DE1298189B

DE1298189B - Verfahren zum Herstellen von isolierten Bereichen in einer integrierten Halbleiter-Schaltung

Info

Publication number: DE1298189B
Application number: DEM67601A
Authority: DE
Inventors: Jackson Don Merrill
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1964-12-14
Filing date: 1965-12-11
Publication date: 1969-06-26
Also published as: US3461003A; FR1457032A; GB1089098A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von isolierten Bereichen in einer integrierten Halbleiter-Schaltung, bei dem eine einkristalline Halbleiterschicht eines Leitungstyps an durch Öffnungen einer Maskenschicht örtlich definierten Bereichen auf einen Halbleiterträger epitaktisch aufgebracht wird.

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist es bekannt, mit Hufe eines derartigen Verfahrens isolierte Bereiche für die Ausbildung von Transistoren eines Leitungstyps in dem Trägerkristall vorzusehen. Große Schwierigkeiten ergaben sich jedoch bisher, wenn man Transistoren vom entgegengesetzten Leitungstyp auf ein und denselben Trägerkristall ausbilden wollte. Die hierzu benutzten Verfahren erfordern mehrfache Umdiffusionen des Halbleitermaterials, wobei die zwangläufig sich ergebenden Dotierprofile starke Beschränkungen mit sich bringen. Die nach diesen Verfahren hergestellten Transistoren zeigen überdies eine hohe Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung, die zu relativ hohen Verlustleistungen führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur gleichzeitigen Herstellung von Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps in ein und demselben Halbleiterträger einer integrierten Schaltung, welches in der Ausführung wesentlich einfacher und damit billiger als die bekannten Verfahren ist, und welches darüber hinaus zu Transistoren mit besseren Eigenschaften führt, als sie die bekannten Verfahren liefern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art nach Ausbildung einer zweiten Maskenschicht auf der ersten Maskenschicht und der epitaktischen Schicht durch beide Maskenschichten durchstoßende Öffnungen eine zweite Halbleiterschicht vom entgegengesetzten Leitungstyp auf dem Träger epitaktisch abgelagert wird, daß eine dritte Maskenschicht auf der zweiten epitaktischen Schicht und der sie umgebenden Maskenschicht ausgebildet wird, und daß auf der dritten Maskenschicht eine Trägerschicht abgelagert und anschließend der Träger bis zur Freilegung der beiden epitaktischen Schichten entfernt wird. Zwar ist es bekannt, in einem Halbleiterträger grabenartige Vertiefungen auszubilden und auf der so behandelten Oberfläche einen Siliziumdioxydfilm wachsen zu lassen, auf dem wiederum polykristallines Silizium abgelagert wird, und anschließend von der Rückseite her das ursprüngliche Trägermaterial bis zu den tiefsten Stellen des Siliziumdioxydfilms abzutragen, so daß in dem polykristallinen Silizium Halbleiterbereiche entstehen, die durch die Siliziumdioxydschicht gegeneinander und gegen das polykristalline Silizium getrennt sind. Diese einzelnen Halbleiterbereiche weisen jedoch zunächst sämtlich den gleichen Leitungstyp auf, so daß eine Ausbildung von Transistoren mit entgegengesetztem Leitungstyp in diesen verschiedenen Inseln wiederum nur durch aufwendige Umdiffusionen hergestellt werden kann.

Das vorliegende Verfahren gestattet demgegenüber die Ausbildung der einzelnen Bereiche oder Inseln von vornherein mit einem jeweils unterschiedlichen gewünschten Leitungstyp, so daß die Ausbildung entsprechender Transistoren in diesen Inseln keine Schwierigkeiten bereitet. Für das Aufwachsenlassen epitaktischer Schichten eignet sich die (lOO)-Kristallebene besonders gut, so daß die Oberfläche des Trägerkristalls zweckmäßigerweise parallel zu dieser Ebene liegt.

Vorzugsweise wird für das Verfahren nach der Erfindung ein Träger aus Silizium verwendet, wobei die Maskenschichten aus Siliziumdioxyd bestehen, und die zuletzt aufgebrachte Trägerschicht besteht in bekannter Weise aus polykristallinem Silizium.

Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden an Hand der Darstellungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Reaktionsgefäßes mit zugehörigen Teilen zur Herstellung einer epitaktischen Schicht auf einem Trägerkristall,

Fig. 2A und 2B zwei Verfahrensschritte für die Herstellung des ersten epitaktischen Bereiches,

Fig. 3 A bis 3C weitere Verfahrensschritte für die Herstellung des zweiten epitaktischen Bereiches und die Fertigstellung des Halbleiterplättchens, wobei jedoch gegenüber F i g. 2 eine zusätzliche stark dotierte Zone auf der epitaktischen Schicht vorgesehen ist,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer integrierten Halbleiter-Schaltung mit pnp- und npn-Transistoren.

Bei der Herstellung der Elemente nach der Erfindung geht man von einem Halbleiterträger 10 aus, der aus p-leitendem Silizium bestehen kann. Die Leitfähigkeit des Trägermaterials kann in der Größenordnung von 3 Ohm · cm und die Dicke in der Größenordnung von 140 μΐη liegen.

Auf der Oberfläche des Trägers 10 wird eine Maskenschicht 12 aus Siliziumdioxyd (SiO₂) gebildet. Hierzu kann der Träger in dem Reaktionsgefäß 16 bei Temperaturen zwischen 700 und 1300⁰C einer gasförmigen Mischung aus Wasserstoff von einer Quelle 22, Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) aus einer Quelle 20 und Sauerstoff (O₂) von einer Quelle 19 ausgesetzt werden. Die eingeleitete Menge des Sauerstoffs und des Siliziumtetrachlorid-Dampfes hängen von der Temperatur und der gewünschten Aufwachsgeschwindigkeit des Siliziumdioxyds ab. Der Oxydfilm kann auch bei 1100 bis 1300⁰C unter Verwendung von Siliziumtetrachlorid und Kohlendioxyd oder durch zweistündige Wasserdampf-Einwirkung aus der Quelle 17 und nachfolgende zweistündige Sauerstoffeinwirkung aus der Quelle 19 bei 1150° C ausgebildet werden.

In der Maske wird in bekannter Weise eine rechteckige Öffnung vorgesehen, durch die eine epitaktische Schicht 14 wachsen kann. Diese epitaktische Schicht kann mit einem n-Dotiermittel dotiert werden, wie Fig. 2A zeigt.

Das Aufwachsen der epitaktischen Schicht erfolgt in dem Reaktionsgefäß 16, das mit einer Heizschlange 18 auf eine Temperatur zwischen beispielsweise 1000 und 1300° C gebracht wird. Zur Verhinderung eines Aufwachsens der epitaktischen Schicht auf der Siliziumdioxydschicht 12 wird diese zunächst mit Chlorwasserstoffgas aus einer Quelle 24 behandelt. Dann wird der Dampf eines von einer Quelle 20 entnommenen Siliziumtetrachlorids mit Wasserstoff aus einer Quelle 22 gemischt und in das Gefäß 16 eingeführt, wo das Gemisch über die erhitzte Oberfläche des Siliziumträgers 10 strömt. Bei der Reaktion auf dem heißen Träger 10 wird das SiHziumtetrachlorid durch den Wasserstoff zu Silizium reduziert, das sich in monokristalliner Form unter Bildung der Schicht 14

auf dem unmaskierten Teil der Oberfläche des SiIiziumträgers absetzt.

Während des Aufwachsens der epitaktischen Schicht kann zusammen mit den Gasen aus den Quellen 20 und 22 Brom- oder Chlorwasserstoffgas aus einer Quelle 26 in das Gefäß eingeleitet werden, dessen Menge genau eingestellt wird, damit die Glätte oder das Profil der sich bildenden epitaktischen Schicht 14 genau bestimmt werden kann. Die epitaktische Schicht 14 ist in Fig. 2A und 2B n-leitend dargestellt, sie kann jedoch bei entsprechender Wahl des Dotierstoffs auch p-leitend ausgebildet werden.

Als nächster Schnitt kann, gemäß Fig. 2B, eine weitere Oxydschicht 30 über der epitaktischen Schicht und der ursprünglichen Oxydschicht 12 gebildet werden. Im Falle der dargestellten Siliziumdioxydschicht 30 verschmilzt sie praktisch mit der Siliziumdioxydschicht 12.

Die Abb. 3 A bis 3 C zeigen die weiteren Schritte, mit denen zwei voneinander getrennte Gebiete entgegengesetzter Leitfähigkeit in demselben Trägermaterial gebildet werden. In Abb. 3 A ist die n-leitende Insel 14 auf dem Träger 10 in die Oxydablagerungen 12 und 30 eingeschlossen. Zusätzlich kann die Insel 14 zur Erzeugung eines geringen Widerstandes in der Nähe ihrer Oberfläche eine stark dotierte n⁺-Zone besitzen, welche die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des auszubildenden Transistors stark herabsetzt.

Die Anordnung wird dann aus dem Ofen entnommen, und es wird eine zweite Öffnung für die p-leitende Insel 14 a durch die Oxydschichten hindurch gebildet. Daraufhin wird die p-leitende Insel 14 a in der beschriebenen Weise auf der behandelten Oberfläche des Trägers 10 gebildet. Zusätzlich kann auch die Insel 14 a zur Reduzierung ihres Widerstandes eine stark dotierte p+-Zone an ihrer Oberfläche besitzen.

Hierauf wird auf der Anordnung eine weitere Oxydschicht 40 erzeugt, die mit den Oxydschichten 30 und 12 verschmilzt. Anschließend wird die polykristalline Schicht 32 auf der Anordnung abgelagert. Hierzu kann die Anordnung in dem Gefäß 16 verbleiben.

Die polykristalline Siliziumschicht 32 wächst besonders gut, wenn man Trichlorisan (SiHCl₃) aus einer Quelle 27 bei Temperaturen um 1100⁰C zersetzt. Die Dicke dieser Schicht kann beispielsweise 127 bis 203 μΐη betragen.

