專利名稱：在半導(dǎo)體器件中生成導(dǎo)電通道的工藝和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在半導(dǎo)體器件中生成導(dǎo)電通道的工藝和一種實(shí)施該工藝的裝置。
US-A-4 159 215公開了一種靠溫度梯度區(qū)熔化穿透一半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體的工藝，該半導(dǎo)體器件由摻雜硅、鎵之類構(gòu)成，該半導(dǎo)體器件有對置的兩頂面，以鋁合金作為載體材料，磷、砷或銻作為摻雜劑。該半導(dǎo)體器件放置在一金屬蒸汽室中后在該半導(dǎo)體器件的兩頂面之一上涂上厚度為0.5μm-25μm的一層鋁-銻。用光刻固定遷移區(qū)后把如此制備的器件放置在一熱遷移裝置中。在半導(dǎo)體的溫暖底面和冷卻頂面之間用一溫度梯度作用約50℃的足夠長一段時(shí)間，該合金就穿透該半導(dǎo)體主體。
然后蝕刻掉或磨去半導(dǎo)體器件底面上的合金區(qū)，存下用熱遷移生成的再結(jié)晶半導(dǎo)體材料和所分離金屬的通道。
從一半導(dǎo)體器件的一頂面穿透到對置頂面的這種通道特別用于SMD(表面安裝裝置)器件，使得該器件的兩個(gè)電極的觸點(diǎn)位于該器件的(后邊的)同一頂面上。這種器件可用其后邊與其上有合適接觸區(qū)的電路板連接而無需使用導(dǎo)線或其他連接件。
一個(gè)特別應(yīng)用場合為光-電子傳感器件，即把電磁輻射能(光子)轉(zhuǎn)換成電信號、廣泛用于測量技術(shù)中的輻射線接受器。例如，在象(增量或絕對型)長度和角度測量系統(tǒng)之類的位置測量系統(tǒng)中，在一直角坐標(biāo)系后方放置若干輻射線接受器(特別是光電元件)。
這種輻射線接受器一般為阻擋層光電檢測器。它們包含PN、PIN、MS或MOS結(jié)，從而靠光阻擋層作用把電磁輻射能轉(zhuǎn)換成電信號。為了測量、計(jì)算該電信號，該輻射線接受器必須有電觸點(diǎn)，以便與一合適電開關(guān)連接。電開關(guān)常常集成在一電路板上，而該輻射線接受器最好構(gòu)作成一SMD器件。
為從半導(dǎo)體一頂面到對置頂面生成電連接，在半導(dǎo)體器件的p-導(dǎo)電層與后邊頂面之間比方說生成一圓柱形p-型半導(dǎo)電通道，該通道的直徑最好為30-100μm，除了其他連接工藝，可用熱遷移生成。
熱遷移的基本原理是，金屬摻雜物質(zhì)在硅之類半導(dǎo)體材料中的溶解性與溫度有關(guān)，隨著溫度的提高而提高。如在一足夠受熱半導(dǎo)體器件的兩對置頂面之間生成一溫度梯度，同時(shí)把一合適的金屬摻雜物質(zhì)加到該器件的冷卻頂面上，該金屬摻雜物質(zhì)就會(huì)遷移到該半導(dǎo)體器件的對置溫暖頂面。通過相應(yīng)構(gòu)作摻雜物質(zhì)加到其上的冷卻頂面(例如借助于氧化層)，就可按需要形成這類通道。
本發(fā)明的目的是提供一種工藝，該工藝用熱遷移特別在一半導(dǎo)體晶片上的半導(dǎo)體器件中生成導(dǎo)電結(jié)，該工藝可確保導(dǎo)電結(jié)通道穿過半導(dǎo)體晶片上具有固定pn結(jié)的半導(dǎo)體器件，該工藝所需時(shí)間短，對半導(dǎo)體晶片的加熱不影響半導(dǎo)體器件的摻雜，半導(dǎo)體晶片不變形。
按照本發(fā)明，用具有權(quán)利要求1的特征的工藝實(shí)現(xiàn)該目的。
通過在熱遷移工藝的整個(gè)過程中和在半導(dǎo)體晶片整個(gè)面積上進(jìn)行有目的的溫度控制，本發(fā)明工藝確保以最短時(shí)間、在該工藝進(jìn)行過程中除去雜質(zhì)地穿透半導(dǎo)體晶片上的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體。此外，確保半導(dǎo)體器件的摻雜不因?qū)Π雽?dǎo)體晶片加熱而受到影響，半導(dǎo)體晶片不因?qū)Π雽?dǎo)體晶片進(jìn)行熱輻射而發(fā)生鼓起之類變形。
熱遷移工藝的工作溫度最好在一定時(shí)間中保持不變，以便在達(dá)到該工作溫度后有足夠時(shí)間供導(dǎo)電介質(zhì)形成一從半導(dǎo)體前邊到后邊的導(dǎo)電通道。
本發(fā)明工藝的一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，該半導(dǎo)體置于一最好充滿具有良好傳熱性的惰性氣體的封閉系統(tǒng)中，特別是氣壓為0.1-30mbar的氦氣層流區(qū)中。
由于半導(dǎo)體放置在一充滿惰性氣體的封閉系統(tǒng)中，半導(dǎo)體上不會(huì)有雜質(zhì)，此外可最佳地用熱流加熱半導(dǎo)體的一頂面和冷卻另一頂面。
按照本發(fā)明另一特征，半導(dǎo)體上熱量分布的有效性和可控性提高，即半導(dǎo)體兩頂面位于互相隔開的區(qū)域中，從而通過具有良好傳熱性的氣體而不是主要比方說通過輻射能耦合用來加熱半導(dǎo)體的能量。
本發(fā)明工藝另一實(shí)施例的特征在于，特別根據(jù)在半導(dǎo)體上至少一溫度測量點(diǎn)上測得的溫度調(diào)節(jié)/控制輸入半導(dǎo)體中的熱量的總效率和輸入半導(dǎo)體待加熱頂面上的熱量的效率分布。
本發(fā)明工藝一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，半導(dǎo)體既可在熱源與冷卻裝置之間的平面中、又可在與該平面垂直的平面中移動(dòng)。因此，可控制耦合入半導(dǎo)體中的熱量和半導(dǎo)體的冷卻，通過把半導(dǎo)體從一裝載位置移動(dòng)到加熱位置使得半導(dǎo)體位于熱遷移裝置中或反過來從中取出半導(dǎo)體。
最好用一高溫測量裝置經(jīng)一光測量通道以非接觸方式測量半導(dǎo)體的溫度。
按照本發(fā)明工藝的另一特征，半導(dǎo)體用每單位時(shí)間預(yù)定溫升加熱到熱遷移工藝的工作溫度后以遞減的熱量輻射冷卻到一設(shè)定溫度或設(shè)定溫度場，然后在預(yù)定時(shí)段中自然冷卻到取出溫度。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施例見權(quán)利要求13-16的特征。
靠熱遷移在一盤形半導(dǎo)體兩對置頂面之間生成一溫度梯度并在冷卻頂面上施加導(dǎo)電摻雜物質(zhì)以在該半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電結(jié)的一種裝置的特征在于，一熱源與一冷卻裝置之間用來安置該半導(dǎo)體的一支撐，該熱源把熱量均勻輻射到該半導(dǎo)體的與該熱源正對的頂面上。
一熱源與一冷卻裝置布置成可精確控制溫度，從而在盡可能短時(shí)間中最佳地完成該熱遷移工藝。還確保高度純凈，對半導(dǎo)體摻雜的影響盡可能小。還確保半導(dǎo)體晶片不因溫度變化而發(fā)生變形。
本發(fā)明裝置一優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，熱源與冷卻裝置之間的區(qū)域被包封住，其中最好充滿具有良好傳熱性的惰性氣體、特別是氫氣或氦氣。
通過使用具有良好傳熱性的惰性氣體，防止氣體粒子與半導(dǎo)體和加熱裝置發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)確保大量熱流用來加熱半導(dǎo)體的一頂面，而半導(dǎo)體的另一頂面獲得良好冷卻，以使熱遷移工藝最佳。
該支撐平面中區(qū)域的細(xì)分使得系統(tǒng)得到劃分，以便在熱遷移工藝過程中最佳地控制半導(dǎo)體的加熱和冷卻，防止半導(dǎo)體晶片表面變形。
按照本發(fā)明另一特征，控制方式在于氣壓和/或該區(qū)域中的氣流/這些區(qū)域可變。
本發(fā)明裝置另一實(shí)施例的特征在于，該熱源包括一直接或間接的加熱爐。通過熱源的這一實(shí)施例，確保半導(dǎo)體/半導(dǎo)體晶片的與該爐正對的頂面上的熱量均勻分布，防止半導(dǎo)體/半導(dǎo)體晶片因加熱不均勻發(fā)生翹曲。
該爐最好有一與該支撐表面對應(yīng)的板，該板可使用電阻加熱、感應(yīng)加熱、電子束加熱或微波加熱。該板包括石墨材料，其最好與硝酸硼高溫分解地密封，或包括最純凈陶瓷。該板最好置于真空中，以把該板發(fā)出的熱量只導(dǎo)向半導(dǎo)體，從而使得該熱遷移裝置的效率最高。因此，為了防止板上區(qū)域中的粒子汽化、從而半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)變化，可使用化學(xué)和物理性質(zhì)不活潑的密封，或?yàn)榘暹x擇合適材料。
本發(fā)明方案一實(shí)施例的特征在于，該熱源包括至少伸展在半導(dǎo)體晶片表面上方的一鹵素?zé)魣觯擕u素?zé)魣鲎詈冒ㄎ挥趦善矫嬷械囊皇蛀u素?zé)魣觥?br> 該優(yōu)選十字鹵素?zé)魣隹煞謩e控制輸入半導(dǎo)體晶片中的熱量，對半導(dǎo)體晶片整個(gè)表面精確、均勻加熱，從而確保對半導(dǎo)體晶片的與鹵素?zé)魣稣龑Φ捻斆孢M(jìn)行均勻的熱輻射。由于半導(dǎo)體晶片頂面上的溫度可控，因此可升高晶片頂面邊緣的溫度，從而可在整個(gè)晶片頂面上設(shè)定各溫度分布。光的這一可調(diào)性、即溫度的有效均勻分布確保半導(dǎo)體晶片整個(gè)頂面上的狀態(tài)處處相同，從而用特殊溫度測量過程可設(shè)定熱遷移的最佳條件。
本發(fā)明方案一優(yōu)選實(shí)施例的特征是，樣本活塞由一樣本圓筒構(gòu)成，一樣本頭構(gòu)成樣本圓筒的覆蓋面而承接半導(dǎo)體晶片，一樣本凸緣向外突出在樣本圓筒的底面上，一提升板在該底面上氣密樣本圓筒，從而樣本活塞可沿軸向插入一受器中和從中抽出，該受器包括一與鹵素?zé)魣稣龑Φ氖芄獗砻婧鸵皇A筒。
用圓筒承接樣本可確保工作區(qū)與周圍環(huán)境分開，從而通過把惰性氣體引入工作區(qū)使得熱遷移工藝在最純凈條件下進(jìn)行，從而確保冷卻液和工作氣體的引入一出于密封原因一離半導(dǎo)體晶片的加熱位置足夠遠(yuǎn)，從而通過這一距離，確保獲得足夠的冷卻。
本發(fā)明方案一實(shí)施例的特征在于，樣本活塞的樣本圓筒的中央有一高溫測量頭，它通過一溫度測量和氣體通道以及該溫度測量和氣體通道中的一測量窗導(dǎo)向半導(dǎo)體晶片的與樣本頭正對的頂面，從而高溫測量頭用一高溫計(jì)凸緣在樣本活塞上固定和調(diào)節(jié)，其工作波長為2.2μm，有一微調(diào)聚焦錐，該微調(diào)聚焦錐朝向半導(dǎo)體晶片的頂面，從而在半導(dǎo)體晶片中部形成一測量小點(diǎn)。
高溫測量頭的固定和調(diào)節(jié)確保微調(diào)聚焦錐只在半導(dǎo)體晶片上形成一小點(diǎn)，從而溫度測量不在半導(dǎo)體晶片與樣本頭之間造成嚴(yán)重干擾。由于可用十字鹵素?zé)魣龅母骺煽佧u素?zé)粽{(diào)節(jié)半導(dǎo)體晶片頂面上的效率分布，因此該測量點(diǎn)代表半導(dǎo)體晶片整個(gè)表面上的溫度。
樣本頭最好包括三個(gè)頭部平面，樣本承接器與第一頭部平面連接，第一頭部平面包括中央溫度測量和氣體通道以及若干沿對角線穿過第一頭部平面的徑向分布?xì)怏w通道，從而氦氣或氫氣之類具有良好傳熱性的氣體經(jīng)這些通道從通道的噴嘴口噴出到半導(dǎo)體晶片底下。氣體用來保持工作區(qū)的純凈，氣流流率最好調(diào)節(jié)成0.5-50mbar/l，從而氣流不會(huì)抬起半導(dǎo)體晶片，不造成不均勻。
下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例可清楚看出本發(fā)明原理，附圖中


圖1為一光-電子傳感器的剖面圖，從該半導(dǎo)體器件的前邊到后邊有一圓柱形半導(dǎo)體通道。
圖2a為用熱遷移在一盤形半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電結(jié)的一裝置的原理圖。
圖2b為一半導(dǎo)體晶片的示意圖。
圖2c為圖2a所示裝置的剖面圖，用銷或腹板支撐半導(dǎo)體晶片。
圖2d為用一用作熱源的燈場在一半導(dǎo)體晶片中生成結(jié)通道的一裝置的側(cè)視圖。
圖3為一承接一半導(dǎo)體晶片的外部冷卻樣本容器的縱向剖面圖。
圖4為一內(nèi)部冷卻樣本容器的一部分的縱向剖面圖。
圖5為一樣本頭的各平面的縱向剖面圖。
圖6為該樣本頭的第一平面的俯視圖。
圖7為本發(fā)明熱遷移工藝的溫度-時(shí)間曲線圖。
作為使用本發(fā)明工藝的一個(gè)例子，在一半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電通道的圖1所示的一光-電子傳感器的剖面圖示出一半導(dǎo)體器件1，其半導(dǎo)體由硅構(gòu)成，包括一寬n-導(dǎo)電層100(厚300-400μm)，其前邊頂面有一薄得多的p-導(dǎo)電層101(約0.55μm)。這兩導(dǎo)電層100、101之間有一用作阻擋層的過渡區(qū)102。
器件1的前邊有一抗反射層穿過比方說由二氧化硅構(gòu)成的絕緣層109和109′。由p-導(dǎo)電層101一頂面構(gòu)成的輻射側(cè)頂面區(qū)104伸展在兩絕緣層109、109′之間。照射在頂面區(qū)104上的電磁輻射200穿過p-導(dǎo)電層101進(jìn)入過渡區(qū)102后大部分被過渡區(qū)吸收。從而在過渡區(qū)102中生成電子-空穴對。這些載流子對在過渡區(qū)中分離；電子流向n側(cè)，空穴流向p側(cè)。為了測量光子流即測量輻射效率，器件1必須集成在一合適電開關(guān)中。這種電開關(guān)通常包括若干光電元件和在一電路板上相對放置的半導(dǎo)體器件。
為了連接器件1與這種電開關(guān)，其穿過絕緣層110的后邊頂面105上有電極106和107，這些電極的平觸點(diǎn)106a和107a用可釬焊材料制成。因此后邊頂面105由n-導(dǎo)電層100的頂面本身構(gòu)成。為盡可能減小接觸電阻，n-導(dǎo)電層100的連接電極106位于半導(dǎo)電層100的一低電阻、強(qiáng)摻雜區(qū)103上。
為了把p-導(dǎo)電層101的連接電極107也置于器件1的后邊頂面105上，該p型的一圓柱形半導(dǎo)體通道111從p-導(dǎo)電層101伸展到器件1的后邊頂面105上。p-導(dǎo)電通道111的直徑最好為30-100μm，由熱遷移生成。
此外，結(jié)111的后邊端由另一p-導(dǎo)電區(qū)112圍住，該導(dǎo)電區(qū)比方說用離子植入或離子擴(kuò)散生成，使得p-導(dǎo)電層101經(jīng)圓柱形區(qū)111和電極107實(shí)現(xiàn)無故障接觸。圍住圓柱形區(qū)111的頂面部的另一p-導(dǎo)電區(qū)112的擴(kuò)展范圍選擇成盡可能消除圓柱形區(qū)111在生成過程中在該頂面附近造成的電子結(jié)構(gòu)的干擾。該另一p-導(dǎo)電區(qū)的厚度在0.6μm范圍內(nèi)。
由于n-導(dǎo)電層100和p-導(dǎo)電層101的電極106/107相間距地位于器件1的后邊頂面105上，因此器件1很容易與一電路板連接、從而集成在一電開關(guān)中。為此，電極106和107及其觸點(diǎn)106a和107a只須在電路板接觸表面上并用釬焊或超聲波焊接固定。無需在器件1的電極與電路板之間使用其他連接件、例如釬焊橋。
用來生成圖1所示一半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體中的導(dǎo)電通道的裝置如圖2a和2c簡示，圖2d中還示出一用作熱源的燈場。這些裝置用來承接一半導(dǎo)體晶片、即其上有多個(gè)半導(dǎo)體器件的一板，這些半導(dǎo)體器件按照其目的和應(yīng)用摻雜和構(gòu)作。除了圖2a、2c和2d所示裝置，也可使用其他同類裝置承接半導(dǎo)體晶片和生成從半導(dǎo)體晶片上的半導(dǎo)體器件的一頂面到另一頂面的導(dǎo)電通道。
其工作原理如圖2a所示、在盤形半導(dǎo)體中用熱遷移生成導(dǎo)電通道的裝置由一架25構(gòu)成，該架中有一熱源、特別為一爐的一板60和一冷卻裝置11。在板60和冷卻裝置11之間區(qū)域有一用作支撐的支架3a，該支架在本發(fā)明該實(shí)施例中可在板60與冷卻裝置11之間縱向平面和與該縱向平面垂直的平面中如箭頭所示調(diào)節(jié)，即其高度可調(diào)節(jié)，從而支架3a與板60和冷卻裝置11之間的距離可改變。從而通過調(diào)節(jié)熱源6和冷卻裝置11之間的支架3a的高度，在半導(dǎo)體晶片10的加熱和冷卻過程中輸入半導(dǎo)體晶片10中的熱量可改變/保持不變。
支架3a的縱向移動(dòng)主要用來把圖2b所示一可插入支架3a中的半導(dǎo)體晶片10放入用熱遷移生成導(dǎo)電通道的該裝置中，也可用來取出該半導(dǎo)體晶片。
作為用熱遷移生成導(dǎo)電通道的一裝置的圖2所示結(jié)構(gòu)的一種替代方案，半導(dǎo)體晶片10的支架3a比方說為了裝載和取出該半導(dǎo)體晶片只可在縱向上移動(dòng)，而板60和/或冷卻裝置11的高度可調(diào)節(jié)，從而改變與支架3a的相對距離。
板60為一未詳細(xì)示出的爐的一部件，為加熱該板60，可用電阻加熱、感應(yīng)加熱裝置、電子束加熱、微波加熱等加熱該爐。通過用噴射電子、輻射耦合等把相應(yīng)熱量輸入板60的與支撐3/支架3a相反的頂面，能量即可輸入板60中，該板轉(zhuǎn)而確保熱量在該裝置整個(gè)表面上均勻分布。也可不使用板60，而使用任何其他合適裝置實(shí)現(xiàn)熱量均勻分布。
通過對板60均勻加熱，確保與半導(dǎo)體晶片10正對的該頂面上的熱量均勻分布。由于熱源的熱輻射的任何不均勻都會(huì)傳給半導(dǎo)體晶片10中，因此熱量的這一均勻分布特別有利于在半導(dǎo)體晶片的整個(gè)表面上生成導(dǎo)電通道，防止半導(dǎo)體晶片/半導(dǎo)體晶片上的各半導(dǎo)體器件發(fā)生翹曲。
為了確保板60發(fā)出的熱輻射導(dǎo)向支撐3a中的半導(dǎo)體晶片10，該爐/板60用真空絕熱，最好用氫氣或氦氣、特別是氦氣之類具有良好傳熱性的惰性氣體把熱流最佳地導(dǎo)向支撐3a中的半導(dǎo)體晶片10。在這種裝置中，氫氣或氦氣氣體粒子在高熱板60上加熱后輸入半導(dǎo)體晶片10中。
為了絕熱和把熱輻射導(dǎo)向半導(dǎo)體晶片，受熱板60放置在真空中。由于粒子汽化會(huì)使雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體晶片中，因此必須為板60選擇不活潑材料。為此，優(yōu)選使用具有一硝酸硼層的石墨以及最純凈陶瓷板，從而抑制相應(yīng)反應(yīng)，使熱遷移工藝不受雜質(zhì)影響。
為冷卻插入在支撐3a中的半導(dǎo)體晶片10，使用同樣的惰性氣體、特別是氦氣來設(shè)定半導(dǎo)體晶片10底面上熱遷移過程的最佳溫度。為分開控制半導(dǎo)體晶片10頂面和底面上的溫度，支架3高度上的區(qū)域最好細(xì)分，以便支架3a上方區(qū)域和下方區(qū)域的氣體壓力和流速可分開調(diào)節(jié)。溫度的分開控制為熱遷移工藝的最佳進(jìn)行創(chuàng)造了先決條件，從而以最短時(shí)間在盤形半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電通道，而半導(dǎo)體晶片不發(fā)生由熱應(yīng)力造成的翹曲。
圖2a所示裝置中一典型熱分布為板溫T1＝1800℃、半導(dǎo)體晶片10與板60正對的頂面的溫度T2＝1050℃、冷卻裝置11頂面上的溫度T3＝20℃。
改變板60與支架3a之間的距離a1/支架3a與冷卻裝置11之間的距離a2以及相應(yīng)控制支架3a上方和/或下方區(qū)域中氣體的壓力和流速即可控制對支架3a上的半導(dǎo)體晶片10的加熱。半導(dǎo)體晶片10頂面與板的底面之間的優(yōu)選距離為a1＝0.3mm半導(dǎo)體晶片10底面與冷卻裝置11之間的優(yōu)選距離為a2＝0.2-0.5mm而半導(dǎo)體晶片上方區(qū)域的氣體壓力設(shè)定為約0.1-30mbar。
由于半導(dǎo)體晶片10的熱阻比周圍氣體層的熱阻小得多，因此半導(dǎo)體晶片頂面上的溫度T2大致可由下式確定T2=a2a1+a2*(T1-T3)]]>，T1為板溫，T3為冷卻裝置的溫度。
圖2c為另一替代裝置的剖面圖，該裝置不使用熱源60與冷卻裝置11之間一支架3a承接半導(dǎo)體器件10、例如一硅晶片，而是該支撐由支撐在冷卻裝置11上/插入冷卻裝置11中的銷或腹板構(gòu)成，從而可改變銷或腹板上的半導(dǎo)體晶片10與冷卻裝置11、從而與熱源6之間的距離。因此，使用這種結(jié)構(gòu)，可根據(jù)可預(yù)先決定的基準(zhǔn)曲線改變半導(dǎo)體晶片10加熱和冷卻過程中輸入半導(dǎo)體晶片10中的熱量。熱輻射W影響半導(dǎo)體晶片10的與熱源正對的頂面；它穿過該半導(dǎo)體晶片10后傳到冷卻裝置11上。
圖2a和2c所示在盤形半導(dǎo)體中用熱遷移生成導(dǎo)電通道的裝置的熱效率特別高，使得熱遷移工藝最優(yōu)化。
圖2d詳細(xì)示出的用熱遷移在盤形半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電通道的裝置由在一機(jī)架20中的樣本容器2構(gòu)成，該樣本容器2包括一活動(dòng)樣本活塞3、一固定受器4和一同樣固定的外殼5。樣本活塞3可在一引導(dǎo)路徑201上沿雙箭頭X方向從一裝載位置移動(dòng)到一處理位置下方的一位置。用一引導(dǎo)裝置202，樣本活塞3可沿雙箭頭Z方向從處理位置下方的該位置移入一提升高度H上方的處理位置。供氣管、冷卻管、測量電纜等的承接裝置203與承接樣本活塞3的滑車204連接。
受器4的頂端位于一出光孔14處，一熱源6下方的樣本容器2與該出光孔同心，該熱源由兩十字鹵素?zé)魣?1、62構(gòu)成。十字鹵素?zé)魣?1、62包括多個(gè)可分別控制的鹵素?zé)?，從而確保在半導(dǎo)體晶片10的與熱源6正對的頂面上的熱輻射均勻。由于半導(dǎo)體晶片頂面上的溫度型式可調(diào)節(jié)，因此可提高晶片頂面邊緣的溫度，以便在晶片頂面上設(shè)定某一溫度分布。光的這一可調(diào)節(jié)性、即溫度的有效均勻分布確保半導(dǎo)體晶片整個(gè)頂面上的狀態(tài)處處相同，從而通過一特殊溫度測量過程可設(shè)定熱遷移的最佳狀態(tài)。
熱源6上方有一反射鏡13，該反射鏡與熱源6和出光孔14一起用一安裝支架15與機(jī)架20連接。
一包括一三點(diǎn)提升板37和一引導(dǎo)提升板38的提升板在底端上密封樣本活塞3，從而該三點(diǎn)提升板37在正常位置上氣密密封樣本活塞3。
圖3為樣本容器2的縱向剖面圖，樣本容器中有一高溫測量頭7。
樣本容器2包括用冷卻管11冷卻的外殼5和用一密封17與該外殼連接的受器或樣本承接圓筒4以及活動(dòng)樣本活塞3。受器4和外殼5用另一密封18與一固定環(huán)19連接、用外殼5的一頂端凸緣50固定在圖2d所示出光孔14上。
在圖3所示為樣本活塞3全部插入在受器4中的工作位置，該樣本活塞3以一底部樣本凸緣36經(jīng)一氣體密封16氣密地位于該固定環(huán)上。
受器4的頂面上有一透明表面40，熱源6的鹵素?zé)魣?1、62發(fā)出的光經(jīng)該透明表面照射到樣本活塞3頂面上的一樣本頭30上。該樣本頭30上有一用來放置待處理半導(dǎo)體晶片10的樣本承接器(不詳細(xì)說明該樣本承接器)。通過一三點(diǎn)針式懸掛，確保以200-300μm的精度把半導(dǎo)體晶片10等距放置在樣本頭30的頂面上。
受器4的透明表面40具有很高光學(xué)均質(zhì)性和對于給定波長具有很高傳光性，它最好用石英或藍(lán)寶石制成。
樣本活塞3的一樣本圓筒35的中央有高溫測量頭7，該測量頭經(jīng)一溫度測量和氣體通道9和該溫度測量和氣體通道9中的一測量窗12導(dǎo)向半導(dǎo)體晶片10的與樣本頭30/樣本承接器正對的頂面。使用2.2μm優(yōu)選波長的測量頭7有一可微調(diào)聚焦錐在半導(dǎo)體晶片10上聚焦成一點(diǎn)，從而進(jìn)行溫度測量時(shí)半導(dǎo)體晶片10與樣本頭30之間不發(fā)生很大干擾。如上文結(jié)合圖2d所述，由于可用熱源6的十字鹵素?zé)魣?1、62的可各個(gè)控制的鹵素?zé)粽{(diào)節(jié)半導(dǎo)體晶片10頂面上的效率分布，因此該測量點(diǎn)代表半導(dǎo)體晶片10整個(gè)表面上的溫度。
測量窗12最好由優(yōu)于石英窗的藍(lán)寶石(三氧化二鋁)制成，因?yàn)樗ㄏ驅(qū)捈t外波區(qū)。
從圖5可見，樣本頭30有三個(gè)樣本頭平面31、32、33，樣本承接器與第一樣本頭平面31連接。樣本頭30的第一樣本頭平面31的中央有溫度測量和氣體通道9，第一樣本頭平面31的對角線上有若干徑向分布?xì)怏w通道90，從而氦氣或氫氣之類具有良好傳熱性的氣體經(jīng)這些氣體通道90從通道9/90的噴嘴口噴出到半導(dǎo)體晶片10底下。氣體用來保持工作區(qū)的純凈性，該氣體的流率最好調(diào)節(jié)成0.5/50mbar/l，使得半導(dǎo)體晶片10不被氣流抬起，不發(fā)生不均勻。工作氣體從樣本圓筒35底部的一出口95排出。
樣本頭30的第二樣本頭平面32包括對角線上的氣體通道91、中央溫度測量和氣體通道9和通向冷卻件8的冷卻水通道81，冷卻件包括擴(kuò)大吸熱表面的凹座80。第一樣本頭平面31與第二樣本頭平面32之間用液密密封環(huán)以及樣本頭30的第一和第二樣本頭平面31、32的正對表面上對應(yīng)孔口上的外部氣密密封環(huán)連接。
樣本頭30的第三樣本頭平面33有一冷卻液進(jìn)口82和一冷卻液出口83/第三樣本頭平面33轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)，它有工作氣體的一對應(yīng)進(jìn)氣口92和出氣口93。測量窗12裝在樣本頭30的第三樣本頭平面33的中央，該測量窗12位于光溫度測量通道9中。
可從圖6所示第一樣本頭平面31的俯視圖中清楚看出氣體和冷卻液通道以及記錄晶片溫度的測量孔9的布置。這三個(gè)樣本頭平面31-33最好用最純凈的鋁制成。
圖3所示圍繞在外殼5上的螺旋形冷卻管11a從正對熱源6的頂端到底端密封區(qū)冷卻樣本容器2，以確保外殼5、受器4和樣本活塞3之間的密封正常工作。
圖4示出冷卻的另一實(shí)施例，在該實(shí)施例中，樣本活塞3中有一冷卻圓筒11a，從而樣本活塞中伸展有一空心圓筒形的空心區(qū)用來承接冷卻液。按照另一實(shí)施例，圖3所示外部冷卻管冷卻系統(tǒng)可與圖4所示內(nèi)部冷卻圓筒冷卻系統(tǒng)組合使用。
高溫測量頭7用一高溫計(jì)凸緣70固定在樣本活塞3上，因此它可調(diào)節(jié)。高溫測量頭7的聚焦錐71朝向半導(dǎo)體晶片10的頂面，從而在半導(dǎo)體晶片10上沒有半導(dǎo)體器件的中部有一測量小點(diǎn)。
上述熱遷移裝置確保熱量非常精確可控地從半導(dǎo)體晶片10的與熱源6的十字鹵素?zé)魣?1、62正對的后邊經(jīng)半導(dǎo)體晶片10傳到半導(dǎo)體晶片10的與受冷卻樣本頭30正對的頂面。半導(dǎo)體晶片10整個(gè)表面上的溫度差可調(diào)節(jié)在2℃-10℃內(nèi)，半導(dǎo)體晶片10的厚度約為300μm，導(dǎo)電(鋁)滴的厚度約為2-3μm，此時(shí)半導(dǎo)體晶片10/半導(dǎo)體晶片上的半導(dǎo)體器件的較冷頂面上的該液滴流到半導(dǎo)體晶片10的較暖對置頂面上，從而在半導(dǎo)體晶片/觸點(diǎn)上的半導(dǎo)體器件的對置頂面上生成所需導(dǎo)電通道。
圖7清楚示出用熱遷移在一半導(dǎo)體晶片的對置頂面之間生成導(dǎo)電通道的本發(fā)明工藝一實(shí)施例，圖7所示工藝可以各種方式修正。
在該工藝開始即時(shí)間為t0時(shí)，其上有樣本頭30的樣本活塞3以圖2d所示箭頭Z方向從受器4/外殼5中抽出后移動(dòng)到裝載點(diǎn)。在把一半導(dǎo)體晶片10放置在樣本頭30的樣本承接器上后，如圖2d所示先在X方向上后在Z方向上把樣本活塞3移入處理位置、即移入受器4中，然后封閉該系統(tǒng)。然后，排空樣本活塞3后把氦氣注入樣本活塞3在漂洗階段進(jìn)行漂洗。在時(shí)刻t1冷水注入樣本活塞3而結(jié)束該制備階段。
然后，接通熱源6的電源，以30℃/秒的溫升直到時(shí)刻t2把樣本加熱到300℃-400℃。在此溫度上，(用氦氣漂洗)進(jìn)一步凈化樣本大氣約1分鐘后到達(dá)時(shí)刻t3。然后把樣本進(jìn)一步加熱到約600℃-700℃(時(shí)刻t4)，從而半導(dǎo)體晶片10頂面上的鋁滴通過生成小滴與半導(dǎo)體反應(yīng)(時(shí)刻t5)。然后把樣本進(jìn)一步加熱到約800℃-1100℃的工作溫度，從而發(fā)生熱遷移過程，即鋁滴穿過半導(dǎo)體晶片上的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體。
因此遷移速度與溫度梯度和工作溫度成正比而決定著遷移時(shí)間(t6-t7)。遷移過程結(jié)束后，樣本溫度以30℃/秒沿斜線下降。在溫度約為650℃時(shí)(時(shí)刻t8)，聽由樣本自由冷卻，樣本如此冷卻約2-3分鐘(時(shí)刻t9)。然后從受器4中抽出樣本活塞3、把樣本活塞3移動(dòng)到裝載點(diǎn)、取出半導(dǎo)體晶片后比方說儲藏在一充氮室中。
標(biāo)號列表1半導(dǎo)體器件100 半導(dǎo)體(n-導(dǎo)電層)101 半導(dǎo)體(p-導(dǎo)電層)102 過渡區(qū)103 低阻、強(qiáng)摻雜區(qū)104 頂面區(qū)105 后邊頂面106 電極106a 觸點(diǎn)107 電極107a 觸點(diǎn)108 防反射層109 絕緣層110 絕緣層111 (半)導(dǎo)電通道2 樣本容器3 支撐3a 支架3b 樣本活塞3c 腹板，銷30 樣本頭31 第一樣本頭平面32 第二樣本頭平面
33 第三樣本頭平面35 樣本圓筒36 樣本凸緣37 三點(diǎn)提升板38 引導(dǎo)提升板4 受器40 透明表面41 石英圓筒5 外殼50 外殼凸緣6 熱源60 板61 第一鹵素?zé)羝矫?2 第二鹵素?zé)羝矫? 高溫測量頭70 高溫計(jì)凸緣71 聚焦錐8 液體冷卻系統(tǒng)80 冷卻室81 冷卻通道82 冷卻液進(jìn)口83 冷卻液出口9 溫度測量和氣體通道90 氣體出口噴嘴91 氣體通道92 氣體進(jìn)口93 氣體出口95 排氣口
10半導(dǎo)體(晶片)11冷卻裝置11a 冷卻管11b 冷卻圓筒12測量窗13反射鏡14出光孔15安裝支架16氣體密封17密封18密封19固定環(huán)20機(jī)架201 水平引導(dǎo)路徑202 垂直引導(dǎo)路徑203 管承接器21密封環(huán)22架
權(quán)利要求
1.一種通過在一盤形半導(dǎo)體的兩對置頂面之間生成一溫度梯度和在較冷頂面上施加一導(dǎo)電摻雜物質(zhì)用熱遷移在該半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電通道的工藝，其特征在于，按照一給定加熱曲線把該半導(dǎo)體(10)的一頂面均勻加熱到熱遷移工藝的一給定工作溫度后按照一給定冷卻曲線冷卻到一取出溫度；該半導(dǎo)體(10)的另一頂面均勻冷卻。
2.按權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，熱遷移工藝的該工作溫度在給定時(shí)間中保持不變。
3.按權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，該半導(dǎo)體(10)放置在一封閉系統(tǒng)(2、3)中，該封閉系統(tǒng)中充滿最好具有良好傳熱性的惰性氣體、特別是氫氣或氦氣。
4.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)的待加熱頂面與一熱源(6)正對，半導(dǎo)體(10)的待冷卻頂面與一冷卻裝置(11)正對；半導(dǎo)體(10)的待加熱頂面與熱源(6)之間的距離和/或半導(dǎo)體(10)的待冷卻頂面與冷卻裝置(11)之間的距離可變。
5.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，輸入半導(dǎo)體(10)中的熱量的總效率和輸入半導(dǎo)體(10)的待加熱頂面上的熱量的效率分布可控制。
6.按權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于，熱輻射的總效率和/或效率分布根據(jù)在半導(dǎo)體(10)上至少一個(gè)溫度測量點(diǎn)上測得的溫度加以調(diào)節(jié)。
7.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)既可在熱源與冷卻裝置之間平面中、又可在與該平面垂直的平面中移動(dòng)。
8.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)的兩頂面位于互相隔開的兩區(qū)域中。
9.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，熱輻射垂直照射到半導(dǎo)體(10)的待加熱頂面上。
10.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)放置在一樣本活塞(3)上，該樣本活塞可在至少一個(gè)平面中移動(dòng)，從而該樣本活塞(3)在一裝載位置與一輻射位置之間移動(dòng)。
11.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)的溫度用一光導(dǎo)測量通道(9)上的一高溫測量裝置(7)以非接觸方式測量。
12.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)用每單位時(shí)間給定溫升加熱到熱遷移工藝的工作溫度，然后降低熱輻射而冷卻到設(shè)定溫度或設(shè)定溫度場，然后在給定時(shí)間中自由冷卻到取出溫度。
13.按權(quán)利要求12所述的工藝，其特征在于，按照一斜線函數(shù)加熱和冷卻半導(dǎo)體(10)。
14.按權(quán)利要求13所述的工藝，其特征在于，溫度的增加和溫度的下降小于或等于30°K/秒。
15.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，半導(dǎo)體(10)加熱到300℃-400℃的第一給定溫度，在半導(dǎo)體(10)達(dá)到該溫度后，半導(dǎo)體(10)周圍區(qū)域凈化給定時(shí)間，然后半導(dǎo)體(10)進(jìn)一步加熱到約600℃-700℃的第二給定溫度，從而導(dǎo)電摻雜物質(zhì)通過形成液滴與半導(dǎo)體的半導(dǎo)電體反應(yīng)，然后加熱到約900℃-1100℃的遷移過程的工作溫度，熱遷移過程結(jié)束后半導(dǎo)體(10)的溫度下降到約650℃的第三給定溫度，然后半導(dǎo)體(10)經(jīng)2-3分鐘時(shí)間冷卻到給定取出溫度。
16.按上述權(quán)利要求中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，樣本活塞(3)移入一取出和裝載位置后打開以便承接半導(dǎo)體(10)，半導(dǎo)體(10)裝載后樣本活塞(3)進(jìn)入封閉位置，然后樣本活塞(3)排空后用惰性氣體漂洗，然后把冷卻液注入樣本活塞(3)后按照給定程序加熱和冷卻半導(dǎo)體(10)，然后樣本活塞(3)重新移入取出和裝載位置，然后取出半導(dǎo)體(10)后放置在一最好用氮漂洗的儲藏室中。
17.一種通過在一盤形半導(dǎo)體的兩對置頂面之間生成一溫度梯度和在較冷頂面上施加一導(dǎo)電摻雜物質(zhì)用熱遷移在該半導(dǎo)體中生成導(dǎo)電通道的裝置，其特征在于，包括一放置在一熱源(6)與一冷卻裝置(11)之間、用來承接該半導(dǎo)體(10)的支撐(3)，該熱源(6)對半導(dǎo)體(10)的與該熱源正對的頂面進(jìn)行均勻熱輻射。
18.按權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，熱源(6)與冷卻裝置(11)之間區(qū)域被包封后最好充滿具有良好傳熱性的惰性氣體、特別是氫氣或氦氣。
19.按權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，支撐(3)平面中的區(qū)域被細(xì)分。
20.按權(quán)利要求18或19所述的裝置，其特征在于，該區(qū)域中的氣壓和/或氣流可變。
21.按上述權(quán)利要求17-20之一所述的裝置，其特征在于，熱源(6)包括一直接或間接的加熱爐。
22.按權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，該爐有一與支撐(3)表面對應(yīng)的板(60)，該板(60)可用電阻加熱、感應(yīng)加熱、電子束加熱或微波加熱等加熱方式進(jìn)行加熱。
23.按權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該板(60)包括石墨材料，石墨材料最好與硝酸硼高溫分解地密封。
24.按權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該板(60)用最純凈陶瓷制成。
25.按權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，熱源(6)包括至少伸展在半導(dǎo)體(10)表面上方的一鹵素?zé)魣?61、62)。
26.按權(quán)利要求17或25所述的裝置，其特征在于，熱源(6)包括位于兩平面中的十字鹵素?zé)魣?61、62)構(gòu)成。
27.按上述權(quán)利要求17-26中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，反射鏡(13)位于熱源的與支撐(3)相反的一邊上。
28.按上述權(quán)利要求17-27中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，支撐(3)包括一支架(3a)，該支架可在一與熱源(6)縱向平行的平面中移動(dòng)。
29.按上述權(quán)利要求17-27中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，支撐(3)包括與冷卻裝置連接的銷或腹板(3c)，這些銷或腹板(3c)用點(diǎn)或線支撐半導(dǎo)體(10)的與冷卻裝置(8)正對的頂面。
30.按上述權(quán)利要求17-29中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，支撐(3)包括一支撐半導(dǎo)體(10)的一頂面的樣本活塞(3)，該樣本活塞(3)與冷卻裝置(11、11a)連接。
31.按上述權(quán)利要求17-30中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，支架(3a)、銷或腹板(3c)或樣本活塞(3b)與熱源(6)和/或冷卻裝置(11)之間的距離可變。
32.按權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，樣本活塞(3)包括一樣本圓筒(35)、形成樣本圓筒(35)的覆蓋面并承接半導(dǎo)體(10)的一樣本頭(30)、樣本圓筒(35)底面上向外凸起的一樣本凸緣和在該底面上氣密密封該樣本圓筒(35)的一提升板(37、38)。
33.按權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該樣本活塞(3)可在軸向(Z方向)上插入一受器(4)中和從中抽出，該受器包括一朝向熱源的透明表面(40)和一石英圓筒(41)。
34.按權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，該受器(4)被一圓柱形外殼(5)圍繞；該圓柱形外殼(5)受冷卻和/或該樣本活塞(3)中有一冷卻圓筒(11a)。
35.按上述權(quán)利要求17-34中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，樣本活塞(3)的樣本圓筒(35)的中央有一高溫測量頭(7)，該測量頭經(jīng)一溫度測量和氣體通道(9)以及一位于該溫度測量和氣體通道(9)中的測量窗(12)導(dǎo)向半導(dǎo)體(10)的與樣本頭(30)正對的頂面。
36.按權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，高溫測量頭(7)的工作波長最好為2.2μm，它有一微調(diào)聚焦錐。
37.按權(quán)利要求35或36所述的裝置，其特征在于，高溫測量頭(7)用一高溫計(jì)凸緣(70)可調(diào)節(jié)地固定在樣本活塞(3)上；高溫測量頭(7)的聚焦錐(71)導(dǎo)向半導(dǎo)體(10)頂面，從而半導(dǎo)體(10)中部有一測量小點(diǎn)。
38.按權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，測量窗(12)包括藍(lán)寶石(Al2O3)。
39.按上述權(quán)利要求17-38中至少一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，樣本頭(30)有三個(gè)樣本頭平面(31、32、33)，半導(dǎo)體(10)的承接器與第一樣本頭平面(31)連接，該第一樣本頭平面中央有溫度測量和氣體通道(9)，第一樣本頭平面(31)對角線上有若干徑向分布的氣體通道(90)，從而具有良好傳熱性的氣體經(jīng)這些氣體通道(90)從通道(9/90)的噴嘴口噴出到半導(dǎo)體晶片(10)底下，然后從樣本圓筒(35)底部中的一出口(95)流出；樣本頭(30)的第二樣本頭平面(32)包括對角線上的氣體通道(91)、中央溫度測量和氣體通道(9)和通向冷卻件(8)的冷水通道(81)；而且樣本頭(30)的第三樣本頭平面(33)有一冷卻液進(jìn)口(82)和一冷卻液出口(83)以及工作氣體的一進(jìn)氣口(92)和一出氣口(93)，測量窗(12)裝在樣本頭(30)的第三樣本頭平面(33)的中央。
40.按權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，三個(gè)樣本頭平面(31-33)包括最純凈的鋁。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過在最好放置在一半導(dǎo)體上的半導(dǎo)體器件的兩對置頂面之間生成一溫度梯度并在較冷頂面上施加導(dǎo)電摻雜位置用熱遷移在半導(dǎo)體器件中生成導(dǎo)電通道的一種工藝和一種裝置。半導(dǎo)體的一頂面位于一受冷卻樣本承接器上,相反頂面受熱輻射,該熱輻射的總效率和在半導(dǎo)體表面上的效率分布可控制。該熱輻射的總效率和/或效率分布根據(jù)在該半導(dǎo)體/半導(dǎo)體器件上的至少一個(gè)測量點(diǎn)上測得的溫度加以調(diào)節(jié)。
文檔編號H01L21/768GK1261410SQ98806425
公開日2000年7月26日 申請日期1998年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者貝恩德·克里格爾, 弗蘭克·庫德拉, 雷內(nèi)·阿諾爾德 申請人:約翰內(nèi)斯·海登海因博士有限公司, 硅傳感器有限公司