DE1539853A1 - Integrierte elektronische Halbleiterschaltung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Integrierte elektronische Halbleiterschaltung und Verfahren zu deren Herstellung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Halbleiterschaltungen und insbesondere auf Verfahren und eine Technik zum Herstellen von Integrierten elektronischen Halbleiterschaltungen.

In einem Aufsatz von Maxwell et al "The Minimization of Parasitics Ia Integrated Circuits By Dielectric Isolation", der in der Zeitschrift IEEfi Transactions of Electron Devices, im Januar-Heft 1965* auf den Seiten 20 - 24, abgedruckt wurde, wird eine neue Technik zur Herstellung von integrierten elektronischen Schaltungen beschrieben. Gemäß dieser Technik werden Inseln aus Halbleitermaterial in einem dielektrischen Substrat gebildet, das gleichzeitig zur elektrischen Isolation zwischen diesen Inseln dient. Die Inseln werden

i dann in aktive Vorrichtungen, wie Transistoren, umgebildet und auf konventionelle Weise werden dann Verbindungen und passive Vorrichtungen ausgebildet, damit eine fertige integrierte Schaltung entsteht.

Das Verfahren zum Herstellen der Inseln wird in dem oben genannten Aufsatz beschrieben. Bei dem beschriebenen Verfahren läßt man eine Oxydschicht (Dielektrikum) auf der Oberseite eines monokristallinen Siliziumwafers wachsen und in das Oxyd werden Löcher eingeschnitten

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oder geätzt. Der Siliziumwafer wird dann durch die Löcher in dem Oxydwafer hindurchgeätzt. Alternativ kann man in den Löchern auch epitaxiales Silizium wachsen lassen, so daß dann durch Gräben ge- trennte Inseln aus Silizium entstehen. Darauf läßt man über der ge- " samten Oberfläche eine zweite Oxydschicht wachsen und auf dieser zweiten Oxydschicht bringt man polykristallines Silizium in beträchtlicher Stärke auf, das zur mechanischen Abstützung dient. Der ursprüngliche Wafer wird dann bis auf die Höhe des Oxydes geläppt oder heruntergeätzt, so daß von dem anfänglichen Wafer nur noch Inseln übrigbleiben. Diese Inseln sind natürlich durch das Oxyd isoliert und werden durch das Polykristalline Silizium gestützt.

In dem Aufsatz heißt es, daß die verschiedenen Komponenten im Idealfall in ein Dielektrikum eingebettet sein und eine planare Oberseite haben würden, so daß Dünnschichtverbindungen aufgebracht werden könnten. In dem Aufsatz heißt es jedoch weiter, daß ein solches Vorgehen zwar erwünscht, aber- nicht zweckmäßig ist, wenn man die Wärmeableitung berücksichtigt., da ein guter elektrischer Isolator irn allgemeinen kein guter Wärmeleiter ist.

Das in dem Aufsatz skizzierte Verfahren ist durchführbar. Jedoch hat es mehrere Nachteile. Zum Aufbringen der erforderlichen Oxyd- und mechanischen Stützschichten sind mindestens drei Auftragestufen erforderlich. Diese Arbeitsstufen rauben Zeit. Weiter lassen sich die Läpp- oder Ä'tzvorgänge beim Entfernen des überschüssigen Wafermafcerials nur schwierig steuern, da durch das Ätzen oder Läppen auch das Oxyd leicht entfernt wird. Zum Erzielen einer wirkungsvollen Isolation muß das Silizium notwendigerweise vollständig über dem Oxyd zwischen den Inseln entfernt werden. Da die Oxydschicht auf der ande-

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- ren Seite re.cht dünn ist und bei den Ätz- oder Läppverfahren leicht Entfernt wird, wird die Schicht oft nur irrtümlich abgetragen, was izu einem übermäßigen Läppen oder Ätzen der Inseln und damit zu einer unzureichenden Isolierung zwischen den Inseln führt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die Ausbildung eines verbesserten Verfahrens zum Erzielen einer elektrischen Isolierung zwischen Halbleiterinseln in integrierten Schaltungen, wobei die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden v/erden. Eine weitere Aufgabe liegt in der Ausbildung eines Verfahrens zum Herstellen der Komponenten einer integrierten Schaltung, das ökonomischer als die Techniken des Standes der Technik ist. Sine weitere Aufgabe liegt in der Ausbildung eines praktischen Verfahrens zum Ausbilden der Komponenten einer integrierten Schaltung, wobei diese Komponenten in ein isolierendes Medium mit guten Wärme-leitenden Eigenschaften eingebettet sind uaci das ausreichende mechanische ί-ο^';ΐ|« keit hat, um die Hinzufügung einer ^;-- "■"i-i.sctien Vei's-bärKrii^ überaus- ! sig su machen.

Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von integrierten Halble.iterschaltungen vor, bei dem Siliziuminseln in einem Substrat aus Siliziumkarbid hoher Dichte geformt werden. Siliziumkarbid ist ein sehr hartes Material, das chemisch stärker inert als Silizium ist, welches gute wärmeleitende Eigenschaften hat und welches mit guten elektrischen I?olationseigenschaften versehen werden kann. Die Anfgangs-'schritte bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen die gleichen wie die Schritte, die in dem eben genannten Aufsatz beschrieben werden. Bei der Verwendung von Siliziumkar-

ι-1-Λ an Stelle der Oxydschicht werden weitere Auftragevorgänge und

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^ΒΛ ^ ORIGINAL

OxyäMiäiings^os/glnge Überfluss ig ο Das Läppen läßt sich einfach steu ern, da Siliziumkarbid sehr hart ist=, Infolgedessen kann aucfcrdie
Sicke des- Inseln- leicht gesteuert werden« Die Silisiumkarbidschieht hat eins siasreiofeende Festigkeit^ so daß eine zusätzliche raeohani·« .

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tig sind zum Aufbringen der passiven Vorrichtungen und der Verbindungen, um damit eine erfindungsgemäße integrierte Schaltung fertigzustellen.

In der Zeichnung sind in den verschiedenen Ansichten gleiche oder sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines Wafers 11 aus monokristallinem • Silizium, auf den eine Maske 12 aufgebracht ist. Diese besteht z. B. aus einem auf fotografischem Wege entfernbaren Material.

Die Maske wird zum selektiven fitzen des Halbleiterkristalls verwendet, wobei man auf eine bis auf eine Ausnahme in der Technik übliche Weise vorgeht. Während im allgemeinen zugelassen werden muß, daß unter der Maske noch um eine Strecke geätzt wird, die gleich der Tiefe der Ätzung ist, ist in diesem Fall die bloßgelegte Fläche der Halbleiterinsel, die anschließend die gewünschte aktive Vorrichtung bildet, exakt gleich der Größe der Maskenöffnung. Eine Zugabe für seitliches Ätzen ist demnach nicht erforderlich. Wie Fig. 2 zeigt, schreitet das Ätzen sowohl seitlich als auch senkrecht mit der gleichen Geschwindigkeit fort, so daß die Wände 13 der weggeätzten Ab- j schnitte mit der Maske Winkel von ^5° einschließen. Der Boden des weggeätzten Abschnittes behält dagegen die gleichen Abmessungen wie j die öffnung 14 in der Maske bei.

Falls erwünscht, kann'in den Maskenöffnungen an Stelle des Ätzens epitaxiales Silizium aufgebracht werden. Man vollführt dies am besten durch Aufbringen eines Oxydüberzuges auf der Siliziumoberfläche, und zwar vor dem Aufsetzen der Maske. Das Oxyd wird dann zum Freilegen der Siliziumoberfläche in den abgedeckten öffnungen geätzt. Die Maske wird dann entfernt und das Oxyd wird als Maske für das Aufbrin

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gen des epitaxialen Siliziums verwendet. Der Zweck des Ä'tzens oder Auftragens liegt lediglich darin, erhabene Ae Abschnitte zu bilden, die in ihrer Dicke der gewünschten Dicke der herzustellenden aktiven Vorrichtungen entsprechen.

Dieser Formungsschritt wird fortgesetzt, bis man eine Tiefe erreicht, die gleich der gewünschten Dicke der herzustellenden aktiven Vorrichtungen ist. Die Maske wird dann entfernt und homogenes Siliziumkarbid wird über der Oberfläche des Kristallwafers aufgetragen, wie dies in Fig. 3 durch die Schicht 15 gezeigt wird. Zum Niederschlagen von Siliziumkarbid auf einem Siliziumsubstrat sind mehrere Verfahren bekannt. Gemäß der vorliegenden Erfindung geschieht dies vorzugsweise durch Zersetzung eines Alkylsilans in einem Wasserstoffträger. Geeignete Substanzen, die zum Niederschlagen von homogenem Siliziumkarbid gemäß diesem Verfahren verwendet werden können, sind unter anderem Trimethylmonochlorsilan, Methyltrichlorsilan, Propyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan und verschiedene halogenierte und nichthalogenierte Silane und Alkylsilanmischungen. Das Anreichern des Siliziumkarbids mit Verunreinigungen, um in den Fällen, in denen Dopen oder Anreichern erwünscht ist, um einen gewünschten spezifischen Widerstand zu erhalten, erfolgt durch Zugabe der Verunreinigungen zu der Gasmischung während des Niederschiagens des Siliziumkarbids.

Die Zersetzung erfolgt dadurch, daß man das Gas über das Siliziumsubstrat leitet, während man dieses bis auf eine Temperatur oberhalb von etwa 1050° C erhitzt hat, aber nicht über den Schmelzpunkt von Silizium, der bei etwa 1425° C liegt. Ein Gemisch aus Wasserstoff und Dimethyldichlorsilan in einem Verhältnis voni 1 : 1 kann über die Siliziumoberfläche geleitet werden. Das Niederschlagen oder der Auftrag wird fortgesetzt, bis das Siliziumkarbid die gewünschte Stär-

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ke erreicht hat. Eine Schicht mit einer Stärke von zwei bis vier Tausendstel Zoll oder größer hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Die Stärke ist nur insofern kritisch, als genügend Festigkeit für eine einfache Handhabung erreicht wird, ohne daß damit die Gefahr eines Bruches verbunden ist.

Nachdem der Auftrag fertig ist, wie dies Fig. J zeigt ₃ wird der Siliziumwaferl 11 bis auf die Höhe der SiliziunikarbidscMcht 15 geätzt oder geläppt, wie dies Fig. 4 zeigt, wobei die Inseln 16, 17 und 18 | aus Silizium entstehen, die durch das Siliziumkarbid voneinander iso-l liert werden. Wegen der außergewöhnlichen Härte des Siliziumkarbids \ im Vergleich zu der Härte' des Siliziums läßt sich das Läppen einfach j steuern. In Versuchen hat sich herausgestellt., daS große Schrotkörner ohne die Gefahr eines Aufbrechens der Bindungen zwischen den Siliziuminseln und der sie umgebenden isolierend::!', Se-JrIolifc verwendet werden können. Am Ende des Läppvorganges könne·": uolieiiö Polierverfandren zum Er2ielen eines für Vorrichtungsqualita-: geeigneten Oberflächenfinish über den Inselaoberflächen verwendet werden- An Stelle _; des Läppens kann auch das Ätzen erfolgreich eingesetzt werden. Ss läßt sich auch einfach steuern, da die für Siliaiura im allgemeinen i verwendeten Ätzmittel (HPiHNG.* z» B*)* falls überhaupt, nur eine ge-ί ringe Auswirkung auf das Siliziumkarbid haben.

Fig. 5 zeigt perspektivisch eine Gruppe von Silisiuiainseln 1O₁, 17 und 18, die in die dielektrische Siliziumkarbidsehicht 15 eingebettet sind. Mit konventionellen Verfahren lassen sich aus den Inseln, wie sie in Efe.6 dargestellt and, aktive Vorrichtungen herstellen* und Isolierschichten, Verbindungen und passive Elemente können zum Vervollständigen der gewünschten Schaltung je nach Bedarf aufge-

bracht werden. ₉₀9830/0687

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BAD ORIGINAL

Augenscheinlich ergeben sich für Fachleute viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung. Es leuchtet daher ein, daß die. Erfindung im Rahmen der beiliegenden Ansprüche auch anders ausgeübt werden kann, als dies im einzelnen beschrieben wurde.

Patentansprüche :

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Claims (1)

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   Aktenzeichen
   Einaab. vom 9· MärZ 1966 VA. Natn.d.Antn. DOW COBNING CORPORATION

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Herstellen einer integrierten elektronischen Halbleiterschaltung, gekennzeichnet durch:

   Herstellen eines Wafers aus monokristallinem Silizium unter Bildung von erhabenen Abschnitten, die durch tiefere Abschnitte getrennt werden,

   Auftragen einer isolierenden Schicht aus homogenem Siliziumkarbid über die Oberfläche der erhabenen und der tieferen Abschnitte,

   Entfernen des Siliziums bis auf die Höhe der auf den tieferen Abschnitten gebildeten Siliziumkarbidschicht, um dadurch eine Vielzahl von Inseln aus Silizium zu bilden, die durch das Siliziumkarbid voneinander isoliert werden, und

   Umbilden der Siliziuminseln in aktive Elemente und Aufbringen von passiven Elementen und elektrischen Verbindungen zum Vervollstän digen-der Schaltung;

   2. Verfahren zum Herstellen einer integrierten elektronischen Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des Siliziums bis 'auf die Höhe des Siliziumkarbids

   o einen mechanischen Läppvorgang umfaßt.

   ° y. Verfahren zum Herstellen einer elektronischen isolierten Halb

   σ> leiterschaltung, gekennzeichnet durch:

   ^¹ Abdecken eines Wafers aus monokristallinem Silizium mit einer

   Maske, die in ihrer Gestalt einer gewünschten Konfiguration der aus-D 42/11 - 1 -

   einanderliegenden aktiven Siliziumvorrichtungen entspricht,

   Ätzen des Siliziumwafers durch die Maske bis auf eine Tiefe, die gleich der gewünschten Tiefe der auseinanderliegenden aktiven Siliziumvorrichtungen ist,

   Entfernen der Maske,

   Aufbringen einer Schicht aus homogenem Siliziumkarbid über der Oberfläche des Wafers,

   Entfernen des Siliziums bis auf die Höhe des über den geätzten Abschnitten ausgebildeten Siliziumkarbids, wodurch eine Vielzahl von Inseln aus Silizium gebildet wird, die durch das Siliziumkarbid voneinander getrennt werden, und

   Umbilden der Siliziuminseln in aktive Vorrichtungen und Aufbringen von passiven Elementen und elektrischen Verbindungen zum Vervollständigen der Schaltung.

   4. Verfahren zum Herstellen einer elektronischen integrierten Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des Siliziums bis auf die Höhe des über den geätzten Abschnitten ausgebildeten Siliziumkarbids einen mechanischen Läppvorgang umfaßt.

   5. Integrierte Halbleiterschaltung, gekennzeichnet durch:

   einen liörper aus elektrisch isolierendem, homogenem Silizium-

   ! karbid und

   eine/ Vielzahl von aktiven Siliziumelementen, die in dem Körper eingebettet sind und durch diesen voneinander isoliert v/erden.

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