Die Anordnung kann durch Stickstoff aus einer Quelle 29 gereinigt werden und wird dann aus dem Gefäß 16 entnommen. Das ursprüngliche Trägermaterial 10 wird dann durch einen Ätzprozeß oder ein anderes Verfahren bis zur Freilegung der Inseln 14 und 14a entfernt. Die Anordnung ist in Fig. 3C nach Entfernung des Trägers 10 umgekehrt dargestellt. Die polykristalline Schicht 32 kann durch Ätzen, Polieren oder andere Maßnahmen geglättet werden. Auf diese Weise kann eine Vielzahl unabhängiger und vollständig voneinander isolierter Inseln auf dem üblichen Trägermaterial 32 gebildet werden. Außer dem wählbaren Leitungstyp können die Inseln jeden gewünschten Widerstandswert besitzen; hierzu braucht man nur ein geeignetes Dotiermittel während des Aufwachsens der Epitaxialschicht in das Reaktionsgefäß 16 einzuleiten. Damit können einfach und leicht die elektrischen Eigenschaften jeder einzelnen Stelle genau eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Sättigungsspannung niedrig gehalten werden, so daß die davon abhängigen Eigenschaften des Transistors verbessert werden.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die Insel 14

5 oder die Insel 14 a ganz nach Wunsch an jeder Stelle während ihres Aufwachsens dotiert werden kann, so daß jeder gewünschte Dotierungsgrad und jedes Dotierprofil erreicht werden kann.

Die entsprechenden npn- und pnp-Transistoren

ίο können dann einfach in den Inseln 14 und 14a durch nachfolgende Diffusionsverfahren gebildet werden, die zunächst an der Insel 14 und anschließend an der Insel 14 a vorgenommen werden können, indem die beiden Inseln entsprechend maskiert werden.

Der auf diese Weise entstehende integrierte Aufbau kann die in A b b. 4 gezeigte Form aufweisen, bei der beispielsweise ein Inselpaar 14 mit npn-Transistoren in dem Träger gebildet ist. In ähnlicher Form kann ein Inselpaar 14 a mit pnp-Transistoren gebildet

ao werden. Diese Inseln sind völlig voneinander isoliert, und die entsprechenden Transistoren können einfach unmittelbar in diesen Inseln ausgebildet werden.

Die vollständige Isolierung der Einzeltransistoren bei dieser integrierten Schaltung ist von besonderem Vorteil, da die unerwünschten Koppelkapazitäten zwischen den einzelnen Elementen auf ein Minimum herabgesetzt werden. Damit eignen sich die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Aufbauten besonders für den Betrieb mit hohen Frequenzen.

Das verbesserte Verfahren gemäß der Erfindung ist auch deshalb vorteilhaft, weil es die bequeme Ausbildung hochdotierter n⁺- und p+-Bereiche an den Unterseiten der eingeschlossenen Inseln erlaubt, wobei Wege niedrigen Widerstandes für den Kollektorkontakt geschaffen werden. Dieser Bereich ist im Hinblick auf niedrige Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen kritisch, da ein hoher Widerstand außerdem eine hohe Verlustleistung bedingt.

Weiterhin ist von Vorteil, daß die n- und p-Inseln 14 und 14 a im wesentlichen aus unkompensiertem Material gebildet sind, was bei den bisherigen Konstruktionen praktisch nicht möglich war. Das bedeutet, daß die bei der Bildung der Transistoren aufeinanderfolgenden Diffusionen in diesen Inseln näher an den theoretisch möglichen Verlauf herankommen, als es bei der Verwendung von hochkompensiertem Material der Fall wäre. Unkompensiertes Material enthält sehr wenig Fremdatome des entgegengesetzten Dotierstoffs. Es kann also genügend n-Dotierstoff zu der Insel 14 hinzugegeben werden, um jegliches p-Material zu übertönen. Umgekehrt gilt natürlich das Entsprechende.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von isolierten Bereichen in einer integrierten Halbleiter-Schaltung, bei dem eine einkristalline Halbleiterschicht eines Leitungstyps an durch öffnungen einer Maskenschicht örtlich definierten Bereichen auf einen Halbleiterträger epitaktisch aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ausbildung einer zweiten Maskenschicht (30) auf der ersten Maskenschicht (12) und der epitaktischen Schicht (14) durch beide Maskenschichten (12, 30) durchstoßende öffnungen eine zweite Halbleiterschicht (14 α) von entgegengesetztem Leitungstyp auf dem Träger (10) epitaktisch ab-

gelagert wird, daß eine dritte Maskenschicht (40) auf der zweiten epitaktischen Schicht (14 a) und der sie umgebenden Maskenschicht (30) ausgebildet wird, und daß auf der dritten Maskenschicht (40) eine Trägerschicht (32) abgelagert und anschließend der Träger (10) bis zur Freilegung der beiden Schichten (14, 14 a) entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) aus Silizium und die Maskenschichten (12,30,40) aus Siliziumdioxyd bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (32) aus polykristallinem Silizium besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen