DE1589920B2 - Verfahren zum herstellen einer integrierten halbleiter schaltung - Google Patents

Description

Bereits in den Anfängen der Halbleitertechnik, die ²⁰ den konnten, ist es doch für Schaltungen, die mit exetwa kurz nach der Entwicklung des Transistors zu trem hohen Geschwindigkeiten arbeiten und außerdatieren sind, wurden große Anstrengungen gemacht, dem reproduzierbar und zuverlässig sein sollen, mikrominiaturisierte bzw. mikroelektronische Schal- höchst wünschenswert, daß die einzelnen Schaltungstungen herzustellen, wobei eine Vielzahl von einzel- elemente elektrisch völlig voneinander isoliert sind, nen Halbleiterbauelementen in umfassenderen Ge- ²5 obwohl, wie bereits oben erwähnt, alle Einzelvorrichsamtanordnungen zusammenzufassen waren. tungen innerhalb eines gemeinsamen monolithischen

Obwohl die einzelnen Halbleiterbauelemente selbst Blockes aus Halbleitermaterial angeordnet sind und weitgehend bis auf sehr kleine Abmessungen miniatu- daher vom physikalischen Standpunkt aus eine Einrisiert wurden, die in der Größenordnung von einigen heit bilden.

25 μΐη lagen, so hielt doch die gleichzeitige Verkleine- 30 Die gewünschte elektrische Isolation der Schalrung der Gesamtkonfiguration von Schaltungen nicht tungselemente untereinander läßt sich nach einem Schritt mit der Miniaturisierung der Halbleiterbau- anderen bekannten Verfahren auch dadurch erreielemente selbst. Gedruckte Schaltungen und andere chen, daß zwischen den isolierenden Bereichen Ver-Verfahren wurden bisher dazu benutzt, eine mög- tiefungen oder kanalartige Einschnitte hergestellt und liehst hohe Packungsdichte der Gesamtschaltungen 35 mit isolierendem Material, z. B. mit Siliziumdioxyd zu erreichen. Erst in der letzten Zeit jedoch wurden (SiO₂), ausgefüllt werden. Die bisher hiermit erzielten sogenannte integrierte Schaltungen auch für die Her- Ergebnisse sind aber relativ unbefriedigend und nicht stellung größerer Gesamtschaltungsanordnungen rea- besonders gut reproduzierbar, auch ergeben sich lisiert'und praktisch benutzt. Schwierigkeiten beim Einhalten gleicher Tiefenab-

Eine Herstellungsmethode für integrierte Schaltun- 4° messungen für die isolierenden Kanäle, gen ging so vor, daß zunächst die aktiven Halbleiter- Ein bekanntes, das soeben erwähnte alternative

bauelemente selbst in weitgehend konventioneller Vorgehen der sogenannten dielektrischen Isolations-Weise in einer Folge von Diffusionsschritten herge- methode betreffendes Verfahren geht aus von einem stellt wurden, bei denen die verschiedenen gewünsch- rnit einer Oxydmasse versehenen Halbleiterplättchen, ten Dotierungsmaterialien in ein Halbleiterplättchen 45 in das ein Kanalmuster eingebracht wird, welches eindiffundiert wurden. Durch Zerteilen der in großer den Halbleiterisolationsbereichen entspricht, innerAnzahl gleichzeitig auf einem Halbleiterplättchen halb derer die gewünschten Schaltungselemente herhergestellten Bauelemente erhielt man Einzelele- gestellt werden sollen. Auf die mit Kanälen durchmente, welche »Chips« genannt werden. Diese zogenen Oberflächen des Plättchens wird nunmehr »Chips« wurden dann in die Schaltung bzw. in ein 5° eine Schicht aus dielektrischem Material und darauf Modul eingefügt und die verschiedenen, manchmal wiederum Halbleitermaterial aufgebracht, das monoin komplizierter Weise durchzuführenden Verbindun- oder polykristallin sein kann. Schließlich wird die gen untereinander mit Hilfe des Verfahrens der ge- Rückseite des monokristallinen Ausgangshalbleiterdruckten Schaltungen realisiert. Passive Elemente plättchens so lange abgeätzt, bis die am tiefsten gewie Widerstände, die bei den Schaltungen erforder- 55 legenen Stellen der dielektrischen Schicht sichtbar lieh sind, wurden einfach durch Niederschlagen von werden.

