DE1589918B2

DE1589918B2 - Verfahren zum Herstellen integrierter Halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE1589918B2
Application number: DE19671589918
Authority: DE
Inventors: Robert Edward New York NY Jones jun (V St A )
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-01-12
Filing date: 1967-01-12
Publication date: 1971-01-14
Also published as: US3419956A; NL6700993A; GB1137577A; GB1096484A; US3357871A; BE691802A; BE692869A; SE326504B; DE1589920B2; DE1589918A1; FR1507802A; DE1589920A1; CH451326A; CH451325A; NL6700219A; FR1509408A; NL154060B; NL154062B

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren passiver oder aktiver Natur, in einem Block oder zum Herstellen integrierter Halbleiterschaltungen mit »Monolithen« von Halbleitermaterial zusammendurch eingebettete Trennfugen aus dielektrischem gefaßt. Im allgemeinen werden sämtliche aktive und Material gegenseitig elektrisch isolierten Halbleiter- passive Komponenten an ihrem Platz innerhalb des bauelementen, bei dem auf einen monokristallinen 5 monolithischen Blockes bei allen anschließenden Halbleiterkörper mindestens zwei sich nicht über- durchgeführten gesteuerten Diffusionsschritten belaslappende, von kanalartigen Vertiefungen umgebene sen und später durch vorherbestimmte geeignete AusBereiche angebracht werden, dadnach eine gleich- wahl der Bereiche bzw. deren elektrische Verbindung förmige Schicht aus dielektrischem Material auf die eine relativ einfache Schaltungskonfiguration für bevon den Vertiefungen durchzogene Oberfläche des io stimmte Funktionen, beispielsweise UND/ODER-Halbleiterausgangskörpers aufgebracht wird, dann Schaltungen oder auch umfangreichere Schaltkonfiauf die dielektrische Schicht eine Halbleiterschicht gurationen, wie sie bei Rechenautomaten vorkomaus polykristallinem Material aufgebracht wird und men, durchgeführt. Hierbei ist die gesamte Schaltung schließlich durch Ätzen des monokristallinen Halb- innerhalb eines sehr kleinen Volumens aus Halbleiterkörpers bis zum Erreichen der tiefsten Punkte 15 leitermaterial realisiert. Zur Isolierung der einzelnen der Vertiefungen isolierte Bereiche erstellt werden, in Schaltelemente untereinander innerhalb von monodie verschiedene, gegeneinander isolierte Halbleiter- lithischen Blöcken wurden bisher meist zwischen bauelemente eingebaut werden. den zu isolierenden Bereichen PN-Übergänge ange-■ Seit dem Wiedererwachen des allgemeinen Inter- ordnet, die in Sperrichtung vorgespannt wurden. In esses für die Halbleitertechnik, welchem auch die 20 vielen Fällen war die hiermit erzielbare Isolation nicht äußerst aktuelle Entwicklung des Transistors zu ver- ausreichend, außerdem können sich auch unerdanken war, wurden sehr große Anstrengungen unter- wünschte parasitäre Effekte einstellen,
nommen, Halbleiterschaltungen weitgehend zu ver- Obwohl dieses Vorgehen für eine Reihe von kleinern, d. h. sogenannte mikroelektronische Fest- Schaltanordnungen mit Erfolg durchgeführt wurde, körperschaltungen zu erstellen, wobei sowohl die 25 so ist es doch für Schaltungen, die mit extrem hohen aktiven als auch die verschiedenen passiven Elemente Geschwindigkeiten arbeiten sollen und außerdem in immer kleineren Abmessungen hergestellt wurden. reproduzierbar und zuverlässig sein sollen, höchst Obwohl diese Verkleinerungen schon verhältnis- wünschenswert, daß die einzelnen Schaltelemente mäßig früh für die Halbleitervorrichtungen selbst in elektrisch völlig voneinander isoliert sind, obwohl, der Größenordnung von einigen 2,5 · 10~² mm 30 wie bereits oben erwähnt, alle Einzelvorrichtungen durchgeführt wurden, hielt die Verkleinerung der innerhalb eines gemeinsamen monolithischen Blockes gesamten Schaltanordnung nicht Schritt mit der aus Halbleitermaterial angeordnet sind und daher obengenannten extremen Miniaturisierung. In neuerer vom physikalischen Standpunkt aus eine Einheit Zeit wurden gedruckte Schaltungen und andere Ver- bilden.

