二極管生產(chǎn)工藝

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生產(chǎn)實(shí)習(xí)

專家講座

二極管的生產(chǎn)工藝

電子12-1

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二極管生產(chǎn)工藝流程

1.二極管簡介

N型中照單晶，優(yōu)點(diǎn)是缺陷少，電阻率均勻性好，斷面電阻率均勻度一般在±5%以內(nèi)，特別適合做大電流高電壓器件，也適合做工作頻率較高的器件。（相比之下，直拉單晶（CZ），因其含氧、碳量高，雜質(zhì)補(bǔ)償度高，電阻率均勻性差（±20%左右），主要用于拉制30Ω.㎝以下單晶，成本較低；區(qū)熔單晶（FZ）補(bǔ)償度低，氧、碳含量低，電阻率均勻性也較好（±10%），但由于位錯(cuò)較多，質(zhì)地較脆，僅適合做一般功率器件。ρ=60~80Ω.㎝，電阻率分檔60~70Ω㎝，VB=110ρ0.7，70~80Ω.㎝。無位錯(cuò)，位錯(cuò)密度≤500個(gè)/㎝2，視為無位錯(cuò)。少子壽命τP≥100μs，壽命高說明缺陷少，重金屬雜質(zhì)少。直徑φ46~50，割φ40園。厚度0.36~0.38mm，精磨片。

主要工藝流程：硅片檢查→硅片去砂去油→硅片微腐蝕→硅片拋光→閉管擴(kuò)Ga、Al→氧化→一次光刻→磷擴(kuò)散→真空燒結(jié)→蒸發(fā)Al→反刻鋁→微合金→磨角、腐蝕→斜邊保護(hù)→電照→封殼→高溫儲(chǔ)存→打印→產(chǎn)品測試→產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)→包裝入庫。

2.工藝流程

2.1．硅片檢查

抽樣檢查硅片是否為N型，A針加熱時(shí)，A點(diǎn)電子擴(kuò)散到B點(diǎn)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，檢流計(jì)指針右偏，可判定硅片為N型，反之為P型。（或千分尺）檢測硅片厚度是否超標(biāo)，并進(jìn)行分檔，最好用氣動(dòng)量儀（非接觸式）測量，可避免對硅片表面造成損傷。用放大鏡檢查所有硅片是否有劃痕、裂紋。用四探針檢測電阻率，并進(jìn)行分檔。

2.2．硅片清洗

1、去砂，超聲波（1000~4000w）水超16小時(shí)以上。

2、去油，用有機(jī)溶劑超聲去油，此步驟可不用。使用工號(hào)清洗液去油（同時(shí)也有去金屬離子功能）。

用Ⅲ號(hào)清洗液去油、蠟等有機(jī)物，效果十分好。配比為H2SO4：H2O2=1：1（體積比），去重金屬離子一般用Ⅱ號(hào)清洗液或王水。Ⅱ號(hào)清洗液配比H2O：H2O2：HCl=8：2：1。H2O2為強(qiáng)氧化劑；HCl是強(qiáng)酸，可與活潑金屬（Al、Zn）、金屬氧化物（CaO、Fe2O3）、硫化物（AlS）等作用，予以溶解，HCl還兼有絡(luò)合作用，鹽酸中的氯離子，可為Au3+、Pt++、Cu+、Ag+、Ni3+、Fe3+等提供內(nèi)配位體，形成可溶性水的絡(luò)合物。王水，配比為HNO3：HCl=1：3（克分子比），體積比為1：3.6。王水不但能溶解較活潑的金屬和氧化物，而且還能溶解不活潑的Au、Pt等幾乎所有金屬。Au+HNO3+4HCl=H[AuCl4]+NO↑+2H2O，[AuCl4]－——氯金酸根，也是一種可溶于水的絡(luò)離子。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)清洗液和王水處理硅片時(shí)，只需煮開10分鐘左右，然后用DI水（高純水）沖凈，最終再用DI水煮5遍，大量DI水沖凈。DI（高純）水的電阻率≥8МΩ（25°C）。一般選用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)清洗液依次進(jìn)行清洗，或選用Ⅰ號(hào)、王水、Ⅲ號(hào)依次進(jìn)行清洗。

