DE1564191C3 - Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltung mit verschiedenen, gegeneinander und gegen ein gemeinsames Siliziumsubstrat elektrisch isolierten Schaltungselementen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltung mit verschiedenen, gegeneinander und gegen ein gemeinsames Siliziumsubstrat elektrisch isolierten Schaltungselementen, bei dem von dem Substrat durch eine dünne Isolierschicht getrennte Halbleiterschichten durch Anwendung von Maskierungs- und Ätzprozessen in einzelne, die Schaltungselemente aufnehmende Bereiche unterteilt, die freiliegenden Oberflächenseiten einschließlich der seitlichen Trennflächen dieser Bereiche mit einer dünnen Isolierschicht versehen und die zwischen den Bereichen verbleibenden Vertiefungen niit einem weiteren dielektrischen Material ausgefüllt werden.

In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, elektronische Vorrichtungen zu mikrominiaturisieren, d. h. elektronische Festkörpervorrichtungen zu erstellen, bei denen mehrere Schaltungselemente in einem gemeinsamen Substratkristall zu einem monolithischen Block zusammengefaßt sind. Mit fortschreitender Technologie wurde es möglich, in den gleichen monolithischen Block immer mehr Schaltungselemente einzubauen und diese gleichzeitig in geeigneter Weise so zusammenzuschalten, daß ein komplexes elektronisches System entstand. Jedoch bereitet in manchen Fällen die Isolation der verschiedenen Elemente untereinander sowie bezüglich des gemeinsamen Substrates Schwierigkeiten, besonders wenn dies ohne die Benutzung von isolierenden Schichten durchgeführt werden sollte. Praktisch ist ein solches Vorgehen sogar unmöglich, wenn die Vorrichtung für hohen Energieumsatz und sehr hohe Frequenzen geeignet sein soll. Sollen eine Vielzahl von Komponenten auf der Oberfläche eines Substrates kleiner Abmessungen aufgebracht werden, so ist es verständlich, daß Schwierigkeiten auftreten, die verschiedenen Elemente elektrisch in befriedigender Weise voneinander zu isolieren. Hierzu gibt es in der Technik verschiedene Lösungen, jedoch ist meist eine Erhöhung der Dickenabmessung durch die eingefügten isolierenden Schichten in Kauf zu nehmen, sowie eine Herabsetzung der Haftfähigkeit der sich überlagernden Komponenten auf dem Substrat. Die bisher beschrittenen Wege sind infolgedessen oft nicht besonders : zufriedenstellend;.»;:.'..:-^:

'So ist aus der BE-PS 6.57 077 bereits bekannt, bei einem Verfahrender eingangs genannten Art auf einem Trägerkörper aus polykristallinem Silizium Bereiche aus monokristallinem Silizium zu bilden und diese Bereiche durch Isoliermaterial aus Siliziumdioxyd voneinander zu isolieren. Anstelle des polykristallinen Siliziums wird dabei auch bereits Siliziumcarbid als Material für den Trägerkörper verwendet.

Weiterhin ist der BE-PS 6 56 651 ein Verfahren zum Isolieren von die aktiven Schaltungselemente enthaltenden Halbleiterbereichen innerhalb einer integrierten Anordnung zu entnehmen, bei der auf einem Silizium-Trägerkörper durch Siliziumdioxydschichten gegeneinander isolierte Halbleiterbereiche aus Silizium angeordnet sind.

Nachteilig bei diesen Methoden ist, daß jeweils als Ausgangsmaterial eine anschließend die genannten Halbleiterbereiche bildende Siliziumschicht dient, auf der dann die Isolationsschichten und der Trägerkörper aufgebracht werden müssen.

Außerdem sind die einzelnen Schichten abhängig vom Material in unterschiedlichen Prozessen aufzubringen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das eine wirksame Isolation der verschiedenen, einer monolithischen Halbleitervorrichtung angehörenden Schaltungselemente gegeneinander sowie gegen das gemeinsame Substrat gestattet, wobei sich eine mechanisch und elektrisch stabile Gesamtstruktur erzielen läßt und keine Vergrößerung der Abmessungen dieser Struktur sowie, keine verringerte Haftfähigkeit der einzelnen Schichten aufeinander in Kauf genommen werden muß. Gleichzeitig soll das Herstellungsverfahren gegenüber den bekannten Verfahren vereinfacht werden.

Die genannte Aufgabe wird nach der Lehre der Erfindung durch eine Reihe verschiedener Aufzüchtungsprozesse gelöst, die alle in an sich bekannter Weise epitaktisch erfolgen und im vorliegenden Fall dadurch gekennzeichnet sind, daß sowohl die die Halbleiterschichten von dem Substrat trennende Isolierschicht als auch die die Halbleiterbereiche bedeckende Isolierschicht durch epitaktisches Aufwachsen von Siliziumcarbid auf dem Substrat, bzw. auf den Halbleiterbereichen erzeugt wird, wobei die Halbleiterschichten auf der erstgenannten Isolierschicht epitaktisch aufgezüchtet werden.

Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben sind.

Fig. la bis d zeigt eine Seitenansicht von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mikroelektronischen Halbleiterschaltung;

F i g. 2a bis d zeigt verschiedene aufeinanderfolgende Verfahrensstufen eines etwas modifizierten Verfahrens.

Die in den Zeichnungen dargestellten Schnitte sind zur Verdeutlichung stark vergrößert dargestellt; es wurde keinerlei Versuch gemacht, einen der Wirklichkeit entsprechenden Maßstab einzuhalten.

Kurz gesagt umfaßt die vorliegende Erfindung ein Isolationsverfahren von elektrischen Schaltungselementen einer mikroelektronischen Halbleiterschaltung mittels dielektrischer Schichten wobei ein oder mehrere elektrische Komponente gegenüber den anderen und gegen das gemeinsame Siliziumsubstrat durch Einfügen einer epitaktischen Schicht aus Siliziumcarbid isoliert sind. Während bei der bekannten Oxydisolation sehr komplizierte Verfahren benutzt wurden, um eine monolithische Gesamtstruktur mit verschiedenen Siliziumbereichen sicherzustellen, kann monokristallines Siliziumcarbid dann epitaktisch auf Silizium aufgebracht werden,' wenn das niedergeschlagene, Isolierzwecken dienende Siliziumcarbid einkristallin ist und daher die gleiche Struktur besitzt ,wie das zu beschichtende einkristalline Material aus Silizium. Infolgedessen können epitaktische Niederschläge von mono kristallinen Siliziumschichten auf die Oberfläche der monokristallinen Siliziumcarbidfilme aufgebracht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der isolierende epitaktische Siliziumcarbidfilm auf einen Siliziumeinkristallsubstrat niedergeschlagen und dann wird monokristallines Silizium epitaktisch auf der Oberfläche dieser Siliziumcarbidschicht gezüchtet.

Das Ausgangssubstrat besteht aus einem Einkristall in Form eines Siliziumplättchens, das eine (111) oder (100) Orientierung aufweist, und welches durch Ziehen eines Stabes aus der Siliziumschmelze gewonnen und dann geschnitten, geläppt, poliert und in die gewünschten Plättchen geteilt wird. Die Abmessungen eines jeden dieser Plättchen betragen 0,02 cm bis 0,04 cm bezüglich ihrer Dicke bei einem Durchmesser von 2,5 cm. Das Plättchen wird in der folgenden Weise hergestellt: Die Oberfläche wird mit Aluminiumpuder mit einem Korndurchmesser von 0,3 mm eben geläppt und dann in einer Losung aus Fluorwasserstoff und Salpetersäure chemisch poliert. Das Plättchen wird dann in entionisiertem Wasser gereinigt und in einem staubfreien Behälter aufbewahrt.

Das zubereitete Plättchen oder Substrat wird weiter in eine Dampfniederschlagskammer aus Quarz eingebracht. Es wird auf eine Auflage aus Graphit oder Molybdän gelegt, die in Wechselwirkung mit einer Hochfrequenzspule tritt, welche ihrerseits außerhalb des Gefäßes angebracht ist und von einer HF-Energiequelle gespeist wird. Mittels der genannten Anordnung wird das Substrat auf eine Temperatur von etwa 1050⁰C bis 1250⁰C aufgeheizt, wobei Temperaturen im Bereich von 1050⁰C bis 1200⁰C bevorzugt benutzt werden. Während des Aufheizschrittes wird in der Reaktionskammer etwa Atmosphärendruck aufrechterhalten. Die benutzten Quellenmaterialien sind Siliziumtetrachlorid, Propan und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird als Trägergas für das Siliziumtetrachlorid benutzt.

Die Flußrate der Reaktionspartner in dem Dampfniederschlagsgefäß liegen etwa bei 45 cm³, 25 cm³ und 10000 cnrVMin. für Siliziumtetrachlorid, Propan und Wasserstoff in der genannten Reihenfolge.

Nach 20 Minuten wird der Niederschlagsverfahrensschritt unterbrochen und man kann feststellen, daß eine Siliziumcarbidschicht mit einer Dicke von etwa 2mm bis 3mm auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat aufgewachsen ist. Das Siliziumsubstrat sollte vorzugsweise eigenleitend sein, so daß das niedergeschlagene Siliziumcarbid durch die dotierenden Substanzen des Siliziums nicht verunreinigt wird.

Eine oder mehrere Schichten des elektrisch aktiven Materials können nunmehr über der Siliziumcarbidschicht aufgebracht werden.' Zum Beispiel können mehrere Schichten eines N-leitenden, eines N⁺-leitenden oder eines N~-leitenden Siliziums auf das Siliziumcarbid aufgebracht werden, wobei N, N⁺ und N
in der genannten Reihenfolge eine mäßige, eine starke sowie eine leichte Dotierung des Siliziums mit N-Dotierungsstoffen andeuten sollen. Die Schichten vom

ίο N-Leitungstyp werden vorzugsweise durch Dotierung des Siliziums mit Phosphor oder Arsen erhalten. Die Siliziumschicht, welche unmittelbar auf die Oberfläche des Siliziumcarbidfilmes aufgebracht wird, sollte vorzugsweise sehr leicht dotiert werden, d. h. vom N~- Leitungstyp sein, um die Verunreinigungsmöglichkeiten des Siliziumcarbids durch Diffusionsvorgänge im festen Zustand nach Möglichkeit herabzusetzen. ·

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das zu bedeckende Halbleitersubstrat zunächst mit einem geeigneten Material, beispielsweise mit Siliziumdioxyd maskiert, worauf sich eine Ätzung mit einem Ätzmittel anschließt, welches in selektiver Weise die exponierten Oberflächenstellen angreift, jedoch die aus einem ätzresistenten Material erstellten Muster und damit auch diejenigen Stellen der isolierenden Siliziumcarbidschicht, die unter diesem Muster liegen, selbst nicht zersetzt. Nach dem Ätzschritt ergeben sich ein oder mehrere Kanäle oder Durchbrüche, welche zumindest einen Teil des elektrisch aktiven Materials voneiander trennen bzw. von den übrigen elektrisch aktiven Schichten trennen. Diese Kanäle können dann mit geeignetem Isolationsmaterial abgedeckt und mit polykristallinem Silizium ausgefüllt werden. Dieses isolierende Material kann zusätzliches Siliziumcarbid oder ein anderes elektrisches Material wie z. B. Siliziumdioxyd sein, welches mit Hilfe eines Aufdampfverfahrens aufgebracht wird. Die obere Fläche des Plättchens kann dann poliert werden. Die epitaktisch gewachsenen Siliziumschichten, die auf der oberen Fläche des Siliziumcarbids aufgewachsen sind, werden nun in einzelne Inseln geteilt und durch Siliziumcarbid am Grunde und auf den seitlichen Trennflächen voneinander abgetrennt. So werden Halbleiterschaltungselemente, die auf irgendeine der N-leitenden epitaktisch aufgewachsten Siliziuminseln durch in der Halbleitertechnik bekannte Legierungs- und Diffusionsverfahrensschritte hergestellt wurden, durch eine Siliziumcarbidschicht am Grunde und an den seitlichen Trennflächen voneinander abgetrennt.

Entsprechend der Fig. 1 nimmt die epitaktisch gewachsene Schicht 11 aus Siliziumcarbid, die auf der Oberfläche des monokristallinen Substrates 10 aufliegt, die Kristallorientierung des Substrates an. Daraus resultiert eine Siliziumcarbidschicht, welche ihrerseits kristallinen Charakter hat, und eine hohe Dichte sowie eine ausgezeichnete dielektrische Eigenschaft aufweist, die für Isolationszwecke zwischen dem Substrat und dem anschließend darauf aufgebrachten elektrisch aktiven Schichtmaterial geeignet ist.

Es können dann auf die Siliziumcarbidschicht 11 eine oder mehrere weitere Halbleiterschichten 12, 13 und 14 aufgebracht werden, die aus elektrisch aktivem Material bestehen, beispielsweise eine Anzahl von N-leitenden Siliziumschichten, weiterhin können auch Schichten aufgebracht werden, die einen Widerstand aufweisen, z. B. Glas-Cermet-Metall-Zusammensetzungen oder leitende Kupfer- oder Aluminiumfilme.

Wie in Fig. Ib gezeigt, kann als Halbleitermaterial auch eine Schicht 12 aus N~-leitendem Silizium zuerst epitaktisch auf die Oberfläche der Siliziumcarbidschicht 11 aufgebracht werden, worauf eine Schicht 13 eines N⁺-leitenden sowie eine Schicht 14 eines N-leitenden Halbleitermaterials aus Silizium aufgebracht wird. Eine Maske aus Siliziumdioxyd 15 wird dann mittels eines bekannten photolithographischen Maskierungsverfahrens über den genannten Schichten aufgebracht. Dann wird die Anordnung in einer geeigneten Ätzlösung geätzt, beispielsweise in Fluorwasserstoff oder in einer Mischung aus Fluorwasserstoff und Salpetersäure.

Der Verfahrensschritt des Ätzens ergibt eine Struktur, wie sie allgemein in Fig. Ic gezeigt ist. Dort sieht man die Kanäle 16, die die verschiedenen Schichten aus N-leitendem Silizium durchsetzen, nämlich die Schichten 12, 13 und 14, die bis hinunter auf die Schicht 11 aus Siliziumcarbid reichten. Im nächsten Verfahrensschritt, der in Fig. Id dargestellt ist, wird das Substrat mit einem isolierenden Material 17 bedeckt, das die Kanäle 16 insbesondere an allen Seiten abdeckt. Das isolierende Material 17 besteht ebenfalls aus Siliziumcarbid. Der Niederschlag des polykristallinen Siliziums 17a füllt die Kanäle 16 aus. Dann wird eine Struktur hergestellt, in der die epitaktisch gewachsenen N-leitenden Schichten einer halbleitenden Komponente sowohl von dem Siliziumsubstrat 10 als auch untereinander durch die Siliziumcarbidschicht 11 und 17 getrennt sind.

In dem Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 2 gezeigt isti sieht man unter α einen Einkristall aus Silizium als Substrat 20, welcher zuerst mit einer isolierenden Schicht aus Siliziumcarbid 21 und weiter mit einer Schicht 22 aus N⁺-leitendem Silizium sowie mit der Schicht 23 aus N-leitendem Silizium bedeckt wird. Die Anordnung wird dann mit einer geeigneten Maskierungsschicht 24 maskiert, beispielsweise mit Siliziumdioxyd, und es werden die Kanäle 29 mittels einer bekannten photolithographischen Maskierungsund Ätztechnik hergestellt.

Weiterhin wird entsprechend der Fig. 2b ein N⁺- leitender Störstoff mit hohem Diffusionsvermögen in die Seitenerstreckungen der geätzten Kanäle 29 eindiffundiert, so daß die freigelegten Teile der Schicht vom N-leitenden Zustand in Silizium des N⁺-Leitungstyps überführt werden. Nunmehr reichen die ^-leitende Siliziumschicht 22 und die eindiffundierten

ίο N⁺-leitenden Teile 25 bis zur Oberfläche des Plättchens, wodurch sich bei der Transistorherstellung eine Herabsetzung des Kollektorwiderstandes ergibt.

Nach der Fig.2c wird nunmehr die maskierende Schicht 24 vorzugsweise entfernt und eine Schicht aus Siliziumcarbid 26 über den oberen Teil der Vorrichtung sowie auf die seitlichen Trennflächen und auf den Grund der Kanäle 29 zur elektrischen Isolierung aufgebracht. Die Kanäle werden dann mit einem Material 27 ausgefüllt, das gegen hohe Temperaturen widerstandsfähig ist, beispielsweise mit polykristallinem Silizium. Nach Wunsch kann das Material 27 isolierendes Material wie Siliziumdioxyd oder Siliziumcarbid sein.
Das überstehende polykristalline Silizium 27 wird dann durch Polieren entfernt, wie es aus der Fig. 2g ersichtlich ist, wodurch sich eine Struktur ergibt, in der die individuellen Komponente 18 durch die Siliziumcarbid-Schichten 21 und 26 elektrisch gegeneinander isoliert sind.

Die aktiven Halbleiterschaltungselemente werden innerhalb einer epitaktischen Siliziumschicht aus N-leitendem Material durch konventionelle Legierung und/oder Diffusionsverfahrensschritte hergestellt. Bei der Herstellung einer Transistorvorrichtung kann eine Basiszone aus P-leitendem Material 28 und eine Emitterzone 30 aus N⁺-leitendem Material mittels konventioneller Diffusionsverfahren hergestellt werden. Schließlich werden noch elektrische Zuführungen an der Kollektor-Basis- und Emitterzone angebracht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltung mit verschiedenen, gegeneinander und gegen ein gemeinsames Siliziumsubstrat elektrisch isolierten Schaltungselementen, bei dem von dem Substrat durch eine dünne Isolierschicht getrennte Halbleiterschichten durch Anwendung von Maskierungs- und Ätzprozessen in einzelne, die Schaltungselemente aufnehmende Bereiche unterteilt, die freiliegenden Oberflächenseiten einschließlich der seitlichen Trennflächen dieser Bereiche mit einer dünnen Isolierschicht versehen und die zwischen den Bereichen verbleibenden Vertiefungen mit einem weiteren dielektrischen Material ausgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die die Halbleiterschichten (12, 13, 14; 22, 23) von dem Substrat (10; 20) trennende Isolierschicht (11; 21) als auch die die Halbleiterbereiche bedeckende Isolierschicht (17; 26) durch epitaktisches Aufwachsen von Siliziumcarbid auf dem Substrat bzw. auf den Halbleiterbereichen erzeugt wird, wobei die Halbleiterschichten (12,13,14; 22,23) auf der erstgenannten Isolierschicht (11; 21) epitaktisch aufgezüchtet werden.