DE2003952C3

DE2003952C3 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit mindestens einem unter Anwendung eines anodischen Prozesses erzeugten isolierenden Bereich

Info

Publication number: DE2003952C3
Application number: DE19702003952
Authority: DE
Inventors: Tetsushi Musashino Sakai; Yoshio Ohta Watanabe
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1969-01-29
Filing date: 1970-01-29
Publication date: 1975-03-20
Also published as: FR2029636B1; FR2029636A1; GB1287221A; DE2003952B2; DE2003952A1; NL7001170A; JPS4919030B1; NL142825B

Description

durch Aufdampfen im Vakuum oder eine Reaktion \o Dies geschieht erfindungsgemäß in der Weise, daß in der Dampfphase aufgebracht wird. ein vorbestimmter Oberflächenbereich des Silizium-

Das Verfahren der Verwandlung des Halbleiter- kristalls in einer wäßrigen Lösung von Fluorwassermaterials selbst in einen Isolator mittels einer chemi- stoffsäure mit einer Konzentration von mehr als sehen Reaktion ist leicht auszuführen und ergibt im 10 ⁰Zo anodisiert wird, bis er sich in eine poröse allgemeinen gute Isolationseigenschaften, führt aber 45 Schicht von mehr als 1 um Dicke verwandelt hat, und zu Schwierigkeiten, wenn der Isolator eine größere daß die poröse Schicht anschließend durch oxydie-Schichtdicke haben soll. Verwendet man z.B. die rende Wärmebehandlung in einen porösen Isolator thermische Oxidation eines Siliziumkristalls, so ist umgewandelt wird.

zur Bildung eines Oxidfilms von 2 Mikrometer Dicke Erfindungsgemäß wird also die isolierende Schicht

eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 50 aus Siliziumdioxyd in zwei Schritten erzeugt, und mehr als HOO⁰C während eines Mehrfachen von zwar wird zuerst durch Anodisierung unter bestimm-10 Stunden erforderlich. Selbst wenn aber ein solcher ten Bedingungen eine poröse Siliziumschicht gebildet etwa 2 μπι dicker Oxidfilm nach diesem Verfahren und anschließend wird diese poröse Schicht in begebildet ist, treten unweigerlich Risse und Sprünge in kannter Weise thermisch oxydiert,
der Schicht auf, so daß sie unbrauchbar wird. 55 Die thermische Oxydation geht in diesem Falle

Andererseits ist bei anodischer Oxidation der viel rascher vor sich als in einer kompakten Silizium- ^ Widerstand gegen Stromfluß um so größer, je dicker schicht, weil der Sauerstoff oder das sonstige Reakilie Oxidschicht wird. Um eine konstante elektrische tionsgas rasch und leicht in die ganze Tiefe der porö-Stromstarke aufrecht zu erhalten, muß die Formie- sen Schicht eindringen kann. Dadurch läßt sich in fungsspannung ständig gesteigert werden, aber wenn 60 verhältnismäßig kurzer Zeit eine sehr dicke Silizium- »ie einen bestimmten Wert überschreitet, erfolgt ein oxydschicht erzeugen, deren Dicke z. B. 20 bis dielektrischer Durchbruch, weshalb die Schichtdicke 30 μΐη beträgt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgefticht mehr ansteigt. Da die Wachstumsgeschwindig- mäßen Verfahrens liegt darin, daß die porösen Bekeit der Oxidschicht proportional zur elektrischen reiche nicht über die restliche Kristalloberfläche vorStromstärke ist, besteht eine obere Grenze in der 65 stehen, so daß also eine ursprünglich ebene KristalltJicke einer durch anodische Oxidation gebildeten oberfläche auch nach der Ausbildung der isolieren-Oxidschicht. Aus diesem Grunde ist es fast unmög- den Bereiche eben bleibt. Nachträgliche Polier- und lieh, eine Schichtdicke von 1 μΐη zu erzielen. Läppvorgänge wie bei dem Verfahren nach der er-

wähnten Vorveröffentlichung sind deshalb nicht mehr erforderlich.