2.3．硅片拋光

拋光目的：獲得光亮的硅片表面，以利獲得均勻的高質(zhì)量的SiO2層，便于光刻開窗，同時(shí)可獲得均勻的表面濃度、擴(kuò)散結(jié)深。平坦的PN結(jié)是提高器件開關(guān)特性的重要條件，也是獲得雪崩電壓特性的必要前提。1）機(jī)械拋光（氧化鎂拋光）

此方法，上世紀(jì)六、七十年代使用較普遍，現(xiàn)已淘汰，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生劃道，生產(chǎn)效率也低。

2）絡(luò)離子拋光（屬化學(xué)機(jī)械拋光）

拋光液配比為：H2O：（NH4）Cr2O7：Cr2O3=10升：100克：300克，Cr2O3（三氧化二鉻）——磨料，（NH4）Cr2O7（重鉻酸銨）——氧化腐蝕劑。3Si+2Cr2O7-2+16H+→3SiO2+4Cr+3+8H2O硅被氧化成SiO2，易被磨去。此法優(yōu)點(diǎn)是拋光速度較快；缺點(diǎn)是易損傷硅片表面，且易產(chǎn)生二次缺陷，兩種拋光料對人體也有一定損害。二十年前使用較普遍，現(xiàn)已基本淘汰。3）二氧化硅拋光（屬化學(xué)機(jī)械拋光）

拋光液為SiO2的懸浮液中參與少量NaOH，制成PH值為9－11的堿性膠體溶液。可直接購買由專業(yè)廠家配制好的拋光液。NaOH對硅起腐蝕作用，SiO2為磨料。主要反應(yīng)是Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2，溶液中的Na2、SiO2在拋光過程中起化學(xué)腐蝕作用，使硅片表面生成硅酸鈉鹽，通過SiO2的膠體對硅片產(chǎn)活力械摩擦，隨之又被拋光液帶走，實(shí)現(xiàn)去除表面損傷層的拋光作用。拋光布為無紡布，用膠粘在下拋光盤上。4）化學(xué)拋光法

拋光液配比：HNO3：HF：HAC（冰乙酸）=5：2：2腐蝕速度0.6－0.8μm/s，因反應(yīng)速度快，操作時(shí)，要不斷晃動(dòng)，使反應(yīng)均勻，并要在排風(fēng)罩下操作。生產(chǎn)PK管時(shí)，有時(shí)可用此法作簡易拋光，拋光液配比為：HNO3：HF：HAC=10：1：2，腐蝕速度較慢約為2～3μm/min。提醒：做快速和高頻晶閘管時(shí)，一般先做拋光，后做一擴(kuò)（Ga、Al）。若擴(kuò)后濃度稍稍偏高一點(diǎn)，可做二次拋光，加以調(diào)整；若擴(kuò)后濃度偏高較多，則采用化拋加SiO2拋光法加以調(diào)整。

2.4．?dāng)U散

1、擴(kuò)散用雜質(zhì)源的選擇原則。（1）導(dǎo)電類型要適合

若要得到P型擴(kuò)散層，就應(yīng)選擇受主雜質(zhì)，如Ga（鎵）、B（硼）、Al（鋁）等；若要得到N型擴(kuò)散層，應(yīng)選擇施主雜質(zhì)，如P（磷）、Sb（銻）、As（砷）等。我們選用的受主雜質(zhì)尋常有：純Al、Al（NO3）3、Si一Ga粉、Ga2O3、B2O3、BN片等。選用的施主雜質(zhì)有POCl3、PCl3、P2O5等。（2）要考慮雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D的大小

在同樣條件下，選用D大的雜質(zhì)有利于提高生產(chǎn)效率；先擴(kuò)散雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)D要比后擴(kuò)散雜質(zhì)的D小。如在1250°C的擴(kuò)散溫度下，B、Ga的D比磷的D要小一些，這樣才能做到后擴(kuò)散雜質(zhì)時(shí)，不明顯改變先擴(kuò)散雜質(zhì)在硅中的分布。（3）擴(kuò)散掩蔽問題是平面工藝中的一個(gè)關(guān)鍵問題。如用SiO2作掩蔽膜時(shí)，雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)比在硅中的擴(kuò)散系數(shù)小得多，否則起不到掩蔽作用。Al、Ga、In（銦）在SiO2中的DSiO2都比其在Si中的DSi大得多。故SiO2對Al、Ga起不到掩蔽作用。有的單位先做氧化后擴(kuò)Ga、Al，

其道理即在于此，且這樣做可能會(huì)阻止某些有害雜質(zhì)的摻入，有利于提高一擴(kuò)質(zhì)量。而P、As、Sb在SiO2中的D都比其在Si中的D小得多，如磷（P）僅為1/1000；B在SiO2中D也比其在Si中的D小得多，約為1/200。故SiO2對P、B等可起到掩蔽作用，這就是掩蔽擴(kuò)散的基本原理。

（4）應(yīng)選擇簡單獲得純度高、有較高蒸氣壓，且使用期長的雜質(zhì)源，如Ga源有純Ga、Ga2O3；Al源有純（5個(gè)9以上）Al、Al（NO3）3；B源有B2O3、BN、硼酸三甲脂；P源有P2O5、POCl3、PCl3等。

（5）雜質(zhì)在硅中的固態(tài)溶解度要大于所需要的表面濃度，如Al在硅中的固溶度為5×1018～2×1019㎝-3，Ga在硅中的固溶度為1×1018～5×1019㎝-3，B在硅中的固溶度為1×1020～5×1020㎝-3，P在硅中的固溶度為5×1020～3×1021㎝-3。

上述四種常用雜質(zhì)在硅中的固溶度均大于所需表面濃度。如要求Ga擴(kuò)散的表面濃度NS1為2×1017～5×1018㎝-3，P擴(kuò)散的表面濃度NS2為5×1020～2×1021㎝-3。

（6）盡量選用毒性較小的雜質(zhì)源如施主雜質(zhì)盡量用P（磷）、而不選用As（砷），因砷的毒性更大。要求擴(kuò)散爐兩端必需配有良好的排風(fēng)系統(tǒng)。2、擴(kuò)散條件的選擇原則

擴(kuò)散條件包括雜質(zhì)源、擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間。選擇這些條件的總原則是：

（1）否到達(dá)結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)量的要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括橫向和縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)主要指陰極——門極圖形；縱向則主要指結(jié)深和濃度分布控制。（2）是否易于控制，即均勻性和重復(fù)性是否好。（3）對操作人員有無危害。

2.5．氧化

本工序主要是要在Si片表面生長SiO2層。二氧化硅在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中的作用做雜質(zhì)選擇擴(kuò)散的掩蔽膜，這是要介紹的主要內(nèi)容；做器件表面的保護(hù)膜；做器件斜邊的鈍化膜；氧化分為干氧氧化和濕氧氧化。

干氧氧化的氧化層生長機(jī)理：高溫下的氧分子與硅片表面的硅原子反應(yīng)，生成SiO2起始層，其反應(yīng)式為Si+O2==SiO2，生長的SiO2起始層阻止了氧分子（O2）與Si表面的直接接觸，氧分子只有以擴(kuò)散方式通過SiO2層，到達(dá)SiO2－Si界面，才能與硅原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，使SiO2薄膜繼續(xù)增厚。這就是干氧氧化SiO2層生長速率較慢的主要原因。

濕氧氧化既有氧分子的氧化作用，又有水分子的氧化作用。水汽氧化的氧化層生長機(jī)理：高溫下水汽與Si片接觸時(shí)，水分子與Si片表面的Si原子反應(yīng)生成SiO2起始層，其反應(yīng)式為2H2O+Si=SiO2+2H2↑，此后，水分子與Si的反應(yīng)一般有兩種過程：一種是水分子擴(kuò)散過已生成的氧化層，在Si－SiO2界面處與硅原子反應(yīng)使氧化層不斷增厚；另一種是水分子先在SiO2表面生成硅烷醇（Si－OH），其反應(yīng)式為H2O+Si+O+Si→2（Si－OH），生成的硅烷醇再擴(kuò)散過SiO2層到達(dá)Si－SiO2界面處與Si原子反應(yīng)，使SiO2層繼續(xù)增厚。由于存在兩種氧化過程，因此，水汽氧化的速率比較快。

2.6．光刻

晶閘管的生產(chǎn)中一般要做兩次光刻：第一次是刻二氧化硅層，稱為一次光刻；其次次刻鋁，稱為反刻。這兩次光刻的基本過程一致，只是工藝條件有一些差異，所不同的是腐蝕方法不一樣。

光刻工藝是一種復(fù)印圖像同化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)。它先采用照相復(fù)印的方法，把光刻版上的圖形確切地復(fù)印在涂有感光膠的二氧化硅層或金屬蒸發(fā)層上，然后利用光刻膠的保護(hù)作用，對二氧化硅或金屬層進(jìn)行選擇性腐蝕，從而在二氧化硅或金屬層上得到與光刻版相應(yīng)的圖形（負(fù)膠）。

光刻中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題及其解決方法光刻中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題有浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔、小島等。浮膠原因：A、硅片不清白，有油污，水汽等；硅片在空氣中放置過久；空氣濕度大（30～60%為宜）。B、光刻膠存放時(shí)間太長而變質(zhì)；膠膜不均勻或太厚。C、前烘或堅(jiān)膜時(shí)間不足或過度。D、曝光不足。E、顯影時(shí)間過長。腐蝕氧化層時(shí)產(chǎn)生的浮膠原因：A、堅(jiān)膜不足。B、腐蝕液中氟化銨偏少，腐蝕液活潑性太強(qiáng)。C、腐蝕液溫度太高或太低。

2.7．合金燒結(jié)與微合金

合金與燒結(jié)的目的是在金屬與半導(dǎo)體之間形成所需的金半接觸，金半接觸一般分為整流接觸和非整流接觸（歐姆接觸）。所謂歐姆接觸，就是指金半接觸后不存在整流效應(yīng)，電壓與電流的關(guān)系曲線符合歐姆定律。良好的歐姆接觸應(yīng)滿足如下條件：

①電壓與電流的關(guān)系曲線呈線性且對稱；②接觸電阻盡可能低；

③有良好的沾潤，能承受一定的機(jī)械力（既有一定的機(jī)械強(qiáng)度）。在硅整流二極管和晶閘管的制造中，陰極先蒸鋁后做微合金的工藝就是制作歐姆接觸的；而陽極以鋁為過渡層，燒結(jié)鉬片（或鎢片）也是制作歐姆接觸的。

整流接觸是指金半接觸后具有整流效應(yīng)（即具有單向?qū)щ娦裕┑慕佑|，如N+－P結(jié)。我們以前用合金一擴(kuò)散法來制造晶閘管時(shí)，在P－N－P的一面P型層上燒結(jié)Au－Sb片來制作陰極，就是制作N+－P結(jié)（J3結(jié)，N+P結(jié)），從而實(shí)現(xiàn)整流接觸。

2.8．真空鍍膜

常用鎢絲或鉬舟做加熱體，使被鍍金屬熔化并蒸發(fā)。鎢（W）的熔化溫度（3410＋20）°C，蒸發(fā)溫度3309°C；鉬（Mo）的熔化溫度2617°C，蒸發(fā)溫度2533°C。而一般鍍膜材料的熔點(diǎn)和蒸發(fā)溫度一定要低于W和Mo的熔點(diǎn)和蒸發(fā)溫度，才能使用。電阻加熱鍍膜法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作便利。缺點(diǎn)是真空度偏低，一般低于1×10－5mmHg，蒸鍍的金屬層易受加熱器等污染，鍍層質(zhì)量不高，膜厚較薄，一般在3μm以下，且不易蒸鍍多層金屬。在高真空(10－6～10－7mmHg)室內(nèi)，利用經(jīng)高壓加速并聚焦的電子束直接打到蒸發(fā)源表面，使金屬熔化并蒸發(fā)。一般采用水冷式紫銅坩堝裝源，由于紫銅的熱傳導(dǎo)性好，散熱快，鋁塊中心熔化時(shí)，邊緣仍呈固態(tài)，可避免源與坩鍋的反應(yīng)，保證蒸發(fā)物的純度。做擴(kuò)散雜質(zhì)源的Al一定要用電子來蒸發(fā)，否則純度不夠。

2.9．斜邊造角

斷開PN結(jié)。將PN結(jié)邊緣表面磨出一個(gè)斜角，以降低表面電場強(qiáng)度，使PN結(jié)的擊穿首先發(fā)生在體內(nèi)而不是表面。正斜角的特點(diǎn)：

①角θ磨得越小，表面空間電荷區(qū)寬度拉得越長，表面電場強(qiáng)度越小，L>d，電壓擊穿首先發(fā)生在體內(nèi)。

②表面最大電場強(qiáng)度不在PN結(jié)上，而是在低雜質(zhì)濃度一邊。角度θ越小，離PN結(jié)越遠(yuǎn)。

結(jié)論：正斜角對空間電荷區(qū)沿表面的展寬是有利的，因而能降低表面電場強(qiáng)度，提高表面耐壓。斜面尺寸由低濃度向高濃度方向減小的磨角角度稱為負(fù)斜角。負(fù)斜角的特點(diǎn)：

①90°～45°之間隨θ變小表面電場強(qiáng)度增大。45°處表面電場強(qiáng)度達(dá)到最大值。在45°→0°，隨θ變小表面最大電場強(qiáng)度下降。因此高壓管必磨小負(fù)斜角。

②表面最大電場強(qiáng)度不在PN結(jié)上而是在高濃度一側(cè)。

2.10．表面清洗與腐蝕

二極管和晶閘管的耐壓特性，只有通過斜邊腐蝕和清洗才能表現(xiàn)出來表面清洗，磨完角的芯片（管芯）必需經(jīng)過去砂去油處理后，才能涂黑膠或直接做腐蝕。方法是水超和丙酮超。腐蝕方法及腐蝕原理。腐蝕方法有酸腐蝕法和堿腐蝕法，前者普遍適用，后者只適用于用鍍鎳浸錫工藝做的管芯或陰極、門極蒸多層金屬的管芯。

2.11．斜邊保護(hù)

斜邊保護(hù)的作用：將袒露的PN結(jié)表面與外界隔離開來，以保證斜邊表面狀態(tài)穩(wěn)定，減小表面漏電流，確保其長期可靠地運(yùn)行。器件在保護(hù)后，其耐壓特性不應(yīng)下降，對于一些高壓器件來說，也不應(yīng)發(fā)生邊沿處的表面放電現(xiàn)象（未保護(hù)前，不能在高壓下測試）。保護(hù)后，表面漏電流應(yīng)有所減小，并保持穩(wěn)定，特別在高溫下，不應(yīng)有因保護(hù)層未做好而產(chǎn)生附加的高溫漏電流：保護(hù)層與硅（包括SiO2）應(yīng)有良好的結(jié)合力，防潮濕、防腐蝕；保護(hù)層應(yīng)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高低溫循環(huán)的能力。

2.12．電子照射

管芯在做好斜邊（面）保護(hù)之后進(jìn)行電子輻照，能實(shí)現(xiàn)對芯子壽命的確切控制。電子輻照同摻金摻鉑相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：

①輻照可在管芯制造完成之后，在低溫下進(jìn)行，輻照工藝清潔簡單；②電子輻照的劑量能確切控制，故重復(fù)性、均勻性較好；

③可以采用累加輻照的方法，易于調(diào)整使之達(dá)到器件特性所需要的值；④輻照形成的深能級，可以在400°C以下退火消失掉，然后再重新輻照。

2.13．封裝

封裝就是把電特性合格的管芯密封到管殼中，并且引出電極線。封裝的作用一是使管芯與周邊的氣氛隔絕，二是引出電極，從而保證器件的可靠性和穩(wěn)定性。

①角θ磨得越小，表面空間電荷區(qū)寬度拉得越長，表面電場強(qiáng)度越小，L>d，電壓擊穿首先發(fā)生在體內(nèi)。

②表面最大電場強(qiáng)度不在PN結(jié)上，而是在低雜質(zhì)濃度一邊。角度θ越小，離PN結(jié)越遠(yuǎn)。

結(jié)論：正斜角對空間電荷區(qū)沿表面的展寬是有利的，因而能降低表面電場強(qiáng)度，提高表面耐壓。斜面尺寸由低濃度向高濃度方向減小的磨角角度稱為負(fù)斜角。負(fù)斜角的特點(diǎn)：

①90°～45°之間隨θ變小表面電場強(qiáng)度增大。45°處表面電場強(qiáng)度達(dá)到最大值。在45°→0°，隨θ變小表面最大電場強(qiáng)度下降。因此高壓管必磨小負(fù)斜角。

②表面最大電場強(qiáng)度