415897

з с. Н И Е П И ЗОБ Союз СоветскихСоциалистических ТЕН И Реслубли АТЕНТ Зависимый от патента75 М. Кл,Заявле 11.1970 ( 1604292/26 Приоритет 16.Х 11,1969,886505, СШ осударственныи комитетСовета Министров СССРоо делам изобретенийи откро 1 тий публикова И.1974, Бюллетень Ъ УДК 621.382.002 а опубликования описания 28 Х 1.1974 Авторизобретени Иностранец Херберт Аткин Ваггенер(США) Иностранная фирма Вестерн Электрик КомпанЗаявител ОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕЛА С р-п-ПЕРЕХОДОМ Способ селективного травления полупроводника в особенности пригоден для точного утоньшения кремниевых интегральных слоистых цепей. Полупроводник и контрэлектрод погружают в электролит, который подвергает травлению полупроводник в отсутствие прикладываемого к контрэлектролиту напряжения, при этом все полупроводниковые части, находящиеся под потенциалом меньшим, чем некоторый потенциал пассивировация, вытравливаются. На практике поперек р-а-перехода может быть приложена подходящая разность потенциалов (выше или ниже потенциала пассивирования), так что травление в переходе автоматически прекращается в месте, которое может быть заранее точно установлено. С другой стороны, для обеспечения подходящей разности потенциалов на заранее выбранных частях полупроводникового тела может использоваться последовательно включенное сопротивление. Для кремния потенциал пассивирования в случае, если электролитом является гидроокись калия, находящаяся в равновесии с воздухом, а контрэлектродом - платина, составляет около 0,5 В. Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых устройств, а именно, к способу электрохимического управляемого формирования полупроводников,С момента изобретения транзистора увеличивается использование полупроводниковых устройств. С развитием полупроводниковой техники всегда существовала необходимость 5 в способах управляемого формирования полупроводниковых тел. Первоначально это управляемое формирование выполнялось механическими средствами, такими, как соскребацие и отбивание или пескоструйная обработка, од пако по мере того, как техника прогрессировала в сторону более мелких устройств, эти механические средства не давали возможности выработать коммерчески приемлемый вариант изготовления таких устройств. Соответ ствецно, значительные усилия прилагались внаправлении поиска химических средств, таких, как травление, для управляемого формирования полупроводниковых тел.Ранее наиболее используемым проводником 20 был германий, для которого были разработаны некоторые электрохимические методы управляемого формирования гермациевых тел.Хотя эти методы и были удовлетворительными для германия, оци были совершенно це применимы в случае кремния, который занял есо германия, как цаиоолее распространенный полупроводниковый материал.Известен метод селективного травления участков кремниевых полупроводников р-типа, ЗО которые включают в себя дополнительные об3ласти другого типа полупроводимости, Этому методу свойственна относительно низкая скорость травления, а кроае того, его возможности ограничиваются способностью к травлению лишь полупроводимости р-типа. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Известен способ селективного элетролитического травления материала дигенеративцого р-типа из менее тяжелого примесного материала р-типа в одном и том же полупроводниковом теле. Этот способ ограничивается селективцым травлением дигенеративпого р-типа в арсециде галлия и не применим в других случаях.Известен электрохимический процесс утоньшения для кремния, который очень перспективен в полупроводниковой технике в силу его очевидных потенциальных возможностей в производстве ультратоцкого (1 мкм) кремния для применения в силовых высокочастотных устройствах и кремниевых интегральных цепях с воздушной или диэлектрической изоляцией. Зто изобретение ограничивается удалением кремния а-типа с низким удельным сопротивлением пз обласи и- ппа с отосительно высоким удельным сопротивлением, Проблема заключается в том, о в настоящее время для бо.льп ппства интегральных цет:,е стоит обратная задача, т. е, обычно желательно удалять участки с высоким удельным сопротивлением из эпитаксиального слоя с относительно низким удельным сопротивлением, Келателыее удалять суострат или учясОк с относительно высоким удельным сопротивлением с прилегаюгцего эпитаксиального или диффузионного слоя с низким удельным сопротивлением независимо о",;ппа полупроводимости, так чтобы оставшийся слой обладал лишь минимальным паразитным сопротивлением в устройствах, изго,овлецных в нем или на нем.Цель изобретения - осуществление возможности травления только одной области р-ц-перехода и упрощение процесса травления,Это достигается тем, что в качестве электролита используют травитель, обеспечивающий химическое травление кремния в отсутствие прилагаемого напряжения между кремнием и противостоящим электродом, кремний пассивируют в результате воздействия положительного по отношению к раствору напряжения, а в полупроводниковом теле устанавливают и поддерживают распределение потенциала, достаточное для того, чтобы те участки, которые подвергают травлению, имели потенциал меньший, чем потенциал пассивировация, по отношению к противостоящему электроду. В качестве электролита можно использовать водные растворы гидроокисей металлов группы 1 А периодической таблицы элементов. В качестве электролита можно использовать водные растворы гидроокиси аммония, а также водные растворы алкилзамещеиых гидроокиси аммония. 6 Важной характеристикой предлагаемого способа явлчется этап, на котором полупроводниковое тело подвергается травлению в растворе, который является раствором для травления полупроводника вне зависимостиот типа полупроводимости. Т. е. раствор для травления травит полупроводник с заметной скоростью, если только между пим и контр- электродом не приложен потенциал больший, чем заранее известный потенциал пассивиро.вания.Более точно по описываемому способу селективное удаление полупроводникового материала выполняется в растворе, который травит полупроводник в отсутствие приложенного напряжения и скорость травления в котором значительно уменьшается, когда к полупроводнику относительно контрэлектрода прикладывается определенное напряжение, Например, кремниевое тело любого типа полупроводимости с концентрацией примеси 10 щ атомов на 1 см травится относительно быстро, если оно погружено в раствор гидроокиси ка,лия, Однако, если к кремниевому телу приложен относительно платинового контрэлектрода положительный потенциал, больший чем 0,5 В, то все участки кремния, которые находятся, по крайней мере, при положительном потенциале 0,5 В, практически пассивируются. Т. е. участки, находящиеся под положительным потенциалом около 0,3 В, травятся со скоростью, по крайней мере, в 1 О раз меньшей (обычо в 200 - 10000 раз медленнее), чем участки, находящиеся под потенциалом, меньшим, чем около 0,5 В. По этой причине потенциал пассивирования этой системы кремний - гидроокись калия - платина составляет около 0,5 В,В одном из вариантов описываемого способа полупроводниковое тело включает в себя р-п-переход, в котором поддерживается падение напряжения такое, что некоторые части полупроводника па одной стороне р-гг-перехода находятся под более высоким положительным потенциалом, чем потенциал пассивирования, а участки полупроводника, находящиеся на другой стороне р-и-перехода, находятся под меньшим по.ложительным потенциалом, чегл потенциал пассивирования. При таком распределении потенциала участки полупроводника, на которых напряжение меньше, чем потенциал пассив ирования, подвергаются травлению до тех пор, пока не обнажится переход. Когда переход обнажится, полупроводник пассивирует поверхность относительно раствора и травление практически прекращается, т. е. скорость травления уменьшается, по крайней мере, па порядок по величине, обычно в 200 в 100 раз.В другом варианте предлагаемого способараспределение потенциала внутри полупроводникового тела устанавливается посредством подходящего размещения электродов ипотенциалов и использования резистивного иполевого эффекта.По установлении желаемого распределения потенциала полупроводник подвергается травлению в участках, подвергнутых действию раствора для травления, потенциал которых меньше, чем потенциал пассивирования.На фиг. 1 схематически показано устройство для осуществления селективного удаления полупроводникового материала р-типа из и-типа по описываемому способу; на фиг. 2 - устройство для осуществления селективного удаления полупроводникового материала п-типа из р-типа; па фиг, 3 и 4 - часть поперечного сечения полупроводниковой пластины, которая обычно подвергается травлецшо; цд фиг. 5 - часть полупроводниковой пластины, приготовленной для травления в цей щели па заранее установленную глубину ст поверхности; на фиг. 6 - поперечное сечение части полупроводниковой пластины тиллюстрация одного из ноги возтожгттэтх вдтзиацтсв ттсддчи к участкам полупроводникового тела потенциала для управляемого селективного травления),Аппаратура для реализации предлагаемого способа (фиг. 1 и 2) включает в себя подходящий контейнер 1 из матепидлд, стойкого к применяемому для травления раствору 2, в который, по краГтттей мере, частично погружет контрэлектрод 3., сиаоженнлый почходящимц средствами 4 для присоедицеттия контрэлск"- рода к внешней цепи, обеспечивающей приложение управлятатцего потенциала т - тЛ. Коптрэлектро.и может бттть изготовлен из материала, це растворимого в растворе дл. травления и ттс зггрязтттттстт его сгс, ттдпример из платины, золота или из того же матепидла. что тело, подвергаемое травлению.Как показано цд фиг, 1, полупроводттттк 5 включает в себя участок р-типд, который необходимо подветтгттуть травлеттито, и участок п-типа, который необходимо оставить после прекрашеттия травления. Полупроводник 5 погружен в электролит на определенном расстоянии от контрэлектрода. Кроме того, устройство снабжено средствами 6, обеспечиваютцими присоединение некоторых участков полупроводника 5 к цепи с управлятошим потенциалом (+т".), Следует отметить, что на фиг. 1 положительный готенциал присоединен только к участку и-типа и что участок р-типа отделен от участка и-типа р переходом 7.Ясно, что в благоприятном случае средства 6 устроены так, что весь участок п-типа поддерживается под потенциалом оольшим, чем потенциал пассивирования. Переход 7 обеспечивает подходящий потенциальный барьер, в результате чего участок п-типа может поддерживаться под напряжением большим, чем потенциал пассивирования, в то время, как участок р-типа находится под потенциалом меньшим, чем потенциал пассивирования относительно контрэлектрода 3,Реактив для травления выбирается из хи 1 тических реактивов, в которых с заметной скоростью травятся,иишь участки полупроводн45 50 травления. Реальная конструкттия таких автоматических средств являетсч вопросам техники и не описывается здесь.Устройство ча фиг. 2 пвактически аналогпч но устпойству на фиг. 1 за исключением того,что полупроводниковое тело 8 включает в селя участок п-типа, которьш чеобходимо удалить, и участок р-типа, который необходимо оставить при травлении. Участок и-типа удг 60 6) 10 15 20 25 30 ка, находящиеся под потенциалом меньшим, чем потенциал пассивирования относительно контрэлектродд.Процесс травления сопровождается вттзуальцо ндблтодаемым выделением водорода с поверхностей полупооводника, подвергаемых травлению. И, наоборот, на поверхности, пе подвергающейся травлецшо, выделение водорода визуально не наблюдается. Соответственно, процесс травления может обычно управляться путем наблюдения за цдлц 1 ием пли отсутствием выделения водорода.Более точно, в процессе трдвлеттттч визуально наблюдается выделение пузырьков водорода с поверхности, подвергаемой травлентца. Однако, когда материал р-типа полностью удалится, так что область вокруг перехода 7 подвергается воздействию реактива,тля трав- ,".ения, все повсрхттости полупроводццка. цд которые воздействует реактив, окдж,тсч под потеттцттдлам. большим, чем потенциал пдссивированпя, и тразлецие практически прекратится. Это сопровождается внезапным резким прекращением выделения водорода, прекратттение выделения водорода заметно невооружеттттьтм глазом.Когда выделение водорода пректташдется, скорость травлсттця уменьцтается, по крайней мере, на порядок по величине, а обычно в 200 - -10000 раз пс сравнению со скспостьтс травления во время выделения водорода. Поскольку скорость травления резко пдидет и визуалытю наблюдается т 1 оекраптение выделения водорс да имеется промежуток воемени тпорядка нескольких тдсавт. в течецие которого может бттть обнаружено прекратцецие выделения водоратд т в течение кстсвогс оставшийся полупроводник и-типа может быть удален из реактива прежде. чем нд материал тт-типа заметно подеиствует реактив,Нет необходимости в виз.д.иьнам обнаружении прекраптения выделения водорода и в ручном извлечении полупроводника из педк 1 ива для тттавления. Очевидца, что в реактив или вблизи него может быть помещен водо- родный детектор, с которым связаны электрические и механические средства, так чтобы при прекращении выделения водорода, полупроводник маг быть изв, ечеч из реактива дитт ляется путем присоединения слоя 9 р-типа к источнику напряжения (+т,т) для поддержания всего слоя р-типа под потенциалом большим, чем потенциал пдссивпровация; р-и-ттереход обеспечивает ппиемлемый потенциальный барьер между ивумя участкамп.7Специалистом могут быть сделаны различные улучшения реализации описываемого способа. Например, может использоваться полупроводниковое тело, прикрепленное парафином или смолой к металлизированному проводящему или диэлектрическому носителю за исключением поверхностей, которые должны быть подвергнуты травлению, так чтобы поверхности, не подвергаемые травлению были дополнительно защищены от реактива для травления.Хотя предлагаемый способ может быть реализован с различными полупроводниковыми материалами и электролитами, было найдено, что высокие результаты получают, если используют следующие материалы и параметры (в приведенных примерах имеют дело с травлением кремния лишь в целях иллюстрации),Подвергаемые травлению образцы включают в себя поверхностные слои (эпитаксиальные или диффузионные или те и другие) на объемном участнике. Обычно объем имеет примесную концентрацию, меньшую, чем 10" атомов на 1 смз. Толщина поверхностного слоя обычно составляет около 1 - 15 мкм. Однако ясно, что этот параметр не является критичным, Для того, чтобы облегчить обработку в электролите, образцы устанавливают на керамическом диске с использованием смолы или парафина, а затем погружают в электролит, который, например, является 1 - 7 и. гидро- окисью калия. Хотя лучше использовать платиновый контрэлектрод, для этого пригоден любой другой материал, который слабо загрязняет используемый электролит. Обычно для получения оптимальной скорости травления температура электролита поддерживалась около 70 в 1 С. Хотя скорость травления является переменной, зависящей от прилагаемого смещения, кремний р-типа с прпмесной концентрацией около 10" атомов на 1 см травится в 5 н. растворе гидроокиси калия, находящемся при температуре 95 С, приблизительно на 2 4 мкм в минуту; а когда достигается переход, на обрабатываемой поверхности немедленно вырастает слой окиси, Скорость травления этой окиси приблизительно в 20 раз меньше, чем скорость травления материала р-типа.Хотя вышеописанные примеры относятся к использованию гидроокиси калия в качестве реактива для травления, так же эффективно могут быть использованы другие гидроокиси металлов группы 1 Л периодической таблицы элементов. Эта группа включает в себя гидро- окись натрия, рубидия, цезия и лития. Может использоваться также и гидроокись аммония и алкил с замещенными гидроокисями аммония, например тетраметилгидроокись аммония и тетраэтиламмоний - гидроокись.Удовлетворительные результаты могут быть получены, если в качестве реактива для травления использовать серную или азотную кислоту. 5 1 о 15 го гб зо 35 40 45 50 55 60 65 8На фиг. 3 показана часть полупроводниковой пластины 10, которая состоит из субстрата 11 р-типа, на котором сформирован слой 12 и+-типа и слой 13 а-типа. Покрытие 14, сделанное из материала, устойчивого к травлению в применяемом растворе, располагается над слоем 13 для того, чтобы обеспечить дополнительную защиту во время процесса травления. Слой 11 р-типа в оптимальном варианте имеет относительно высокое удельное сопротивление, например присажен до примесной концентрации меньшей чем 10" атомов акцептора на 1 см так, чтобы увеличение удельного сопротивления в объемной части слоя 11 само по себе было достаточным для предотвращения повреждения перехода, образованного слоями 11 и 12 из-за появления достаточного тока, вынуждающего пассивирование образца, прежде чем слой 11 р-типа полностью удалится, Для выполнения травления осуществляется электрическое соединение слоя 12 л+-типа или слоя 13 п-типа или обоих вместе с источником положительного потенциала (+У), большего, чем потенциал пассивирования относительно контрэлектрода в системе для травления. Структура, показанная на фиг. 3, является наиболее удачным исходным материалом для изготовления монолитных цепей с воздушной изоляпией. На фиг. 4 показана структура - двойник той, которая показана на фиг. 3, т. е. частьполупроводниковой пластины 15 включает в себя подложку 16 и-типа, над которой располагается слой 17 р+-типа и слой 18 р-типа с меньшей концентрацией. Как и раньше покрытие 19, нанесенное на поверхностный слой, обеспечивает дополнительную защиту от травящего раствора во время процесса травления. Пластина 15 для травления, слой 18 р-типа или слой 17 р+-типа или оба слоя вместе присоединяются к источнику положительного относительно контрэлектрода потенциала, как в предыдущем примере. Однако существует предел значения положительного потенциала, который здесь используется, поскольку избыточный положительный потенциал создает прямое смещение на р-и-переходе между слоями 17 и 18 и подложкой 16, которое вызывает протекание значительного тока, в результате которого подложка 16 будет скорее пассивироваться, чем травиться. Если пластина 15 включает в себя кремниевые объемные части и поверхностные слои, если в качестве электролита для травления используется 7 н. раствор гидроокиси калия и если контрэлектродом является платина, то подходящим потенциалом, который следует прикладывать к слою 17 р+-типа, является 0,65 В. Такой потенциал является достаточно высоким для того, чтобы слой 17 пассивировал, когда вытравится подложка 16 п-типа, и еще недостаточно высоким для того, чтобы в р-г-переходе между слоем 17 и подложкой и-типа оказалось смещение, достаточное для того, чтобы9вызвать пассивирование подложки 16 до ееполного удаления.В случае определенных из вышеупомянутых растворов для травления (например гидроокись калия) имеют место различные скорости для травления относительно различных кристаллографических плоскостей в кремниевом полупроводниковом материале. Например, хорошо известно, что при использовании гидроокиси калия для травления кремния, скорость травления в плоскостях, параллельных кристаллографической плоскости (100) значительно выше, чем скорость травления в плоскостях, параллельных кристаллографической плоскости (111). Скорость травления в плоскости (111) настолько низка, что специалист может испытывать затруднения в определении момента остановки травления.Однако вышеупомянутое ограничение в скорости травления указывает направление па лучший вариант реализации предлагаемого способа, На фиг. 5 показана часть слоистого полупроводника, приготовленного для селективного травления щели в поверхности в соответствии с последующим воплощением предлагаемого изобретения, Слоистая структура 20 включает в себя первую полупроводниковую часть 21, соприкасающуюся со слоем 22 противоположного типа проводимости и образующую с ним р-и-переход. На поверхность слоя 22 нанесена апертурная маска 23 из материала, устойчивого к применяемому раствору для травления. Как и на фиг. 3 и 4, поверхность, совсем не подвергаемая травлению, т. е. по. верхность полупроводниковой части 21, покрывается устойчивым к травлению материалом 24, обеспечивающим дополнительную защиту во время процесса травления.В соответствии с этим поверхность части слоя 22 делается существенно параллельной плоскости (100) полупроводника. Образец помещается в раствор гидроокиси калия и полупроводниковая часть 21 присоединяется к источнику положительного потенциала, равного или большего, чем потенциал пассивирования. При таких условиях обнаженная часть слоя 22 будет подвергаться травлению до тех пор, пока не обнажится р-и-переход между слоем 22 и полупроводниковой частью 21, когда тр а вл ение прекр аща ется.Травление может происходить лишь в поперечном направлении до пунктирных линий 25 и 26 из-за вышеупомянутого различия в скоростях травления относительно кристаллографических плоскостей, Метод, показанный на фиг. 5, может использоваться для образования полостей произвольной формы и, в особенности, для образования щелей, которые часто используют в интегральных схемках с диэлектрической изоляцией.Конечно, глубина полости определяется положением первого р-п-перехода, располагающегося ниже поверхности, 415897 50 55 60 65 5 10 15 20 25 30 35 40 45 10На фиг. 6 показан участок поперечного сечения полупроводниковой пластины 27.Полупроводниковая пластина 27 является полуфабрикатом для изготовления полупроводниковой интегральной цепи с воздушной или диэлектрической изоляцией. Она состоит из подложки 28 р-типа с относительно высоким удельным сопротивлением, на которой располагается слой 29 г+-типа и слой 30 гг-типа с меньшей концентрацией, образованные, например, путем эпитаксиального осаждения или путем диффузии или путем ионного внедрения или путем других методов. В слое 30 образованы локализованные зоны 31 и 32 р-типа проводимости, служащие в качестве резисторов или базовых областей транзисторов, находящихся внутри интегральной цепи. Внутри зон 31 и 32 р-типа вставлено ряд зон 33 и 34 п+-типа, обеспечиваюгцих, например, эмиттерные зоны транзисторов интегральной цепи. Зона 35 ц+-типа образована для облегчения изготовления низкоом ного контакта с коллектором транзистора через электрод 36 па поверхности. Пассивированньш диэлектрический слой 37 покрывает всю поверхность полупроводника, исключая части, в которых через диэлектрический слой проходят металлические электроды 36, 38, 39 - 41, обеспечивающие низкоомный контакт с нижерасположенными полупроводниковыми зонами. Над пассивированным диэлектрическим слоем 37 и вышеупомянутыми электродами формируется непрерывный и относительно однородный проводящий слой 42, например, инертного металла, такого как платина илн золото. Потенциальное распределение через проводящий слой 42 прикладывается практически однородно через зону, такую как зона 35, к слою 29 и+-типа. При этом подложка 28 р-типа полностью удаляется, пока не обнажится переход между подложкой 28 р-типа и слоем 29 (г+-типа. После обнажения перехода, начинает протекать ток, вследствие чего па нижней обнаженной части слоя 29 нарастает окисный слой в соответствии с вышеупомянутыми более полно описанными процессами. Предлагаемый способ относится, прежде всего, к монокристаллическому кремниевому полупроводниковому м атериалу, подвергаемому травлению в горячем (70 - 100 С) водном растворе щелочи при наличии положительного потенциала. Необходимо отметить, что верхний температурный предел (100 С) не является критичным. Могут использоваться все температуры, вплоть до точки кипения.Очевидно, что эти процессы применимы и и другим кристаллическим полупроводниковы., металлам, включая германий и хорошо извест. ные смешанные полупроводники ЛП 1 - 8"у и А 11 - В 1 Ъ. Основанным критерием является способность полупроводника образовывать пассивировацное покрытие в применяемом растворе для травления для того, чтобы достигнуть исключительной скорости травления.Предмет изобретен ич 1. Способ селективного электролитического травления кремниевого полупроводникового тела с р-п-переходом, включающий этапы погружения полупроводникового тела и противостоящего электрода в травитель и установления напряжения между полупроводниковым телом и противостоящим электродом, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью осуществления возможности травления только одной области р-а-перехода и упрощения процесса травления, в качестве электролита используют травитель, обеспечивающий химическое травление кремния в отсутствие прилагаемого напряжения между кремнием и противостояв;нм электродом, кремний пассивируют в результа те воздействия положительного по отношению к раствору напряжения, а в полупроводниковом теле устанавливают и поддерживают распределение потенциала, достаточное для того, чтобы е участки, которые подвергают травле нию, имели потенциал меньший, чем потенциал пассивирования по отношению к противостоящему электроду.2. Способ по п, 1, отличающийся тем,что в качестве электролита используют вод ные растворы гидроокисей металлов группы1 Л периодической таблицы элементов.3. Способ по п. 1, отличающийся гем,что в качестве электролита используют водные растворы гидроокиси аммония.15 4. Способ по п, 1, отличающийся тем,что в качестве электролита используют водные растворы алкилзамешенных гидроокпси аммония.