DD241974A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, insbesondere Halbleiteranordnungen, die nebeneinander vollstaendig dielektrisch isolierte aktive Gebiete und aktive Gebiete im einkristallinen Substratmaterial enthalten. Diese Loesung bietet die Moeglichkeit der Verbindung der herkoemmlichen Siliciumtechnologie mit den Verteilen einer SOI (Silicon on Insulator) Technologie wie hohe Arbeitsgeschwindigkeit, Spannungs- und Strahlungsfestigkeit. Die vollstaendig dielektrisch isolierten Gebiete werden durch Rekristallisation von nichteinkristallinem Silicium auf einer isolierenden Schicht durch Bestrahlen mit einem bewegten Energiestrahl erzeugt. Das Rekristallisationsregime wird so gewaehlt, dass die Temperatur/Zeit-Belastung der Siliciumscheibe gering ist. So werden schon vorhandene aktive Strukturen nicht gestoert.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, insbesondere Halbleiteranordnungen, die vollständig dielektrisch isolierte aktive Gebiete und aktive Gebiete im einkristallinen Substratmaterial aufweisen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die kommerziell genutzte technische1_ösung zur Erzeugung von Halbleiteranordnungen mit lateraler und.vertikaler dielektrischer Isolation, der sogenannte Harris-Prozeß (K. E. Beam, W. R. Runyan J. Electrochem. Soc. 124[1] [1977]5C-12-C), beinhaltet folgende Verfahrensschritte:

In (100) orientierten Siliciumsubstraten werden v-förmige Gruben bis zu einer Tiefe von etwa 50 μηι durch ein anisotropes Ätzverfahren erzeugt. Nach anschließender thermischer Oxidation zur Erzeugung der dielektrischen Schicht wird eine 500μηι dicke nicht einristalline Siliciumschicht abgeschieden, die später als neue mechanische Stütze die Funktion des Substrates übernimmt. Das ursprüngliche Substrat wird dann in einem mechanischen Schleif-und Läppverfahren entfernt. Auf diese Weise werden dielektrisch isolierte Siliciumgebiete auf dem Polysiliciumträger geschaffen. Nachteil dieser Technologie sind hohe Kosten, die durch die Abscheidung der dicken Polysiliciumschicht, das Abschleifen des einkristallinen Substrates entstehen und eine geringe Ausbeute an Bauelementen, die in der Substratverwerfung bei der Schichtabscheidung begründet ist. Eine zweite Lösung, die die dielektrisch isolierten Gebiete durch einen Rekristallisationsprozeß von nicht einkristallinem Silicium auf SiO₂ und nachfolgendem Polieren der Oberfläche schafft, (G. K. Celler, McD. Robinson, L. E.Trimble, D. J. Fischer J. Electrochem. Soc: Solid-State Science and Technology 132 [1] [1985] 211-219 GB-Patent 2120011A) beruht auf folgendem Verfahrensweg: In ein Silicumsubstrat werden wannenförmige Vertiefungen geätzt, die in ihrer Ausdehnung der Größe der benötigten dielektrisch isolierten Gebiete entsprechen. Daran schließt sich eine thermische Oxidation an. In das SiO₂ werden in einem fotolithografischen Prozeß mit nachfolgendem Ätzen Öffnungen eingebracht. Danach wird nichteinkristallines Silicium in einem CVD-Prozeß abgeschieden. Das nichteinkristalline Silicium wird in einem stationären Lichtofen umgeschmolzen. Dabei entsteht in einem lateralen Epitaxieprozeß beginnend an den Kernöffnungen einkristallines Silicium mit Defekten an den Grabenwänden (LE 60-Lateral Epitaxial Growth over Oxide). Durch Polieren wird die Oberfläche eingeebnet und die Verbindlang zum Kristallisationskeim unterbrochen. Auf diese Weise entstehen dielektrisch isolierte Gebiete in wannenförmigen Vertiefungen. Eine Variante des Verfahrens geht von planaren Strukturen aus und beseitigt die Verbindungen zum Keim durch geeignete Methoden. Nachteil dieser Lösung ist, daß der epitaktische Wachstumsprozeß im Falle der wannenförmigen Substratvertiefungen über ein nichtplanares Substrat erfolgen muß. Dabei werden verstärkt Kristalldefekte gebildet. Weiterhin treten Kristalldefekte an den Verbindungsstellen der Erstarrungsfronten auf. Nach der Rekristallisation ist ein aufwendiger Polierschritt notwendig. Zur Führung des LE 60 Prozesses (planar und nichtplanar) ist es notwendig, die gesamte Oberfläche über den relativ langen Zeitraum von 10 bis 100s auf Schmelztemperatur zu halten. Die Temperatur des Substrates liegt dabei wenig unterhalb der Schmelztemperatur. Dies bedingt eine hohe thermische Belastung des Halbleitersystems und erlaubt es nicht, aktive Strukturen schon vor dem Rekristallisationsprozeß zu erzeugen.

Eine Lösung zur Erzeugung vertikal und lateral dielektrisch isolierter Gebiete wird in der DE-Patentschrift 322130 beschrieben. Nachteil dieser Lösung ist, daß nur dünne Siliciumschichten < 1 μΐη rekristallisiert werden können, da die vertikale Isolation durch eine LOCOS-Technik erfolgt. Zur Erzeugung dicker Schichten muß der Prozeß mehrfach wiederholt werden. In einer Reihe weiterer Veröffentlichungen und Patente, beispielsweise US-PS 4059461 werden.mit Hilfe eines Rekristallisationsprozesses vertikal dielektrisch isolierte Gebiete geschaffen. Es wird dabei kein orientierter Kristallisationskeim genutzt. Im Ergebnis diesei Verfahren entsteht großflächig polykristallines Silicium oder einkristalline Bereiche, die eine uneinheitliche Ordnung aufweisen. Bei Siliciumschichtdicken größer als 5 μΓη tritt keine Vorzugsorientierung mehr auf, wenn kein Kristallkeim verwendet wird. (H.A.Atwater; H.I.Smith, C.V.Thompson, M.W.Geiss Material Lett. 2 [1984] 269)

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die neben vollständig dielektrisch isolierten aktiven Gebieten auch elektrisch aktive Gebiete im einkristallinen Halbleitersubstratmaterial auf mindestens einem Chip einer Substratscheibe aufweisen kann.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung zu entwickeln, daß gleichzeitig die Erstellung von zum Siliciumsubstratmaterial isolierten und mit dem Bulkmaterial verbundenen Siliciummaterialbereichen auf dem Bulkmaterial ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Vorheizung eines mit einem Siliciumschichtmaterials versehenen Siliciumbulkmaterial im Temperaturbereich von 500°C-1000°C die Siliciumschicht mittels einer Laserstrahlung des Wellenlängenbereiches 4μηη-11 μηι bei einer Verweilzeit von 1 ms bis 1 s ausgehend von den Öffnungen zum einkristallinen Bulkmaterial rekristallisiert wird und daß in einem nachfolgenden Ätzprozeß die einkristallinen Bereiche der Siliciumschicht, die über die in der Isolierschicht befindlichen Öffnungen mit dem Bulkmaterial verbunden sind, von den einkristallinen Bereichen, die auf der isolierenden Schicht rekristallisiert sind, bis zur Isolierschicht getrennt werden und daß diese Ausnehmungen einem nachfolgenden Oxidationsprozeß unterzogen werden. Das Verfahren wird vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß die Siliciumschicht mittels eines CVD-Prozesses, der über den Öffnungen zum Bulkmaterial ein epitaktisches Aufwachsen bedingt, aufgebracht wird. Das Verfahren erlaubtes, das der rekristallisierende Laserstrahl nur einmal über den zu rekristallisierenden Bereich, ausgehend vom Kristallisationskeim geführt wird. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, daß die Bereiche der einkristallinen Siliciumschicht, die mit dem Bulkmaterial verbunden und zum Bulkmaterial vertikal isoliert sind, durch einen, durch Diffusion bzw. Implantation erzeugten p-n-Übergang vertikal getrennt werden. Zur Durchführung der Rekristallisation der Siliciumschicht ist das vorherige Aufbringen eines Deckschichtsystems auf die Siliciumschicht vorteilhaft, dabei kann das Deckschichtsystem auf den zu rekristallisierenden Bereichen Energieabsorptionseigenschaften aufweisend, ausgebildet sein.

Die vertikal und lateral zum Bulkmaterial isolierten Schichtgebiete werden durch eine Rekristallisation von nichteinkristallinen Silicium auf einer isolierenden Schicht, bestehend aus Siliciumdioxid hergestellt. Die Rekristallisation ist dabei lokal selektiv und erfolgt nur in den Gebieten der Siliciumschicht, die für die dielektrische Isolation vorgesehen sind. Nur in diesen Gebieten erreicht die Temperatur kurzzeitig einen Wert, der der Schmelztemperatur nahekommt, wobei die Temperatur der restlichen Oberflächenbereiche und des Substrates weit unterhalb'der Schmelztemperatur liegf. Daraus resultiert eine geringe Temperatur/Zeit-Belastung der gesamten Substratscheibe. Das ermöglicht auch, die Rekristallisation zur Erzeugung von dielektrisch isolierten Gebieten beim Vorhandensein aktiver Gebiete, im mit der Substratscheibe verbundenen einkristallinen Halbleitermaterial, durchzuführen. Zur Herstellung der Halbleiteranordnung wird in einem Oxidationsprozeß die Siliciumscheibe thermisch oxidiert. In einem Lithografieschritt mit nachfolgenden Ätzprozeß werden Fenster in die Oxidschicht eingebracht, so daß Teile der einkristallinen Substratscheibe freigelegt werden. Auf diese so entstandene Struktur wird in einem Epitaxiereaktor Silicium derart abgeschieden, daß in dem Siliciumoxidfenster ein epitaktisches Wachstum und auf der Siliciumdioxidschicht nichteinkristallines Silicium entsteht. Die Siliciumabscheidung kann auch so durchgeführt werden, daß auf der gesamten Scheibe einschließlich der Oxidfenster nichteinkristallines Silicium abgeschieden wird. Die Schichtdicke der Siliciumschicht kann von 5 μ bis 50 μ betragen. Die Siliciumschicht wird anschließend mit einer Deckschicht versehen. Die so erhaltene Struktur wird einem Rekristallisationsprozeß unterzogen. Dabei wird das Schichtsystem einer Strahlung ausgesetzt. Das nichteinkristalline Silicium unter der Deckschicht in den bestrahlten Gebieten schmilzt auf. Die Bestrahlung erfolgt mit bewegtem fokusiertem Laserstrahl, so daß die Verweilzeit < 1 s ist. Während der Bestrahlung wird die Siliciumscheibe von der Rückseite her vorgeheizt. Die Vorheiztemperatur liegt bei ca. 800⁰C. Die lokale Selektivität des Rekristallisationsprozesses wird durch eine Bewegung des Energiestrahles in der Form erreicht, daß nur die zu rekristallisierenden Gebiete durch den Strahl überstrichen werden. Dies wird durch schreitende Bestrahlung z. B. mit einem fokusiertn und geformten CO2-Laserstrahl erreicht. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Strukturierung der Deckschicht derar, daß die Absorption der eingestrahlten Energie in den zu rekristallisierenden Gebieten erhöht wird oder die Reflexion für die Strahlung im Oberflächenbereich der nicht zu rekristallisierenden Gebiete erhöht wird. Beim Rekristallisationsprozeß wird der Energiestrahl ausgehend vom Rekristallisationskeim über das nichtkristalline Siliciumgebiet bewegt. Dabei schmilzt das Silicium auf und beim Erstarren entsteht einkristallines Silicium ohne Kleinwinkelkorngrenzen. Die Ausdehnung der einkristallinen Gebiete beträgt je nach Schichtdicke ca. 1 mm-2mm gemessen vom Kristallisationskeim. Die so entstandenen vertikal dielektrisch vom Substrat isolierten Gebiete werden lateral vom Keimgebiet und der Umgebung isoliert. Die Isolation erfolgt durch das Ätzen eines Grabens um das vertikal isolierte Gebiet, der Graben wird dann durch Isolationsmaterial ausgefüllt. Eine weitere Möglichkeit der Isolation der vertikal isolierten Gebiete besteht in der Erzeugung eines p-n-Überganges. Im Ergebnis dieser Isolationsverfahren entstehen vertikal und lateral dielektrisch isolierte Gebiete mit einer Breite von 1 mm-2 mm und der Länge des Kristallkeimes. Das ehemals als Kristallisationskeim fungierende Gebiet kann für die Erstellung aktiver Strukturen im Substrat genutzt werden. Damit werden Halbleiteranordnungen erzeugt, die nebeneinander aktive Gebiete enthalten die vertikal und lateral dielektrisch isoliert sind und aktive Gebiete im Substratmaterial enthalten.

Ausführungsbeispiel:

Siliciumsubstratmaterial (100) orientiert wird thermisch oxidiert. Die Schichtdicke des thermischen Siliciumdioxid beträgt 1³Am. In die Siliciumdioxidschicht werden in einem Fotolithografieschritt mit anschließender Oxidätzung rechteckige Öffnungen eingebracht, die bis zum einkristallinen Substrat reichen. Die Anordnung der rechteckigen Öffnungen wird so gewählt, daß der Abstand zwischen zwei Öffnungen der Größe der zu rekristallisierenden Gebiete entsprechen. Die Längsausdehnung der achteckigen Öffnungen liegt parallel zur (011 (-Richtung des Siliciumsubstrates.

Auf die so entstandene Struktur wird Silicium derart abgeschieden, daß in den rechteckigen Siliciumdioxidöffnungen einkristallines Silicium und auf dem thermischen Oxid nichteinkristallines Silicium entsteht. Die Schichtdicke beträgt ΙΟμιτι. Danach wird die Struktur mit einer Deckschicht aus Siliciumdioxid 2 pm Schichtdicke und Siliciumnitrid 0,03 μητι Schichtdicke versehen. Die Bestrahlung wird mit einem bewegtem CO₂-Laser mit 1 mm s~¹ Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls ausgeführt. Der Laserstrahl wird mit Hilfe einer Zylinderlinse aus Natriumchlorid (Brennweite 10cm) so geformt, daß eine linienförmige Intensitätsverteilung senkrecht zur Bewegungsrichtung entsteht (0,2 mm breit und 30 mm lang). Während des Rekristallisationsprozesses wird die gesamte Scheibe auf etwa 1000 K vorgeheizt. Ausgehend vom Kristallisationskeim wird das nichteinkristalline Silicium aufgeschmolzen. Beim Erstarren entstehen einkristalline Gebiete auf dem thermischen Siliciumdioxid. Bis zu etwa 0,5mm Abstand zwischen den Kristallisationskeimen ist das entstehende einkristalline Material frei von Kleinwinkelkorngrenzen. Nach der Rekristallisation wird das Deckschichtsystem entfernt. Die laterale Isolation wird wie folgt ausgeführt:

An der Kante des Kristallisationskeimes wird durch einen Lithographieschnitt mit anschließender KOH-Ätzung eine Grube derart geöffnet, daß die Verbindung zwischen Keimgebiet und dem einkristallinen Siliciumdioxid unterbrochen wird. Die Grabenwände werden thermisch oxidiert und die bleibende Vertiefung ausgefüllt

Das einkristalline Keimgebiet kann für die Unterbringung von Funktionen in konventioneller Technologie genutzt werden.

Claims (6)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch Rekristallisation ΘΪηβΓ>5μηη dicken Siliciumschicht, die auf einer auf dem Siliciumbulkmaterial aufgebrachten durch einen nachfolgendne Ätzschritt mit Öffnungen zum Bulkmaterial hin versehenen isolierenden Schicht abgeschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Heizung des mit dem Schichtmaterial versehenen Siliciumbulkmaterials im Temperaturbereich von 500°C-1000^cC die Siliciumschicht mittels einer Laserstrahlung des Wellenlängenbereiches 4 μπν-ΙΙ μπι bei einer Verweilzeit von 1 ms-1 sausgehend von den Öffnungen zum einkristallinen Bulkmaterial rekristallisiert wird und daß in einem nachfolgenden Ätzprozeß die einkristallinen Bereiche der Siliciumschicht, die über die in der Isolierschicht befindlichen Öffnungen mit dem Bulkmaterial verbunden sind, von den einkristallinen Bereichen, die auf der isolierenden Schicht rekristallisiert sind, bis zur Isolierschicht getrennt werden und daß diese Ausnehmungen einem nachfolgenden Oxidationsprozeß unterzogen werden.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschicht mittels eines CVD-Prozesses, der über den Öffnungen zum Bulkmaterial ein epitaktisches Aufwachsen bedingt, aufgebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Siliciumschicht ein Deckschichtsystem aufgebracht wird.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der rekristallisierende Laserstrahl einmal über den zu rekristallisierenden Bereich, ausgehend vom Keim, geführt wird.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der einkristallinen Siliciumschicht durch einen, durch Diffusion- bzw. Implantation erzeugten p-n-Übergang getrennt werden.
6. 6. Verfahren nach Punkt 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckschichtsystem auf den zu rekristallisierenden Bereichen Energieabsorptionseigenschaften aufweisend, ausgebildet ist.