Способ химического разделения пластин кремния с глубокозалегающим p - n-переходом на отдельные кристаллы

 

Использование: способ химического разделения пластин кремния с глубокозалегающим p - n-переходом на отдельные кристаллы, используемый в микроэлектронике. Сущность изобретения: методом фотолитографии формируют рисунок разделительных дорожек с двух сторон кремниевой пластины, причем на одной стороне изготавливают рисунок разделительных дорожек в виде полосы шириной не менее d_макс, где d_макс - ширина дорожки, при которой скорость травления кремния в данном травителе постоянна, а на противоположной стороне в направлении области смыкания фронтов травления рисунок разделительных дорожек устанавливают в виде цепочки окружностей диаметром d, где d<d, удаленных друг от друга на расстояние l, определяемое неравенством, приведенным в описании, при этом линия раздела кристаллов, по которой располагают отверстия, имеет скругления в углах кристаллов по радиусу R≥ 2h_ср, где h_ср - средняя ширина дорожки между кристаллами на общем основании. 5 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковой структуры.

Известен способ химического разделения пластин кремния на отдельные кристаллы [1] . Однако этот способ не позволяет проводить групповую обработку кристаллов.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ химического разделения пластин на кристаллы, закрепленные на общем основании, за счет применения одностороннего травления пластины кремния по раздельным дорожкам [2] . Однако одностороннее травление имеет существенные недостатки.

Целью изобретения является устранение недостатков одностороннего травления, т. е. сокращение длительности травления, уменьшение нависания слоя золота над краем структуры, исключение сжимания структур в "гармошку", улучшение равномерности и воспроизводимости травления за счет применения разделительных дорожек определенной топологии, элементы которой определяются из физических характеристик процесса травления. Для этого пластины кремния, содержащие глубокозалегающий р-n-переход, никелируют химическим осаждением по известной технологии, затем на поверхности пластины создают методом фотолитографии рисунок маскирующего слоя фоторезиста. При этом со стороны общего основания маскирующий слой фоторезиста располагают по контуру кристалла в виде строки из круглых областей, разделенных друг от друга расстоянием l в пределах 0,8d≅l≅2- d где Х₀ - глубина травления кремния через отверстие вбок от края; h_ср = 120 -20 мкм - средняя ширина промежутка между кристаллами на общем основании; d ≅ d_макс = 206 мкм - диаметр маскирующего диска или отверстия в золотом покрытии, определяемый по экспериментальной зависимости глубины травления от d и от длительности травления.

На свободных от фоторезиста местах пластины осаждают слои золота по известной технологии, затем маскирующий слой фоторезиста удаляют, а с поверхности и через свободные от золота области проводят травление кремния. Травление кремния ведут до образования средней ширины промежутка h_ср = 120± 20 мкм. После промывки, сушки, нанесения защитного слоя на боковую фаску кристаллы разделяют путем разрывания или резки тонкого слоя по перфорации общего основания.

Изобретение решает одновременно задачу исключения эффекта стягивания кристаллов в "гармошку". Для этого отверстия в углах кристалла изготавливают, располагая их по линии закругления с радиусом R: R ≥ 2h.

Сущность изобретения заключается в применении круглых отверстий в слое золота, нанесенном на пластину, на стороне, в которую смещается острый угол фаски. Диаметр отверстия d определяется из экспериментальной зависимости глубины травления Х_j от диаметра отверстия и длительности процесса t. Расстояние между соседними отверстиями выбирается в пределах от 0,8d до -d_♂ . Кроме того, для исключения стягивания кристаллов на основании в "гармошку" между кристаллами, а точнее в углах кристаллов, создают дополнительные области - изолированные островки кремния в форме четырехугольника с вогнутыми сторонами. Эти области образуются в результате травления кремния по линии контура скругленных углов кристаллов. При этом габариты четырехугольника λ должны превышать ширину промежутка h, что гарантируется условием R ≥ 2h или R_опт≥ 2h_гр.

На фиг. 1 показан фрагмент взаимного расположения круглых отверстий в слое золота и элементов кристалла, где h - ширина промежутка; l - расстояние между отверстиями; на фиг. 2 показана зависимость суммарного % брака от средней ширины промежутка на пластине h_ср; на фиг. 3 показана зависимость глубины травления Х_j от диаметра отверстия d и от длительности травления t, где кривая 1 соответствует d = 20 мкм, пунктирная - 80 мкм, кривая 2 - 100 мкм, кривая 3 - 300 мкм; на фиг. 4 показана зависимость суммарного % брака от соотношения λ /h; на фиг. 5 показан фрагмент взаимного расположения маскирующих областей с элементами кристалла на перекрестке, где 4 - маскирующие области, 5 - граница боковой поверхности кристалла, 6 - изолированная область, выполняющая функции распорки, λ - габариты распорки, R - радиус закругления кристалла, l - ширина промежутка между кристаллами.

П р и м е р. Способ опробован при изготовлении прибора 2Д212, имеющего квадратную кристаллическую структуру размером 3,3х3,3 мм². Кристаллическая структура этого диода получается разделением пластины кремния толщиной 240 + 10 мкм и диаметром d = 42 2 мкм, по всей площади которой создан диффузионный р-n-переход на глубине 120 + 10 мкм.

Пластину с глубокозалегающим р-n-переходом никелируют методом химического осаждения, а затем с помощью фотолитографического процесса на ее поверхности создают маскирующие области из фоторезиста типа ФП-25. На одной стороне пластины маскирующие области выполняют по линиям раздела кристаллов в виде полос шириной d > d_макс. Более подробно физический смысл d_макс обсужден в основной заявке. На противоположной стороне пластины маскирующие области выполняют круглыми и располагают их по линии, совмещенной с полосами на первой стороне пластины (см. фиг. 1). На пластинах с нанесенными маскирующими областями проводят электрохимическое осаждение золота толщиной 1,5-3 мкм. В результате нанесения золота под маскирующими областями остаются свободные от золота участки, через которые после удаления маскирующего фоторезиста будет вестись травление кремния. Образовавшиеся окна в золотом покрытии имеют размеры, равные удаленному слою фоторезиста. Травление кремния ведется в смеси кислот HNO₃ + HF + H₂COOH (6: 1: 3). Поскольку травление кремния на одной из сторон ведется через отверстия в сплошном золотом слое, то после травления кристаллы оказываются связанными на одном общем основании, остаются соединенными слоем золота. После травления кристаллы промывают, сушат, защищают фаску и контролируют внешний вид кристаллов групповыми методами. Перед сборочными операциями кристаллы разъединяют по перфорации основания.

При опробовании были установлены зависимости скорости травления кремния через отверстия от диаметра отверстия и от длительности. При этом было также установлено, что глубина травления вглубь Х_j равна глубине травления кремния вбок от края отверстия Х₀ для диаметров отверстий d ≅ d_макс. При размерном травлении этот результат очевиден, поскольку скорость травления кремния ограничивается диффузионным поступлением и диффузионным удалением продуктов реакции относительно реакционной границы. Именно поэтому скорость реакции в целом не зависит от кристаллографического направления. Соответственно глубина травления вглубь равна глубине травления вбок от края: X_j ≈ X₀.

Реальные пластины кремния не являются идеально плоскопараллельными и характеризуются средним разбросом толщины по площади Δ h_ср = ±10 мкм. Для полного разделения кристаллов на такой пластине приходится "передерживать" процесс травления. Критерием "передержки" служит граничная величина ширины сквозного промежутка h_гр между кристаллами на общем основании (см. фиг. 1).

Экспериментально h_ср было определено путем травления серии пластин разное время и измерения ширины промежутка в пяти симметричных точках на пластине (в центре и по краю на главных осях). По данным измерения h в пяти точках рассчитывают среднеарифметическое значение h_сри это значение сопоставляют с результатами контроля внешнего вида и электропараметров, измеренных после защиты и полного разделения кристаллов по перфорации основания. Полное разделение пластин проводили резкой или разрыванием золотого слоя по перфорации. На фиг. 2 показана зависимость % суммарного брака по внешнему виду и обратному току от величины h_ср. Из фиг. 2 видно, что при h_ср h_гр = 120 ±10 мкм, зависимость % брака от h_ср имеет излом и % брака резко возрастает для значений h_cp < h_гр. Рост брака обусловлен ломкой перемычек между кристаллами при обработках кристаллов на общем основании и при разделении основания.

Разделение кристаллов по перфорации накладывает ограничение на выбор величины расстояния l между соседними маскирующими областями (или отверстиями). Согласно геометрическому построению на фиг. 1, ограничение величины l сверху связано с d, с глубиной травления Х₀ и h_грсоотношением: l≅2- d ♂ (1) Выбор величины d и Х₀ для расчета l по выражению (1) аналогичен выбору d в основном изобретении и осуществляется при помощи экспериментальной зависимости Х_j от d и от длительности травления (см. фиг. 3).

Пример выбора l: пусть средняя толщина пластины h_0ср = 240 ± 10 мкм. Максимальная толщина h_0макс = 250 мкм. Глубина р-n-перехода Х h₀/2 = 125 мкм. Смещение острого выступа на боковой поверхности от места выхода р-n-перехода - на 25 мкм, являющееся достаточным для получения воспроизводимых электропараметров на кристаллах. На основе этих исходных данных находим глубину травления с каждой стороны пластины: со стороны широких промежутков d > d_макс, глубина травления должна быть Х₀₁ ≃ h₀/2 + 25 = 125 + 25 = 150 мкм. Глубина травления со стороны отверстий равна соответственно: X_j2 ≃ 250 - 150 = 100 мкм за то же время. По графической зависимости на фиг. 3 можно определить длительность травления на глубину ≈ 150 мкм через широкие промежутки (для d > d_гр): по кривой 3: получаем t = 30±5 мин. Далее для этой же длительности определяем диаметр отверстия (или маски) по параметру кривой, проходящей через точку пересечения координаты глубины травления Х_j2 = 100 мкм и координаты длительности t = 30 мин, параметр пунктирной линии составляет d = 80 мкм + 10 мкм. Это является целью расчета по зависимости фиг. 3. Теперь по формуле (1) рассчитываем длину промежутка между отверстиями в золотом основании: l= 2- 80 = 80 мкм, т. е. l = 80 + 10 мкм. С другой стороны, величина l не может быть малой, поскольку снижается прочность основания по перфорации и она начинает самопроизвольно рваться при механических нагрузках в процессе групповых обработок (промывка, сушка, нанесение защитного покрытия и т. д. ).

Специальным экспериментом был определен критерий прочности основания на разрыв по перфорации в форме соотношения между l и d. При проведении исследования использовались фотошаблоны с разным соотношением величин l и d, но удовлетворяющих условию (1). С их помощью изготавливались кристаллы и определялся суммарный % брака по наличию разрывов по перфорации и по затеканию защитного материала на тыльную сторону пластины. В качестве защитного материала применялся эластичный компаунд КЛТ-30. Результаты исследования сведены в графическую зависимость % суммарного брака от соотношения l/d (см. фиг. 4). Из фиг. 4 видно, что при l/d < 0,8 (2) % брака начинает резко возрастать, что соответствует потере прочности перфорации.

Итак, имеет место ограничение длины промежутка как сверху, так и снизу, что можно выразить соотношением:
0,8d≅l≅2- d (3)
После подстановки исходных данных d = 80 мкм, Х_j2 = 100 мкм, h_гр = 120 мкм имеем: 64 мкм ≅ l ≅ 80 мкм. При групповых обработках основание с кристаллами может стягиваться в "гармошку", что ограничивает возможности групповых обработок. Для предотвращения этого эффекта на перекрестках промежутков выполняют вспомогательные области в виде островков из кремния, имеющих форму четырехугольников с вогнутыми сторонами (см. фиг. 5). Эти области делают изолированными от кристалла, так чтобы при разделении кристаллов по перфорации они выпадали или оставались с одним из кристаллов, не влияя на его работу в приборе. Указанный островок является остатком от скругления углов кристалла (см. фиг. 5). Габариты островка-распорки λ , ширина промежутка между кристаллами h и радиус закругления углов кристалла R связаны друг с другом, согласно геометрическому построению на фиг. 5, соотношением: R²-Rλ+(λ/2)²= Rh+(h/2)²(4)
Опытная проверка показала, что для выполнения функции распорки габариты островка λ должны превышать ширину промежутка h:
λ≥h (5)
Это условие обосновывается резким возрастанием % суммарного брака - по внешнему виду плюс по обратному току кристалла, обусловленным стягиванием кристаллов в "гармошку" при λ≅ h.

Соотношение (4) позволяет условие (5) выразить через радиус закругления R:
R≥ 2h (6)
Поскольку оптимальная ширина промежутка h_опт = h_гр = 120 ± 10 мкм, то оптимальная величина радиуса R_опт ≥ 2h_гр = 2 х (120±10) = 240 ±20 мкм.

При изготовлении фотошаблона для кристалла прибора 2Д212 радиус закругления угла кристалла был выбран 300 мкм. Диаметр отверстия для перфорации выбран 80 мкм, а расстояние между отверстиями - 70 мкм.

С помощью этого фотошаблона было изготовлено более 40000 шт. опытных приборов. Процесс травления проводился, как и в основном изобретении, в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот. При этом ось кассеты с пластинами вращалась с наклоном к горизонту 73^о с частотой 75 об/мин. Длительность травления составила 30 + 5 мин. Суммарный выход годных опытных кристаллов превысил выход по текущей технологии на 15 ± 5% . Предложение подготовлено к внедрению на участке изготовления кристаллов прибора 2Д212 на П. О. "Фотон" в г. Ташкенте. (56) 1. Патент Японии N 99 (5) А 04, N 43-9081, 1968.

2. Патент Японии N 50-25906, кл. Н 01 L 21/306, 1975.

Формула изобретения

СПОСОБ ХИМИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ С ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИМ P - N-ПЕРЕХОДОМ НА ОТДЕЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, включающий никелирование поверхности пластины, формирование рисунка разделительных дорожек методом фотолитографии, нанесение на свободные от фоторезиста никелированные участки пластины золота, удаление фоторезиста и травление дорожек до разделения кристаллов, отличающийся тем, что, с целью сокращения длительности, улучшения воспроизводимости и равномерности травления, уменьшения нависания слоя золота над краем кристалла и исключения сжатия кристаллов на основании, перед формированием рисунка разделительных дорожек определяют ширину d_max дорожки, при превышении которой скорость травления кремния в используемом травителе постоянна, устанавливают зависимость скорости травления кремния от диаметра отверстия d < d_max, через которое проводится травление исходя из глубины залегания p - n-перехода и величины требуемого смешения области смыкания фронтов травления от плоскости p - n-перехода, рассчитывают необходимое соотношение d_{ma x} и d, после чего формируют рисунок разделительных дорожек с двух сторон кремниевой пластины методом фотолитографии, причем на одной стороне пластины изготавливают рисунок разделительных дорожек в виде полосы шириной не менее d_max, а на противоположной стороне пластины в направлении смешения области смыкания фронтов травления изготавливают рисунок разделительных дорожек в виде цепочки окружностей диаметром d, удаленных одна от другой на расстояние l, определяемое неравенством
0,8d≅l<2- d
где X₀ - величина бокового подтравливания, кремния равная глубине травления;
h_ср = (120 ± 20)мкм - средняя ширина дорожки между кристаллами на общем основании,
при этом линия раздела кристаллов, по которой располагают отверстия, имеет скругления в углах структур по радиусу R ≥ 2h_ср.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5