Es ist bekannt, daß bei der Anodisierung von Silizium in Fluorwasserstoffsäure eine dicke lockere Schicht auftritt, wenn die Säurekonzentration einen bestimmten Wert überschreitet; mit geringen Konzentrationen läßt sich dagegen eine elektrolytische Polierung durchführen. Das Auftreten dieser dicken, im wesentlichen aus Silizium bestehenden Schicht wurde bisher nur als störend empfunden (vgl. »Journal of the Electrochemical Society«, Bd. 105 [1958], Heft 7, S. 402 bis 408). Es hat sich auch herausgestellt, daß im Gegensatz zu der in dieser Literaturstelle vertretenen Meinung die Isolationseigenschaften der dicken Oberflächenschicht nicht ausreichen, um einzelne aktive Elemente in einem Halbleiterkristall wirksam voneinander zu isolieren. Dies gelingt erst mit der hier vorgeschlagenen nachträglichen thermischen Oxydation.

Bei konstanter Spannung ändert sich die Strom- ao dichte im Verlauf der Reaktion. Die Stromdichte nimmt aber nicht wie bei der anodischen Oxydation proportional zur Schichtdicke zu, denn der elektrische Widerstand der gebildeten porösen Substanz ist gering. Es empfiehlt sich, die Stromdichte geringer als 5 mA/mm² zu wählen, weil bei höheren Stromdichten die Oberfläche der gebildeten Substanz uneben wird. Der wäßrigen Lösung können andere Substanzen beigemischt werden, soweit sie die Wirkung der Fluorwasserstoffsäure nicht stören.

Die mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Halbleitervorrichtungen haben einen weiten Anwendungsbereich, beispielsweise in integrierten Schaltungen, Transistoren u. dgl. An den isolierenden Bereichen können leicht Elektroden angebracht werden, r*a die Oberflächen des isolierenden Bereichs und des benachbarten Halbleiterkristalls in der gleichen Ebene liegen.

Einige Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen

Fig. 1 A bis IG verschiedene Stufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in Anwendung auf eine Diode,

F i g. 2 eine erfindungsgemäß hergestellte Halbleitervorrichtung in Anwendung auf eine integrierte Schaltung,

F i g. 3 A bis 3 E verschiedene Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf die Isolierung der einzelnen Elemente einer integrierten Schaltung,

F i g. 4 A bis 4 E eine andere Ausführungsform des in F i g. 3 erläuterten Verfahrens,

F i g. 5 A bis 5 H verschiedene Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf die Herstellung eines Transistors und

F i g. 6 A bis 6 E eine Variante des in F i g. 5 erläuterten Verfahrens.

F i g. 1 zeigt als Beispiel die Herstellung einer Diode.

Eine Oberfläche eines Halbleiterkristalls I vom p-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ohm · cm wird spiegelglatt poliert und dann mit einem Ätzmittel (z. B. einem Gemisch von Fluorwaslerstoffsäure und Salpetersäure) leicht angeätzt. Dann werden mehrere kreisförmige Inseln 2 aus SiIitiumnitrid mit einem Durchmesser von 1 mm auf der Oberfläche ausgebildet (F i g. 1 A). Dann wird der Kristall als Anode in ein Bad eingebracht, das aus einer 46^q/oigen wäßrigen Lösung von Fluorwasserstoffsäure besteht, und 2 Minuten bei Zimmertemperatur anodisiert. Die Stromdichte gegen Ende der Behandlung beträgt etwa 2 mA/mm⁸. Dadurch w'-rd eine etwa 5μΐη tiefe poröse Schicht 3 gebildet (Fig. IB). Da der Teil, der durch den Süiziumnitrid-Uberzug 2 geschützt ist, nicht reagiert, bleibt am Rand der porösen Schicht 3 ein 5 μΐη hoher mesaartiger massiver Halbleiterteil stehen.

Dann wird der Siliziumnitrid-Überzug 2 durch Eintauchen des Siliziumkristalls 1 in heiße Phosphorsäure entfernt (F i g. 1 C). Wenn nun das Siliziumkristall 1 30 Minuten lang in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre bei 1150° C erhitzt wird, oxidiert sich die poröse Schicht 3 und wird zu einer Isolatorschicht 5 (Fig. ID). In diesem Zeitpunkt hat sich auch die Oberfläche des massiven Halbleiterkristalls mit einer dünnen Oxidschicht 4 überzogen. Die auf der ebenen Oberfläche gebildete Oxidschicht 4 v/ird dann durch mechanisches Poliere.: entfernt (Fig. 1 E). Anschließend wird Phosphor aus der Dampfphase eindiffundiert, so daß in dem Mesa-Teil ein pn-übergang gebildet wird (F i g. 1 F). Hier sind die gebildete n-Zone 6 und das Substrat 1 vom p-Typ sichtbar. Da die nicht an der Oberfläche des Mesa-Teils freiliegenden Teile des Halbleiterkristalls mit dem Oxidüberzug 4 bedeckt sind, kann sich nur im Mesa-Teil ein pn-übergang ausbilden. Schließlich wird Aluminium im Vakuum aufgedampft, so daß Elektroden 7 und 8 auf den Oberflächen der Siliziumbereiche vom η-Typ und vom p-Typ entstehen (Fig. IG).

Das Endergebnis des beschriebenen Verfahrens ist eine Diode vom Mesa-Typ mit ebenen Oberflächen Wie F i g. 1 G deutlich erkennen läßt, hat diese Diode sowohl Eigenschaften der Mesa-Dioden, als auch dei Planardioden. Die Ausbildung der Elektroden au) der Siliziumscheibe ist so leicht, weil die betreffender Oberflächen des Siliziumkristalls und der Isolatorschicht sich in der gleichen Ebene befinden. Ferne! hat die so erhaltene Diode eine hohe Durchbruchsspannung, da der pn-übergang eben ist. Die Durchbruchsspannung der Diode beträgt etwa 23 Volt, isl also größer als diejenige der bekannten pn-Übergänge vom Planartyp im allgemeinen.

Ein Vergleich der physikalischen Eigenschafter der in der oben beschriebenen Weise erzeugten porö- fp.n Substanz und Isolatorschicht mit denjenigen de« zugrunde liegenden Siliziumhalbleiterkristalls ergibi sich aus der r; achfolgenden Tabelle.

Tabelle

	A	B	C
Spezifischer Widerstand Ohm -cm ....	2,9	3,8 · 10»	> 3,8 · 10
Relative Dielektrizitäts konstante ....	11	2,6	1,4 .
Dichte	2,33	0,95	—

In der Tabelle bedeutet:

A — einen Siliziumkristall vom p-Typ (epitak tisch),

5 J₆

B — eine auf der Oberfläche dieses Einkristalls schicht 6 vom p⁺-Typ in einer Dicke von mehreren in 5O°/oiger wäßriger Lösung von Fluor- ΙΟΟμπι epitaktisch aufwachsen und schleift das SiIiwasserstoffsäure unter einer Spannung von ziumsubstrat 1 auf eine Dicke von etwa lOjim ab 3 V nach 7 Minuten entstandene poröse (F i g. 4 C). Nun wird auf der Unterseite der Silizium-Schicht und 5 schicht 1 ein Überzug aus Siliziumnitrid aufgebracht,

C — einen durch Erhitzen dieser porösen Schicht der anschließend, abgesehen von denjenigen Stellen, in feuchtem Sauerstoff bei 1100° C in die der porösen Isolatorschicht 5 gegenüberstehen, 30 Minuten entstandenen porösen Isolator. durch Photoätzen wieder entfernt wird (F i g. 4 D).

Schließlich werden nur diejenigen Teile des Silizium-

Da es mit dem beschriebenen Verfahren möglich io substrate 1, die nicht vom Siliziumnitrid-Überzug 2 ist, die Isolatorschicht tiefer als bisher in den Halb- bedeckt sind, durch Anodisieren und Oxidieren in leiterkristall hineinragen zu lassen, läßt sich dieses eine poröse Isolatorschicht 5' verwandelt, welche die Verfahren zur Herstellung neuer Typen integrierter Siliziumschicht 1 vollständig durchdringt, d. h. bis zu Schaltungen, Transistoren u. dgl. anwenden. dem p-Silizium 6 reicht. Zuletzt wird der Siliziumni-

F ig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in An wen- 15 trid-Überzug 2 entfernt (F i g. 4 E).
dung auf die Isolation der Bauelemente einer inte- Die verbleibenden Halbleiterbereiche 1, in denen

grierten Schaltung. dann entsprechende pn-Übergänge ausgebildet wer-

Die einzelnen Bauelemente der Halbleiterschal- den können, sind mittels der porösen Isolatoren 5 tung sind mit 8,8' und 8" bezeichnet. Sie werden und 5'vollständig voneinander getrennt,
durch poröse Isolationsschichten 5 voneinander gc- ao Nun sollen noch zwei Ausführungsbeispiele in Antrennt. Auf der Halbleiteroberfläche ist ein Oxid- wendung auf die Herstellung von Transistoren befilm 4 ausgebildet. Die einzelnen Bauelemente ent- schrieben werden.

halten je eine p-leitende Schicht 1 und eine η-leitende Bei dem Beispiel nach F i g. 5 wird von einer epiSchicht 6. Die Ausbildung der porösen Isolations- taktischen Schicht 1 aus p-leitendem Silizium ausgeschichten tritt hier einfach an Stelle der bekannten »5 gange«, die sich auf einem Kristall Γ aus Pleiten-Diffusion zur Trennung der einzelnen Bauelemente, dem Silizium befindet (Fig.5A). Dieses Material

Fig.3 zeigt ein anderes Verfahren zur gegenseiti- wird dann durch Photoätaen teilweise mit einer gen Isolierung der einzelnen Bauelemente einer inte- Oxidschicht 4 auf der Oberfläche versehen grierten Schaltung. (F i g. 5 B). Nun wird in den Aussparungen der Oxid-

Es wird ausgegangen von einer Siliziumschicht 6 30 schicht durch Diffusion aus der Dampfphase eine vom η-Typ. Darauf wird eine n⁺-Schicht9 ausgebil- Verunreinigung vom η-Typ in die Schicht 1 eindifdet und darauf wieder eine poröse Isolatorschicht 10 fundiert. Der entsprechende Bereich ist in F i g. 5 C (Fig.3A). mit 6 bezeichnet. Der Oxidtiberzug4 auf der Ober-

Nun wird die so behandelte Oberfläche durch At- fläche wird dann entfernt (Fig.5D) und anschliezen od. dgl. unter Verwendung einer Abdeckung aus 35 Bend der nicht durch Diffusion η-leitende Teil des Siliziumnitrid, einem Wachs oder einer anderen nicht Oberflächenbereichs durch Anodisieren in der oben von Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure u.dgl. an- beschriebenen Weise in eine poröse Schicht3 vergegriffenen Substanz mit Mesas versehen (F i g. 3 B). wandelt (Fig.5E). Durch thermische Oxidation Die ganze Oberfläche mit den Mesas wird nun epi- wird nun auf der Schicht 3 ein Oxidüberzug 4' ausgetaktisch mit einer Siliziumschicht 1 vom p-Typ in 4= bildet, um als Maske für die Emitterdiffusion zu dieeiner Dicke zwischen einigen 10 und einigen 100 μΐη nen. Gleichzeitig wird die poröse Schicht 3 oxidiert, überdeckt (Fig.3C). Dann wird das Substrate bis so daß sie sich in eine Isolatorschicht5 verwandelt zu der Stelle abgeschliffen, wo die Grundflächen der (Fig.5 F). Nun wird eine Verunreinigung vom einzelnen Mesas freigelegt sind (Fig.3D). Zuletzt p-Typ in die Schichte eindiffundiert, um so den wird nur der untere Teil der im Schritt D freigelegten 45 Emitterbereich 12 zu bilden (Fi g 5 G) Zuletzt wird Teile der Siliziumschicht 1 vom p-Typ, nämlich bis der Siliziumdioxidüberzug 4' durch Fhotoätzen zur Höhe des isolierenden Überzugs 10, in eine po- od. dgl. teilweise entfernt, und es werden Metallelekröse Isolationsschicht5 verwandelt (Fig.3E). In troden 7,7' und 8 angebracht (Fig.5H), um den diesem Falle benötigt die Anodisierung des Siliziums Transistor fertigzustellen.

vom p-Typ keinerlei Abdeckung der übrigen Teile, 50 Auf diese Weise ist es möglich, einen Transistor da Silizium vom p-Typ viel leichter als Silizium vom herzustellen, der gleichzeitig Merkmale von Transin-Typ porös gemacht werden kann. stören vom Mesatyp und vom Planartyp aufweist.

Auf diese Weise können die einzelnen Halbleiter- In dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig.6 wird von

bauelemente 6 mittels der porösen Isolatorschicht 10 einem Siliziumkristall 1 vom p-Typ ausgegangen, in- und der Trennschichten 5 vollständig voneinander 55 dem durch Eindiffundieren einer Verunreinigung isoliert werden. Die Isolatorschicht 10 braucht nicht vom η-Typ eine Basisschicht 13 ausgebildet wird, porös zu sein, sondern kann auch aus Süiziumnitrid Darauf wird ein Oxidüberzug 4 aufgebracht oder Siliziumdioxid bestehen. (Fig. 6A). Nun wird ein Süiziumnitrid-Überzug2

Fig.4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Isolie- als Maske aufgebracht und die Basisschicht 13 an rung der einzelnen Bauelemente einer integrierten 60 den freiliegenden Stellen in der oben beschriebenen Schaltung. Gemäß Fig. 4A wird auf einem Sub- Weise teilweise in eine poröse Schicht3 umgewandelt strat 1 aus p-leitendem Silizium ein Überzug 2 aus Si- (F i g. 6 B). Dann wird eine Diffusion mit einer Verlizrumnitrid gebildet und dann durch Photoätzung unreinigung vom η-Typ derart durchgeführt, daß die teilweise wieder entfernt. Die freiliegende Fläche des Oberflächenkonzentration der Basisschicht 13 an den Siliziumsubstratsl wird nun anodisiert und oxidiert, 65 durch die poröse Schicht vertieften Oberflächenstelso daß eine poröse Isolatorschicht 5 gebildet wird, len im wesentlichen wieder erreicht wird Anschlieworaufhin der restliche Süiziumnitrid-Überzug 2 ent- Bend wird die poröse Schicht 3 durch Oxidation in fernt wird (Fig.4B). Dann läßt man eine Silizium- eine Isolatorschicht5 umgewandelt und der Silizium-

nitrid-Übcrzug 2 entfernt (Fig. CiC). Nun wird durch Eindiffusion einer Verunreinigung vom p-Typ eine Emitterschicht 12 gebildet und anschließend durch Oxidation ein Oxidüberzug 4' auf der Schicht 12 ausgebildet (F i g. f) D). Zuletzt wird eine Elektrode 7 an der Bavr.sehichl 13 durch Metallaufdampfung und Photoätzung angebracht (F i g. 6II).

Das zuletzt beschriebene Ausfülirungsbcispiel zeichnet sich vor allem dadurch aus, da 3 eine Diffusion durch die poröse Schicht 3 hindurch in die Ba-

sisschiclu 13 stattfindet. Dadurch kann eine Verunreinigung von der Oberfläche des Halbleitermaterial in eine betrachtliche Tiefe eindringen. Es ist gegebenenfalls sogar möglich, einen pn-Ubergang an einer tiefliegenden Stelle des Halbleiters auszubilden.

Dank des an Hand der F i g. fi beschriebenen Verfahrens hat der fertige Transistor keinen erhöhten Basiswiderstand infolge der Einschnürung unterhalb des Emitters und die Streukapazität der Emittcrgren/sehicht wird verringert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Im allgemeinen hat Silizium die Eigenschaft, daß

. seine Abmessungen bei der Oxidation zunehmen. So

Patentanspruch: S die üSe ein_{er nac}h dem obigen Verfahren gebil-

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter- deten O^^^f^f""

richtung mit mindestens einem unter Anwendung 5 jenige der bi —eh.cht d e
eines anodischen Prozesses erzeugten isolieren- nommeri J»\^enn also m
den Bereich vorbestimmter Begrenzung in einem ™* ^V^ _{hat die ge}b_lluclc ^,^_Wi _C|„_c Sihziumknstall, dadurch gekennzeich- oxiaien wiru, sυ ι αι _B

Bet, daß ein vorbestimmter Oberflächenbereich Dicke von mehr als 2.μη. Da es aus den obe«, ausdes Siliziumkristalls (1) in einer wäßrigen Lösung i«. emandergesetzten °™ⁿJ" f™ ,^^ie"^g _e^™^e von Fluorwasserstoffsäure mit einer Konzentra- Oxidschicht von mehr ab 2 μη Dicke zu ««ugn, tion von mehr als 10 V. anodisiert wird, bis er ist es offenbar_f ebenso fhTO ern^^rauaududtt »ich in eine poröse Schicht (3) von mehr als 1 μΐη von mehr als 1 μη Dicke in ein isolierendes Matenal Dicke verwandelt hat, und daß die poröse Schicht zu verwandeln.
(3) anschließend durch oxydierende Wärmebe- 15 Mit dem Ve
handlung in einen porösen Isolator (5) umgewan- tors auf dem HalbleiterKrisia 1 Kann
deltwird durch entsprechende Wahl der Ablagerungsge

schwindigkeit und Ablagerungszeit ohne v.^teres auf mehr als 2 μπι gesteigert werden. Bei diesem Verfah-

_a0 ren treten jedoch gelegentlich Sprünge in der Schicht

auf und außerdem ist die Durchführung etwas komplizierter als beim ersten Verfahren. Ferner wird an

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- der Grenze zwischen dem Ablagerungsbereich des lung einer Halbleitervorrichtung mit mindestens Isolators und demjenigen Bereich, auf dem keine einem unter Anwendung eines anouischen Prozesses a₅ Ablagerung stattfindet, eine Stufe erzeugt. Diese erzeugten isolierenden Bereich vorbestimmter Be- Stufe wird höher, wenn die Schichtdicke größer gegrenzung in einem Siliziumkristall. wählt wird. Sie kann bei der nachfolgenden Anbrin-Wenn man von den integrierten Dünnschichtschal- gung von Elektroden u. dgl. zu Schwierigkeiten fühtungen mit einem isolator als Substrat absieht, sind ren.

bisher isolierende Bereiche in Halbleitervorrichtun- 30 Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zügen grundsätzlich nach zwei Verfahren hergestellt gründe, das erstgenannte, beispielsweise aus der worden: USA.-Patentschrift 3 354 360 bekannte Verfahren

Das eine Verfahren besteht darin, daß der Halb- zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit leiterkristall selbst in dem betreffenden Bereich in einem unter Anwendung eines anodischen Prozesses einen Isolator verwandelt wird. Hierzu dient eine 35 erzeugten isolierenden Bereich vorbestimmter Bechemische Reaktion, z. B. thermische Oxidation bei grenzung in einem Siliziumkristall derart zu verbeshöherer Temperatur oder anodische Oxidation von sern, daß einwandfreie Isolierschichten beliebiger Silizium. Das andere Verfahren besteht darin, daß Dicke ohne Schwierigkeiten hergestellt werden könauf den Halbleiterkristall eine isolierende Schicht nen.