。用氢氟酸(HF)、水(H2O)以1∶30比例，在20℃条件下预处理20秒。
35、金属淀积。以5×10-6(mmHg)的真空度在150℃条件下，用 (埃/秒)淀积金属铝(AL)，淀积厚度为5微米。
36、烘烤。同步骤7。
37、涂胶。同步骤8。
38、烘烤。同步骤9。
39、用光刻板曝光。同步骤10。
40、显影。同步骤11。
41、烘烤。同步骤12。
42、检验。同步骤13。
43、烘烤。同步骤14。
44、腐蚀。用磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、醋酸(CH3COOH)按93∶1∶6的重量比配制的腐蚀液，在65℃条件下，用29KHz500W的超声波腐蚀3分钟。
45、检验。用显微镜观察检验。
46、去胶。用502去胶液(Tokyo-Ohka)在60℃条件下处理15分钟。
47、检验。用显微镜观察检验。
48、合金。在氮气保护下，用400℃处理30分钟。
实施例二在实例一的基础上，如表2工序条件下做成二极管。
所使用的外延片的规格如下。
硅衬底 电阻率3μΩCM 杂质As外延层 电阻率0.5ΩCM 厚度5μ做成二极管的结果是，二极管的正向压降，Vf为0.47V，即得到了改善。
具体工艺步骤同实施例一。
实施例三与实例二相同，但在表2中，用多晶硅作膜时，热处理温度为1000℃、2小时氧化，其他完全相同。
做出来的二极管的特性，与实例二基本上相同。
具体工艺步骤同实施例二。
实施例四参见表3工序和条件下做成二极管。
所使用的外延片的规格如下。
硅衬底 电阻率3μΩCM 杂质As外延层 电阻率0.5ΩCM 厚度5μ做成二极管的结果是，二极管的正向压降，Vf为0.47V，即得到了改善。
表3与表2相比，第1-6项的工艺和条件相同，表3从第7开始增加了磷硅玻璃(PSG)淀积，即用第三次CVD(氧化)工序，钝化器件，其目的是进一步提高器件可靠性。其它工艺与实施例二相同，这里不重复描述。本实施例样品基本参数与实施例二相同。
实施例五参见表4工序条件下做成二极管。
所使用的外延片的规格如下。
硅衬底 电阻率3μΩCM 杂质As外延层 电阻率0.5ΩCM 厚度5μ做成二极管的结果是，二极管的正向压降，Vf为0.47V，即得到了改善。
表4与表3相比，第1-8项的工艺和条件相同，表4从第9开始又增加了非晶氮化硅淀积(CVD)，即采用第四次CVD工序，其目的是解决PSG膜稳定性问题，增加淀积非晶氮化硅[ASN(Amorphous Silicon Nitride)]膜，同时增强钝化能力。其它工艺与实施例四相同，这里不重复描述。本实施例样品基本参数与实施例二相同。
在实例中，采用四次CVD工序，不仅二氧化硅(SiO2)和多晶硅薄膜，还有磷硅玻璃(PSG)和非晶氮化硅(ASN)薄膜。
权利要求
1.一种二极管制造方法，以半导体硅外延片为对象，对其进行氧化膜工序、光刻工序、杂质掺入工序、杂质扩散工序、光刻工序、钝化膜工序、光刻工序、金属膜工序、光刻工序以及合金工序，其特征在于制膜工序及杂质掺入工序采用化学汽相淀积方法并结合低温热处理在半导体片表面沉积薄层材料。
2.根据权利要求1所述的二极管制造方法，其特征在于所述氧化膜工序、钝化膜工序以及杂质掺入工序中至少两个工序是采用化学汽相淀积方法生产的。
3.根据权利要求1或2所述的二极管制造方法，其特征在于在氧化膜工序中先采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面沉积多晶硅薄层材料，淀积温度650℃，然后在950℃条件下，进行氧化处理。
4.根据权利要求1或2所述的二极管制造方法，其特征在于在杂质掺入工序中采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面沉积硼薄层材料，淀积温度650℃。
5.根据权利要求1或2所述的二极管制造方法，其特征在于在钝化膜工序中采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面进行磷硅玻璃淀积，淀积温度350℃。
6.根据权利要求5所述的二极管制造方法，其特征在于在进行磷硅玻璃淀积之后增加非晶氮化硅淀积和光刻，所述非晶氮化硅淀积采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面进行，淀积温度350℃。
7.根据权利要求1或2所述的二极管制造方法，其特征在于在钝化膜工序中采用化学汽相淀积方法在半导体硅片表面进行非晶氮化硅淀积，淀积温度350℃。
8.根据权利要求1所述的二极管制造方法，其特征在于在生产工序中采用两次以上的氧化工艺。
全文摘要
一种二极管制造方法，以半导体硅外延片为对象，对其进行氧化膜工序、光刻工序、杂质掺入工序、杂质扩散工序、光刻工序、钝化膜工序、光刻工序、金属膜工序、光刻工序以及合金工序，其特征在于制膜工序及杂质掺入工序采用化学汽相淀积方法并结合低温热处理在半导体片表面沉积薄层材料。本发明核心在于低温下进行的工序，其实现的手段是对制膜工序和杂质掺入工序采用化学汽相淀积方法(CVD方法)进行。结果在经济性、实用性方面获得很大利益的同时，还节省了生产中的能耗，提高了二极管的性能和品质。据计算，与过去的方法相比，实施本发明估计可减少芯片尺寸约60％、综合原价近50％。实用性之大、获利性之大可想而知。
文档编号H01L21/02GK1484284SQ0313221
公开日2004年3月24日 申请日期2003年7月29日 优先权日2003年7月29日
发明者吴念博 申请人:苏州固锝电子股份有限公司