fahren benutzt, um eine möglichst hohe Packungs- 35 Die gewünschte elektrische Isolation der Schaltdichte bei derartigen aus Halbleitern bestehenden elemente untereinander läßt sich mit einem anderen Schaltgliedern zu erreichen. Erst vor kurzer Zeit bekanntgewordenen Verfahren auch dadurch erwurde die Herstellung der sogenannten integrierten reichen, daß zwischen den zu isolierenden Bereichen Schaltungen sowohl bezüglich der Herstellung der Vertiefungen oder Einschnitte hergestellt und mit isoeinzelnen Elemente als auch deren schaltungsmäßigen 40 lierendem Material, z. B. mit Siliziumdioxyd (SiO₂) Verknüpfung untereinander in verschiedenen Schalt- ausgefüllt werden. Ein Verfahren zum Herstellen von konfigurationen einer praktischen Lösung zugeführt. in dieser Weise isolierten Strukturen ist z. B. in der

Verschiedenartige Lösungen einer solch extremen Zeitschrift »Electronics«, Bd. 37 (1964), Nr. 17, auf Schaltungsverkleinerung wurden unter dem Namen den Seiten 23 und 24 beschrieben.
»Integrierte Schaltungstechnik« zusammengefaßt. 45 Die hiermit erzielten Ergebnisse sind aber relativ Ein Weg hierzu besteht darin, die Vorrichtungen unbefriedigend und schlecht reproduzierbar, auch selbst in weitgehend konventioneller Weise durch ergeben sich Justierschwierigkeiten,
verschiedene Diffusionsschritte aufzubauen, wobei Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufdie erforderlichen Dotierungsmaterialien in ein Halb- gäbe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es leiterplättchen eindiffundiert werden, um an- 50 gestattet, monolithische Schaltungen zu erstellen, schließend durch Zerschneiden des Halbleiterplätt- deren einzelne Schaltelemente untereinander auschens in einzelne Vorrichtungseinheiten, die Chips reichend isoliert sind und bei dem die obengenannten genannt werden, eine -Vielzahl von Schaltelementen Nachteile nicht auftreten.

zu erhalten. Diese Chips werden dann in die Die Lösung der genannten Aufgabe erfolgt nach eigentliche Schaltungsvorrichtung oder in das Modul 55 der Erfindung dadurch, daß bei dem eingangs geeingefügt und in komplizierter Weise mit Hilfe der nannten Verfahren vor dem Aufbringen der polyTechnik der gedruckten Schaltungen mit den anderen kristallinen Halbleiterschicht mindestens ein Durch-Schaltelementen elektrisch verbunden. Die passiven bruch in die dielektrische Schicht an einer Stelle, die Komponenten, wie Widerstände, die für die Gesamt- keinem der von den Vertiefungen umgebenen Schaltungen erforderlich, sind, werden z. B. einfach 60 Bereiche angehört, angebracht wird und daß nach dadurch erstellt, daß geeignetes Widerstandsmaterial dem Aufbringen der polykristallinen Halbleiterschicht auf das Modul aufgebracht wird. In ähnlicher Weise der monokristalline Halbleiterkörper in einem elekwerden auch die anderen erforderlichen passiven trolytischen Ätzverfahren, bei dem der positive Pol Schaltkomponenten auf dem Modul hergestellt. Die der Stromquelle an der polykristallinen Halbleiteram weitesten fortgeschrittene Form der integrierten 65 schicht anliegt, so lange abgetragen wird, bis beim Schaltungstechnik wurde unter dem Namen »Mono- Erreichen der tiefsten Punkte der Vertiefungen durch lithische Technik« bekannt. Hierbei wird eine große die Ätzfront der Ätzvorgang durch Unterbrechung Anzahl von Einzelvorrichtungen, seien diese nun des elektrolytischen Stromes infolge der dann wirk-