Material mit geeigneten spezifischen Widerständen Es hat sich nun gezeigt, daß bei gleichförmiger

auf das Modul hergestellt. In ähnlicher Weise wurden Ausbildung der Kanäle sich an den Stellen, an denen andere, passive Komponenten auf das Modul aufge- zwei Kanäle sich kreuzen oder miteinander eine Ecke bracht. , 6o bilden, eine Überätzung stattfindet, so daß an den

Die fortgeschrittenste Form der integrierten Schal- ^ genannten Stellen es nicht möglich ist, ohne besondere zusätzliche Maßnahmen einen gleichförmigen Kanalverlauf zu gewährleisten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufoder aktiver Natur, in einem einzigen Block oder in ⁶5 gäbe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es geeinem Monolithen aus Halbleitermaterial hergestellt. stattet, eine Vielzahl örtlich getrennter Bereiche in-Im allgemeinen werden sämtliche passiven oder ak- nerhalb eines monolithischen Blockes ausreichend tiven Komponenten an ihrem Platz innerhalb des gegeneinander zu isolieren, wobei die obengenannten

g g

tungen ist in dem sogenannten monolithischen Ver- , fahren zu erblicken. Bei diesem wird eine große Anzahl von Schaltungselementen, seien diese nun passiver ¹ d ki i i ii

3 4

Nachteile der bisher bekannten Verfahren vermieden Nach dem oben bereits beschriebenen Fotoätzwerden sollen. schritt wird eine weitere Ätzung durchgeführt, wobei

Das Verfahren nach der Lehre der vorliegenden diese speziell an den offengelegten Stellen der Oxyd-Erfindung ist eine Weiterbildung des eingangs er- schicht 18 wirken soll,, um die Vertiefungen 20 und wähnten Verfahrens und bedient sich der oben skiz- 5 22, wie sie in F i g. 3 und 4 gezeigt sind, hervorzuzierten dielektrischen Isolationsmethode; es besteht rufen. Hierzu wird eine chemische Ätzlösung in der darin, daß bei der Herstellung der Oxydmaske die Form einer 5:2:1-Mischung aus Salpeter-, Essig-Oxydschicht an den Schnittpunkten der kanalartigen und Fluorwasserstoffsäure in der genannten Reihen-Linienführung nicht völlig entfernt wird, sondern folge benutzt bzw. auch eine Lösung im Verhältnis zwischen den verschiedenen Linienführungen Oxyd- 10 95:5 aus Salpeter- und Fluorwasserstoffsäure in der material als Ätzsperre belassen wird, und in der genannten Reihenfolge benutzt.
Oxydschicht zur Einhaltung einer definierten Kanal- Aus F i g. 1 ist weiter zu ersehen, daß Abstände 15 tiefe ein zweites, mit dem ersten nicht örtlich zusam- innerhalb der Linienführung des Ätzmusters 14 einmenfallendes Muster eingebracht wird, daß dieses gehalten sind, d. h., die Vertiefungen der Linienzüge Tiefenlehremuster zusammen mit dem ersten Kanal- 15 stoßen nicht aneinander, und zwischen den aneinanmuster daraufhin geätzt wird, daß nach dem Entfer- dergrenzenden Bereichen dieser Peilkanäle verbleibt nen der Oxydschicht die Rückseite des Halbleiter- Oxydmaterial.

plättchens bis zu einer Plänarität von etwa 0,5 μΐη Da die obengenannten chemischen Ätzlösungen

geläppt wird und daß gleichzeitig mit dem Aufbrin- zur Behandlung des Halbleitermaterials des Halblei-

gen von Halbleitermaterial auf die dielektrische 20 terkörpers ihre Ätzwirkung nach allen Richtungen

Schicht eine periphere Kante aus Halbleitermaterial hin entfalten, ergibt sich bei der Behandlung mit

an der Rückseite des Plättchens angebracht wird. diesen Agenzien ein geschlossenes Muster, d. h., das

Im folgenden wird an Hand eines bevorzugten Muster der Vertiefungen oder Kanäle 20 innerhalb

Ausführungsbeispieles die Erfindung unter Zugrunde- der Oberfläche des Plättchens 12, wie sie in den

legung der Figuren näher beschrieben. 35 F i g. 3 und 4 gezeigt sind, werden nach dem Ätzen

Die Fig. 1 bis 7 veranschaulichen verschiedene einen kontinuierlichen bzw. zusammenhängenden

Zwischenstufen des Verfahrens nach der Lehre der Verlauf aufweisen.

Erfindung. Das oben beschriebene Verfahren zum Ätzen der

Fig. 1 zeigt die Oberfläche eines.Halbleiterplätt- Kanäle 20, die ihrerseits eine elektrische Isolation

chens 10, die ein aus geätzten Kanälen bestehendes 30 innerhalb des monolithischen Blocks bewerkstelligen

Muster 14 und 16 aufweist. Dieses Ätzmuster wird sollen, ist so auszuführen, daß eine gleichförmige

durch Offenlegung von Teilgebieten innerhalb einer Ätztiefe erreicht wird, was für die Realisierung des

das Plättchen bedeckenden Oxydschicht mittels eines Erfindungsgedankens von Bedeutung ist.

Fotolackverfahrens in bekannter Weise hergestellt. Würde man nämlich nicht in der beschriebenen

Hierzu wird die Oberfläche 12 zunächst völlig mit 35 Weise vorgehen, so würden sich Ätztiefen ergeben, einer Oxydschicht 18 bedeckt. Für den Fall, daß als die an den Punkten tiefer ausfallen, an denen die Halbleitergrundmaterial Silizium benutzt wird, kann Linienführungen der geätzten Kanäle in Form von diese Oxydschicht aus Siliziumdioxyd (SiO₀) be- Vertiefungen einander schneiden. Mit Hilfe der vielstehen. Das gewünschte Kanalmuster 14 wird da- leicht am besten mit Ätzschranke oder Ätzinhibitor durch hergestellt, daß eine Abdeckschicht aus einem 40 zu bezeichnenden Abständen in Form von stehenge-Fotolack über die gesamte Oxydschicht aufgebracht bliebenem Material 15 erreicht man in effektiver wird. Hierbei werden alle Oberflächenteile der Oxyd- Weise, daß gerade an diesen Punkten eine schnellere schicht durch die Maskierung abgedeckt, ausgenom- Ätzrate verhindert wird. Will man z. B. eine allgemen diejenigen Teile, an denen eine Ätzwirkung er- meine Ätztiefe des Kanals von etwa 13 μΐη erreichen, wünscht ist. Das vorgesehene kreisförmige Kanal- 45 so wird eine günstige Abmessung einer solchen Ätzrhuster 16 wird ebenfalls auf die genannte Weise in barriere etwa 4 μτη betragen.

die Oxydschicht 18 eingebracht. Die nicht zusam- Entsprechend der F i g. 3 wurde die Oxydschicht

menhängenden Kanalbereiche des Linienmusters 14 18 von der Oberfläche des Plättchens entfernt. Es sei

sind mit 14 a, 14 b, 14c, 14 d, 14 e und 14/ bezeich- ebenfalls angemerkt, daß die Tiefe der Aussparung

net. Die Oxydabdeckung verbleibt auf der Oberfläche 50 22 in F i g. 3, welche durch Ätzen an der Stelle des

12, ausgenommen im Bereich der Muster 14 und 16. früheren Durchbruchs entsteht, etwas größer ist, als

An diesen Stellen erfolgt eine Entfernung der Oxyd- es derjenigen der Kanäle 20 entspricht. Diese Ein-

schicht, was in bekannter Weise durch Ätzen mit kerbung 22 kann später als Tiefenmaß innerhalb des

Fluorwasserstoffsäure erfolgt. Anschließend kann die Gesamtverfahrens (Tiefenlehre) benutzt werden,

noch vorhandene Fotolackschicht entfernt werden. 55 Wie aus F i g. 3 hervorgeht, wird die Dicke des

Das Plättchen 10, auf welches die obengenannten Plättchens 10 weiterhin bis auf eine Dicke von etwa

Verfahrensschritte anzuwenden sind, wird zunächst 75 μΐη reduziert. Dies wird dadurch erreicht, daß das

in die Grundform geschnitten, mittels Läppung zu behandelnde Plättchen auf einen ebenen Polier-

u. dgl. so behandelt, daß die Dicke etwa 35 μΐη be- block aufgebracht wird, wobei die geätzte, mit Ka-

trägt. Anschließend wird die Dicke dieser Plättchen 60 nälen durchzogene Oberfläche 12 zum Block hinge-

auf einen Wert zwischen 14 und 16 μΐη reduziert. wandt ist. Die Montage selbst wird durch Aufpressen

Die Oberfläche 12 wird größtenteils bis zu einer des Plättchens 10 auf den mit Klebmasse bestriche-

Oberflächengüte von etwa 1 μπα poliert, d.h., absolute nen Block bewirkt. Die Oberfläche 24 des Plättchens

Plänarität ist nicht wesentlich bei diesem Prozeß, 10 wird mit hoher Präzision auf eine Plänarität von

weil eine Parallelität der beiden Oberflächen in einem 65 0,5 μπα unter hoher Paralleltoleranz geläppt,

späteren Verfahrensschritt erzielt wird. Die auf der Die oben beschriebene Prozedur zum präzisen Läp-

Plättchenfläche 12 ■ aufliegende Oxydschicht 18 ist pen des Plättchens 10 hat den Zweck, eine möglichst

etwa 0,5 bis 1 μηι dick. gleichförmige Plättchendicke und Ebenheit zu be-

kommen, was von besonderer Wichtigkeit für die Realisierung des Erfindungsgedankens ist. Würde man nicht in der oben beschriebenen Weise verfahren, so würde eine gleichförmige Tiefe an den Enden der Kanäle 20 und 22 zwischen den Kanalböden und der Oberfläche 24 nicht erzielbar sein, und damit wären die Voraussetzungen für eine gleichförmige Kanalätzung und eine gleichförmige chemische Polierung der freigelegten Stellen an den Kanälen nicht mehr erfüllt.

Nach Abmontieren und Reinigung wird die zu ätzende Oberfläche 12 des Plättchens 10 mit einer Schicht 26 aus Siliziumoxyd oder Siliziumdioxyd bedeckt, was durch bekannte Verfahren erreicht werden kann, wobei die einzuhaltende Dicke bei etwa 3 μΐη liegt. Der erste Teil der Schicht 26 wird durch thermische Oxydation von etwa 0,5 μπι Dicke hergestellt. Die Schichtdicke wird weiterhin durch Wasserdampfniederschlag auf das Siliziumdioxyd vergrößert. Hierdurch wird verhindert, daß die dünne, aktive Siliziumdioxydschicht 34 und 36, die in F i g. 5 gezeigt ist, beschädigt wird.

Die Bedeckung der Oberfläche 12 einschließlich der Vertiefungen 22 und 24 mit der Schicht 26 ist gleichfalls in F i g. 5 dargestellt.

In den Fig. 6 und 7 sind weitere Verfahrensschritte dargestellt, welche auf die Herstellung der Oxydschicht 26 folgen. Eine Schicht 28 aus polykristallinem Silizium wird auf - die Oxydschicht 26 aufgebracht. Dies wird durchgeführt durch Benutzung eines der vielen bekannten Verfahren zum Niederschlagen von Silizium auf ein Substrat. Dies kann z. B. geschehen durch eine Reduktion von Siliziumtetrachlorid. Die untere Fläche 24, welche geläppt wurde und welche mit einer Oxydschicht bedeckt ist, ist während des Niederschiagens durch ein Quarzplättchen 30 abgeschirmt, welches einen etwas kleineren Durchmesser hat als das Plättchen 1Ö. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine Rinne oder Rille 32 aus Silizium auf der Oberfläche 24 gebildet wird.

Das ursprüngliche Plättchen 10, welches ein Teil der Struktur der F i g. 6 bildet, wird nun mit Fluorwasserstoffsäure geätzt und anschließend mit einer chemischen Lösung etwa im Verhältnis 5:2:1 von Salpeter-, Essig- und Fluorwasserstoffsäure oder einer 95 :5-Mischung von Salpeter- und Fluorwasserstoffsäure behandelt, nachdem das Quarzplättchen 30 entfernt wurde. Die Rille 32 aus Silizium verhütet einen Effekt, welcher normalerweise eintritt, wenn eine Ätzung durchgeführt wird, d. h., die geätzte Oberfläche wird normalerweise eine konvexe Gestalt annehmen, und die Kanten an der Außenseite werden abgerundet werden," so daß die aufzubringende Schicht' des isolierenden Oxydes nicht gleichförmig ausfallen wird. Ist jedoch die Kante 32 aus Silizium vorhanden, so wird die untere Oberfläche 24 in planarer Weise geätzt. Wie man herausgefunden hat, ist diese ringförmige Aussparung 32 bei der endgültigen Konfiguration nicht erwünscht und kann durch mit Ultraschall arbeitenden Schneideverfahren oder durch Schleifen der Peripherie entfernt werden. Wie bereits erwähnt, wird das ursprüngliche Plättchen 10 so lange heruntergeätzt, bis die isolierende Oxydschicht 26 an ihrem untersten Punkt angekommen ist. Dieser Ätzschritt wird durchgeführt in einem rotierenden Teflongefäß, welches etwa den doppelten Durchmesser des Plättchens 10 besitzt, wobei mit einer starken Ätzung so lange gearbeitet wird, bis das kreisförmige Muster, d. h. der Teil der Oxydbedeckung 26, innerhalb der Aussparung 22 freigelegt ist. Anschließend wird eine schwächere Ätzung gebraucht, um das vollständige Isolationsmuster herzustellen. Das Plättchen ist während dieses Ätzschrittes mit schwarzem Wachs auf einer Quarzscheibe montiert, so daß lediglich die Oberfläche 24 von dem Ätzmittel angegriffen wird. Durch diese Maßnahme erhält man eine bessere Planarität beim Ätzen. Wie es in F i g. 7 dargestellt ist, wird der tiefere Teil der Oxydschicht 26 durchbrochen sein, und die Oxydschichtbereiche, welche nicht die gleiche Tiefe aufweisen, werden gerade von dem weniger starken Ätzvorgang erreicht werden. Die monokristallinen Zonen 34 und 36, die in F i g. 7 gezeigt sind, sind nun völlig voneinander isoliert und fertig für weitere in konventioneller Weise durchzuführende Verfahrensschritte zur Herstellung der gewünschten integrierten Halbleitervorrichtung innerhalb der isolierten Inseln.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltung mit gegenseitig elektrisch isolierten Bereichen für verschiedene in der integrierten Halbleiterschaltung zusammengefaßte Schaltungselemente, bei dem unter Verwendung einer Oxydmaske auf der Oberfläche eines Ausgangs-Halbleiterplättchens ein den Halbleiterisolationsbereichen, innerhalb der die gewünschten Schaltungselemente hergestellt werden, entsprechendes erstes Kanalmuster in das Halbleiterplättchen eingeätzt wird, danach auf die mit den Kanälen durchsetzte Oberfläche des Plättchens eine Schicht aus dielektrischem Material aufgebracht wird, dann nach dem Abscheiden von Halbleitermaterial auf die dielektrische Schicht die Rückseite des Plättchens abgeätzt wird, bis die tiefsten Stellen der isolierenden dielektrischen Schicht erscheinen, und schließlich in den so erhaltenen isolierten Bereichen die Schaltungselemente hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Oxydmaske die Oxydschicht an den Schnittpunkten der kanalartigen Linienführung nicht völlig entfernt wird, sondern zwischen den verschiedenen Linienführungen Oxydmaterial als Ätzsperre belassen wird, und in der Oxydschicht zur Einhaltung einer definierten Kanaltiefe ein zweites, mit dem ersten nicht örtlich zusammenfallendes Muster eingebracht wird, daß dieses Tiefenlehremuster zusammen mit dem ersten Kanalmuster daraufhin geätzt wird, daß nach dem Entfernen der Oxydschicht die Rückseite des Halbleiterplättchens bis zu einer Planarität von etwa 5 μπα geläppt wird und daß gleichzeitig mit dem Aufbringen von Halbleitermaterial auf die dielektrische Schicht eine periphere Kante aus Halbleitermaterial an der Rückseite des Plättchens angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die auf die Schicht aus dielektrischem Material aufzubringende Schicht polykristallines Halbleitermaterial gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterausgangsmaterial Silizium und als Material für die Oxydmaske sowie für die dielektrische Schicht Siliziumdioxyd benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kreisförmiges Tiefenlehremuster benutzt wird, dessen Durchmesser in einem definierten Verhältnis zu der gewünschten Kanaltiefe steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen