专利名称：具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种低内阻的半导体器件制造方法，特别涉及对双极型集成电路IC和双极型分立器件两类半导体器件有源区表面进行粗化处理的方法，其中所述分立器件是指双极型的二极管、三极管以及晶闸管。
背景技术：
近年来，由于电子产品不断向小型化、低功耗方向发展，众多生产厂商和研究人员都把更多的注意力集中到开发小型化和低功耗的半导体器件方面来。针对双极型集成电路IC和双极型分立器件这两类半导体器件来说，以往的理论中，采用表面粗化处理来增大半导体器件中载流子注入表面的表面积是降低内阻和缩小芯片面积的有效途径之一。
现有技术中，通常增大半导体器件有源区表面(载流子注入表面)的表面积比的方法有以下两种第一种是使用喷砂方法来粗化处理有源区表面；第二种是使用保持结晶各向异性的腐蚀液体，在光刻工艺的配合下对有源区表面进行粗化处理。然而，对于第一种粗化处理方法来说，由于采用机械磨擦方法，为了使表面粗化处理有效，则一定不能有机械损伤的深度，因此这种方法对于浅结的半导体器件显然不能使用。
对于第二种方法来说，由于理论上粗化处理部分的深度，由表面上预先形成的图形决定，也就是图形大小的偏差，取决于深度的偏差，而且，在很浅的表面上进行粗化处理，必需形成很小的表面图形，这样必然需要采用步进工序和高价设备。因此采用这种方法从原理上讲是可行的，但实际应用却存在很大局限，换句话说，使用该方法会增加光刻工序任务(该光刻工序量增加12道)，使工艺变得非常复杂，最终使制造成本大大增加。
另外，对应于表面下部形成的图形大小，则决定于被腐蚀的深度，作为主体，用硅片作基片，在上局部是一层均匀的薄金属，作特殊的传感器，生产中可以使用。但是，为了使硅基片的一部分彻底薄膜化，以前对有源器件的应用作过试验，但都未成功。
本发明的主要任务是通过一种新的有源区表面粗化处理方法来有效降低浅结型半导体器件的内阻，从而达到降低器件功耗的目的。
发明内容
为达到上述目的，本发明采用的第一种技术方案是一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其内容为采用pH值为7以上的碱性溶液通过浸渍对有源区表面进行粗化处理。
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“有源区表面”是指双极型半导体器件中载流子(空穴或电子)注入的表面。该方案属于一种化学方法。
2、上述方案中，所述碱性溶液可以为一种组份的溶液，也可以由多种组份的溶液混合而成，其中较好的包含有以下两种方案(1)、主要由氢氧化钾水溶液和联氨水溶液混合而成。具体比如采用20％的氢氧化钾水溶液和60％的联氨水溶液按1∶1比例混合，加热到100±5℃，将Si(100)晶向的Si晶片浸渍5～20分钟进行表面粗化处理。
(2)、主要由乙二胺、海依罗临氯二酚、纯水混合而成。具体比如采用乙二胺、海依罗临氯二酚、纯水，按60∶30∶10比例调合，在加热至110±5℃的溶液中，将Si晶片浸渍10～25分钟进行表面粗化处理。其中，海依罗临氯二酚即连苯三酚苯邻二酚(Pyrocatechol)。
本发明化学粗化的机理是利用pH值为7以上的碱性溶液对有源区表面进行腐蚀，来获得高密度、表面积比大的粗化表面，这种方法由于不会引起机械损伤，特别适合于双极型浅结半导体器件有源区表面粗化处理。
为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案是一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其内容为采用化学和电化学组合的方法对有源区表面进行粗化处理，其中，以白金作为一个电极接直流电源的负极，试料硅片作为另一个电极接电源正极，两个电极在电解槽中相距，电解液为氢氟酸水溶液，以此对硅片作电解处理。
上述技术方案的有关内容和变化解释如下1、上述方案中，所述电源可以用电池，也可以用可变电源来调节电压。
2、上述方案中，进一步可以是电解液为3～7％氢氟酸水溶液，两个电极电解槽中相距30～70mm，10±5V电压下作15～45分钟电解处理，温度为16～25℃。
本发明化学和电化学组合方法粗化的机理是一方面利用氢氟酸的腐蚀作用，将硅表面的二氧化硅腐蚀掉，另一方面在电流作用下硅在阳极受氧化又形成二氧化硅，以此循环形成粗化表面。
这种方法由于不会引起机械损伤，特别适合于双极型浅结半导体器件有源区表面粗化处理。
本发明降低内阻的原理是参见图2和图3所示，针对三极管发射区表面粗化处理后，被粗化处理表面正好与图形的周长相同，载流子实现了全部渡越，从而可以理解成得到了效率很高的流入，也就是表面图形从等价角度达到了极端细化的相同效果，遵照以往的理论描述载流子注入所需的图形周长，均要伸长到极限为止。
然而，在双极型结的适当深度处，结部位及表面粗化状态，由于保持不变，所以结部位8的载流子注入与7部位表示的相同，实现了全面渡越，高效率注入。
所以，针对图3而言，如果不形成表面粗化处理，载流子采用单一形式从表面注入，如图3中7表示的方式流入，遵照以往的理论，图形的周长部分开始按图3中8表示的方式注入载流子。
比较图2与图3可知，本发明使载流子导入有了明显的增加。即载流子注入的表面积增大，且表面积的电流强度降低，从而达到表面处接触阻抗损失降低，这应该可以体会到。在这种情况下，从器件整体来看，载流子流入量会因此增至极大，与载流子的流入相对应，强度大放大效率也增大，也就是表示可以缩小芯片(chip)面积。
图4为本发明粗化处理的试料用于肖特特基势垒二极管的情况，图中表示与势垒金属接触面积有了增加，而且可直观地看出该接触面积已有了大幅度的增加。按照以上理论也很容易理解为什么势垒金属的接触面上电流强度降低及接触面接触阻抗损耗呈下降状态。综合起来，载流子注入量则很大，这一点与图2和图3说明结论相同。
本发明与以往提出的方法迥然不同，从方法上更加简单，理论上不会引起晶体本身结构和排列的变化，不会对结晶产生机械性损伤，而且能够获得高密度、较浅的凸凹表面，因此特别适用于浅结的双极型半导体器件，比如超高频器件或超高速器件或金属接触的肖特基势垒二极管等。
在实际效果方面，本发明粗化处理后载流子注入的有效面积，也就是所谓表面积比，比以往最大值优越1000倍，尤其对浅结深度的器件，载流子注入效率显著提高。
从以往半导体器件看，为了提高发射区(Emitter)注入效率，注入区的图形边沿(pattern edge)就增长，所以发射区图形(Emitter pattern)的图形周长自然会延长，然而，该以往的方法需使图形(pattern)变细，这样会导致光刻工序复杂化，容易受尘埃影响，器件成品率及可靠性提高均变得十分困难。本发明，理论上和实践上均不存在此种缺点。综上所述，不全部形成图形(pattern)，机械上不发生浅凹凸缺陷，这是高密度粗化表面形成的关键。据此，可以看出本发明具有以下优点和积极性效果1、由于注入效率的提高，可以相应减小接点面积；2、本发明不仅可应用于深结半导体器件，特别适用于有必要的浅结型半导体器件；3、本发明可以使半导体器件的内阻变小，即ON阻抗(导通阻抗)变小；4、本发明适用于有肖特基势垒的半导体器件。
5、本发明尤其在双极型IC或分立器件的发射区使用时，由于空穴及电子的注入效率显著提高，可以使发射区面积达到最小化。
总之，本发明通过化学或化学与电化学组合方法能够很好的解决双极型浅结半导体器件有源区表面粗化处理的难题，在获得高密度、表面积比大的粗化表面同时又不会引起机械损伤，从而显著提高了载流子注入效率、有效降低了内阻，减少了电力消耗。理解了上述内容后，我们可以知道接触面减小，器件损耗减小，消耗电力减小，可见这是一项具有极大使用效果的重要发明。
附图1为本发明化学与电化学组合粗化处理原理图，图中1为电解槽，2为白金电极，3为本发明的试料硅片，4为电解液，5为电压可变的电源。
附图2为本发明三极管结构示意图，图中模拟了本发明载流子流入状态模式，其中6为电极(例如铝金属)，7为粗化处理后表面的载流子流入状态示意，8为结在适当深度处的载流子流入状态示意。
附图3为现有三极管结构示意图，图中模拟了与本发明进行对比的现有载流子流入状态模式，其中6为电极(例如铝金属)，7为粗化处理前表面的载流子流入状态示意，8为结在适当深度处的载流子流入状态示意。
附图4为本发明肖特基势垒二极管结构示意图，图中模拟了本发明载流子流入状态模式，其中6为电极(例如铝金属)，9为半导体硅衬底，10粗化表面，11为保护环。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实例一参见附图1所示，一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其内容是采用化学与电化学组合方法对有源区表面进行粗化处理，其中，以白金作为一个电极2，该电极2接直流电源5的负极，试料硅片作为另一个电极3，该电极3接电源5正极，施主浓度为1E16(1×1016/cm3)的硅，两个电极在电解槽4中相距50mm，电解液为5％氢氟酸(HF)水溶液，在10V电压下作30分钟电解处理，处理温度为20℃，可得上述效果的粗化处理表面。
实例二本实施例与实例一条件基本相同，但试料晶片的施主浓度为1E18的硅晶片，该硅晶片的表面颜色为褐色，在氢氟酸(HF)为主体的水溶液浸渍下，褐色区域被溶解到溶液中，即氧化层被腐蚀掉，露出与表面同样的粗化处理表面。这里，P区或N区得到相同的表面粗化处理，根据本发明人的实验结果，P型与N型相比，低的杂质浓度可取得更合适的表面粗化处理效果，即P区杂质浓度低比杂质浓度高所获得的粗化效果好。
实例三一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，该方法属于化学方法，其内容为采用20％氢氧化钾(KOH)水溶液和60％联氨(hydrazine)水溶液按1∶1比例混合，加热到100℃，将Si(100)晶向的Si晶片在上述pH值为7以上的碱性溶液中浸渍10分钟，可得到同样的粗化处理表面。
实例四一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，该方法属于化学方法，其内容为采用乙二胺(ethylene diamine)、海依罗临氯二酚、纯水，按60∶30∶10比例调合，在加热至110℃的溶液中，将Si晶片浸渍15分钟，可得到同样的粗化处理表面。采用以上表面粗化处理的硅晶片做成半导体器件具有低内阻特性。
实例五(此化学与电化学组合粗化处理方法应用于三极管)一种具有低内阻的三极管，在制造过程中沿袭通常三极管的生产工序，打开发射区扩散窗，按实施例一相同条件，实行发射区部分硅表面粗化处理。但是，此后，发射区杂质掺入时间为通常时间的一半(即通常温度为950℃，时间为30分钟，而现在温度为950℃，时间为15分钟)。此后，按常规的工序内容进行。
结果在器件特性测定场合，测出的Vse(SAT)(饱和压降)与以往相比平均小20％。该结果表明经粗化处理后发射区表面积在增加，发射区导入的掺杂物质总量时间缩短，实际效果是单位时间内掺杂质量更多，该现象无论对PNP型，还是NPN型三极管均无一例外。
实例六(此化学粗化处理方法的应用于肖特基垫垒二极管)一种具有低内阻肖特基垫垒二极管的生产，在势垒金属形成前，采用上述实施例三的方法，完成表面粗化处理。之后，按通常的工序制作肖特基势垒二极管。结果与以往制成的肖特基势垒二极管相比，Vf(正向压降)可从0.55V减小到0.47V。
该结果表明表面粗化处理，增加了二极管有源区表面与电极的接触面积，在相同电流通过时，本发明由于增加了接触面积，因此伴随着电流强度降低，换句话说，如果Vf(正向压降)相同，则接点面积等效减少30％。
如果理解了上面的实施例，本发明从性能上能提升器件特性，而从制造上接触区域减少可以节省材料，达到节约资源的目的，所以是一件有重要意义的发明。
权利要求
1.一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于采用pH值为7以上的碱性溶液通过浸渍对有源区表面进行粗化处理。
2.根据权利要求1所述的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于所述碱性溶液主要由氢氧化钾水溶液和联氨水溶液混合而成。
3.根据权利要求2所述的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于采用20％的氢氧化钾水溶液和60％的联氨水溶液按1∶1比例混合，加热到100±5℃，将Si(100)晶向的Si晶片浸渍5～20分钟进行表面粗化处理。
4.根据权利要求1所述的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于所述碱性溶液主要由乙二胺、海依罗临氯二酚、纯水混合而成。
5.根据权利要求4所述的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于采用乙二胺、海依罗临氯二酚、纯水，按60∶30∶10比例调合，在加热至110±5℃的溶液中，将Si晶片浸渍10～25分钟进行表面粗化处理。
6.一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于采用化学和电化学组合的方法对有源区表面进行粗化处理，其中，以白金作为一个电极接直流电源的负极，试料硅片作为另一个电极接电源正极，两个电极在电解槽中相距，电解液为氢氟酸水溶液，以此对硅片作电解处理。
7.根据权利要求6所述的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其特征在于所述电解液为3～7％氢氟酸水溶液，两个电极电解槽中相距30～70mm，10±5V电压下作15～45分钟电解处理，温度为15～25℃。
全文摘要
一种具有低内阻的半导体器件有源区表面粗化处理方法，其核心是采用化学或化学与电化学组合方法对双极型半导体器件中的有源区表面进行粗化处理。所述化学方法是使用pH值为7以上的碱性溶液浸渍该表面。所述化学与电化学组合方法是以白金作为一个电极接直流电源的负极，试料硅片作为另一个电极接电源正极，两个电极在电解槽中相距，电解液为氢氟酸水溶液，以此对硅片作电解处理。本发明能够很好的解决双极型浅结半导体器件有源区表面粗化处理的难题，在获得高密度、表面积比大的粗化表面同时又不会引起机械损伤，从而显著提高了载流子注入效率、有效降低了内阻，减少了电力消耗。
文档编号H01L21/306GK1494116SQ0315295
公开日2004年5月5日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年9月3日
发明者吴念博 申请人:苏州固锝电子股份有限公司