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sam werdenden Isolation der Trennfugen abge- den isolierenden Bereichen 11 und 12 koinzidieren,

brachen wird. wird dann in die Oxydbedeckung 16 eingeätzt. Eines

Im folgenden wird an Hand. eines bevorzugten dieser Löcher ist in der F i g. 3 mit dem Bezugs-

Ausführungsbeispieles die Erfindung unter Zugrunde- zeichenl7 versehen. Die Herstellung dieser Löcher

legung der Figuren näher erläutert. In diesen bedeutet 5 kann mit Hilfe eines Fotolacks und einer Ätztechnik

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer nach der Lehre in der oben bereits erwähnten Weise geschehen,

der Erfindung hergestellten integrierten Halbleiter- Wie aus der F i g. 4 hervorgeht, wird nunmehr eine

Schaltung, polykristalline Halbleiterschicht 18 auf die Oxyd-

F i g. 2 eine Draufsicht eines Halbleiterausgangs- schicht 16 aufgewachsen. Diese gezüchtete Schicht 18

plättchens, io bildet später das Substrat für die gesamte Halbleiter-

F i g. 3 bis 6 Schnittdarstellungen des Halbleiter- schaltung.

ausgangsplättchens nach verschiedenen Verfahrens- Aus der Struktur der F i g. 4 geht der Zweck der

schritten nach der Lehre der vorliegenden Erfindung. in die Oxydschicht eingebrachten Durchbrüche her-

F i g. 1 zeigt eine allgemein mit dem Bezugs- vor. Dieser besteht darin, einen ausreichenden Leizeichen 1 versehene Struktur, die aus einem als Trä- 15 tungsweg für einen später zum elektrischen Ätzen ger dienenden Substrat 2, einer isolierenden dielek- dienenden Strom zwischen dem Originalhalbleitertrischen Schicht 3 und einer monokristallinen weite- plättchen 10 und der später aufgebrachten polyren Schicht 4 besteht. In der Schicht 4 sind zwei kristallinen Schicht 18 sicherzustellen. Die Struktur Transistorelemente 5 und 6 eingebettet, die jeweils der F i g. 4 wird dann zum Zwecke der Durchführung die Emitterzonen 5 α und 6α und die Basiszonen 5 b 20 einer elektrischen Materialabtragungsoperation, die bzw. 6 b besitzen. . Die Gestalt der isolierenden auch mit »Elektropolieren« bezeichnet wird, mitsamt Schicht 3 ist so gewählt, daß die beiden Transistor- der aufgebrachten Schicht 18 mit dem positiven Pol elemente 5 und 6 elektrisch voneinander isoliert sind. einer nicht gezeigten Stromquelle verbunden. Der Das Verfahren zum Herstellen der Halbleiterschal- negative Pol dieser Stromquelle steht natürlich über tung nach F i g. 1 ist in den F i g. 2 bis 6 veranschau- 25 einen geeigneten Elektrolyten in Kontakt mit dem licht. F i g. 2 zeigt ein Plättchen 10 aus monokristalli- ursprünglichen monokristallinen Halbleiterplättchen nem Halbleitermaterial, welches seinerseits durch 10, so daß der Stromkreis an der Stelle zwischen bekannte Verfahren hergestellt werden kann. Obwohl der Schicht 18 und deni ursprünglichen Plättchen 10 an sich eine große Vielzahl von Konfigurationen lediglich auf Grund der Durchbrüche 17 geschlossen innerhalb eines solchen Plättchens angeordnet wer- 30 ist, da die zwischenliegende Oxydschicht 16 an allen den kann, so wird doch zum Zwecke der Verein- anderen Stellen eine elektrische Isolation darstellt, fachung der Beschreibung des Verfahrens der vorlie- Das Elektropolieren wird nunmehr durchgeführt, und genden Erfindung diese an Hand zweier voneinander ein Zwischenzustand dieses Verfahrensschrittes ist in isolierter Bereiche 11 und 12 beschrieben. Die F i g. 5 festgehalten. Bei weiterem Abtragen der genannten Bereiche sind umgeben von Kanälen bzw. 35 Schicht 10 erhält man schließlich die Struktur der Gräben 13 und 14. Diese Gräben 13 und 14 werden Fig. 6. Eine weitere Materialabtragung des urz. B. dadurch hergestellt, daß das Plättchen zunächst sprünglichen Plättchens 10 wird automatisch untervöllig oxydiert wird und anschließend das ober- brochen, sobald das Material an den Punkten A völflächenhaft entstandene Oxyd entsprechend dem Hg entfernt ist. An diesen Punkten wurde innerhalb gewünschten isolierenden Muster entfernt wird. An- 40 der zu isolierenden Gebiete 11 und 12 bis zu einer schließend wird die gesamte obere Fläche 15 des durch diese Punkte bestimmten Ebene A-A alles Plättchens 10, für das als Material z. B. Silizium Material beseitigt, so daß nunmehr kein elektrischer gewählt wird, mit einer Oxydschicht bedeckt, bei- Kontakt mehr mit dem übrigen Material vorliegt, spielsweise z. B. durch genetisches Aufbringen einer welches sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Siliziumdioxydschicht (SiO₂). Das gewünschte iso- 45 Durchbrüche befindet. Es kann somit durch den lierende Muster wird festgelegt durch die Benutzung Elektropolierprozeß kein weiteres Material mehr enteiner Fotolackabdeckung über der Oxydschicht, die fernt werden, da der hierzu erforderliche Stromfluß die gesamte Oxydschicht maskiert, ausgenommen die unterbrochen ist.

Bereiche des gewünschten Musters. An diesen Schritt Ist die Struktur der F i g. 6 erreicht, so hat man schließt sich die Ätzung mittels einer Fluorwasser- 50 die gewünschte Ausgangsstruktur vor sich, die gestoffsäurelösung an, welche die Ablösung der nicht eignet ist zur Herstellung isolierter Transistoren oder maskierten Oberflächenbereiche bewirkt. Diese Dioden auf einem gewünschten Block. Die weiteren, Methode ist in der Halbleitertechnik weitgehend hierzu erforderlichen Verfahrensschritte werden in bekannt. · typischer Weise realisiert durch gesteuerte Diffusion Nach Entfernung des Oxyds in der innerhalb des 55 von ausgewählten Dotierungssubstanzen in die Obervorher erstellten Kanalmusters wird der in den fläche des Plättchens. Infolge des oben beschriebenen Bereich dieses Musters fallende Teil des Halbleiter- Vorgehens sind die F i g. 6 und 1 sozusagen spiegelkörpers aus Silizium zur Erzeugung der isolierenden bildlich zueinander, so daß die Schichten 18 und 2 Kanäle 13 und 14 mittels einer geeigneten Lösung in diesen Figuren einander entsprechen,
geätzt, z. B. mit einer Lösung von Salpetersäure 60 Zur Herstellung der eigentlichen aktiven Elemente (HNO₃) und Fluorwasserstoff (HF) in Wasser. wird nunmehr zunächst die Basisschicht 6 b in der Nach diesem Verfahrensschritt wird die Ursprung- eingebetteten Lage, wie sie in F i g. 1 zu sehen ist, liehe Oxydschicht völlig von der Oberfläche 15 abge- hergestellt. Die anschließende begrenzte Eindiffusion streift, wie es in der Schnittzeichnung der F i g. 3 eines Dotierungsstoffes des entgegengesetzten Leitgezeigt ist, und eine neue Oxydschicht 16 wird so- 65 fähigkeitstyps in die Basisschicht 6 b bildet eine wohl auf den erhabenen Teilen der Oberfläche als Emitterschicht 6α, die ebenfalls in Fig. 1 dargestellt auch in den geätzten Kanälen angebracht. ist. Die zur Emitterdiffusion benutzte Oxydmaske Eine Reihe von Durchbrüchen, welche nicht mit wird in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren

auf der Oberfläche des Plättchens belassen, um auf dieser leitende Verbindungen zur schaltungsmäßigen Verknüpfung der einzelnen Elemente, beispielsweise der Transistoren 5 und 6 vorzusehen.-Das im vorstehenden beschriebene Verfahren besitzt einige Vorteile gegenüber den bisher benutzten Verfahren. Wie aus'dem Vorstehenden zu ersehen ist, wird das ursprüngliche Plättchen zum größten Teil durch ein elektrolytisches Polierverfahren entfernt, welches mit keinerlei oberflächenschädigenden Effekten verbunden ist. Außerdem ist die Materialstärke bezüglich der isolierenden Bereiche sehr genau bestimmbar durch die beschriebene Barriere aus Siliziumdioxyd, welche die Wirksamkeit des Elektropolierens innerhalb der zu isolierenden Bereiche unterbindet, wobei der Zeitpunkt, zu dem die Unterbrechung des die Abtragung bewirkenden Stromes stattfinden soll, durch die Tiefe der geätzten Kanäle festgelegt wird. Außerdem braucht die Ausrichtung des Plättchens während des Verfahrensschrittes des Elektropolierens nicht in gleicher Weise genau durchgeführt zu werden, wie dies bei den mechanischen Polierverfahren erforderlich wäre.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen integrierter Halbleiterschaltungen mit durch eingebettete Trennfugen aus dielektrischem. Material gegenseitig elektrisch isolierten Halbleiterbauelementen, bei dem auf einem monokristallinen Halbleiterkörper mindestens· zwei sich nicht überlappende, von kanalartigen Vertiefungen umgebene Bereiche angebracht werden, danach eine gleichförmige Schicht aus dielektrischem Material auf die von den Vertiefungen durchzogene Oberfläche des Halbleiterausgangskörpers aufgebracht wird, dann auf die dielektrische Schicht eine Halbleiterschicht aus polykristallinem Material aufgebracht wird und schließlich durch Ätzen des monokristallinen Halbleiterkörpers bis zum Erreichen der tiefsten Punkte der Vertiefungen isolierte Bereiche erstellt werden, in die verschiedene, gegeneinander isolierte Halbleiterbauelemente eingebaut werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der polykristallinen Halbleiterschicht mindestens ein Durchbruch in die dielektrische Schicht an einer Stelle, die keinem der von den Vertiefungen (13,14) umgebenen Bereiche (11,12) angehört, angebracht wird und daß nach dem Aufbringen der polykristallinen Halbleiterschicht der monokristalline Halbleiterkörper (16) in einem elektrolytischen Ätzverfahren, bei dem der positive Pol der Stromquelle an der polykristallinen Halbleiterschicht (18) anliegt, so lange abgetragen wird, bis beim Erreichen der tiefsten Punkte (A) der Vertiefungen (13,14) durch die Ätzfront der Ätzvorgang durch Unterbrechung des elektrolytischen Stromes infolge der dann wirksam werdenden Isolation der Trennfugen abgebrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline Halbleiterkörper aus Silizium und die isolierende Schicht aus Siliziumdioxyd besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Halbleiterschicht aus Silizium besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Ätzvorganges eine Lösung von Salpetersäure (HNO₃) und Fluorwasserstoff (HF) in Wasser benutzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen