DE2035285A1

DE2035285A1 - Elektrische Isolation in integrierten Schaltungsanordnungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2035285A1
Application number: DE19702035285
Authority: DE
Inventors: Ross Norman Menlo Park Barry Michael Lee Palo Alto Calif Pucker (V St A)
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1969-07-29
Filing date: 1970-07-16
Publication date: 1971-02-11
Also published as: GB1300768A; FR2053238B1; FR2053238A1; AU1492370A; JPS5619095B1; ES381695A1; CH519252A; BE754061A; NL7009356A

Description

F 7044 F/Wi

Fairchild Camera & Instrument

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California 94040, USA

Elektrische Isolation in integrierten Schaltungsanordnungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungsanordnungen, und sie bezieht sich insbesondere auf die Ausbildung der in Schaltungsanordnungen dieser Art erforderlichen Isolationen, wobei vor allem der Fall der Ausbildung von pn-lennübergängen betrachtet wird. Die Erfindung ermöglicht, sowohl die Zahl der zur Herstellung integrierter Schaltungsanordnungen erforderlichen Verfahrensschritte herabzusetzen als auch den Anteil des Oberflächenbereiches der integrierten Schaltungsanordnung, der durch ä Isolationsgebiete verbraucht wird, zu vermindern.

Eine integrierte Schaltung enthält eine mehr oder weniger große Zahl aktiver Elemente, z.B. Transistoren oder Dioden, welche in einer Halbleiterschicht ausgebildet und durch leitfähige Pfade verbunden sind, die passive Elemente enthalten, beispielsweise in oder auf der Halbleiterschicht gebildete Widerstände und Kapazitäten. Die Halbleiterschicht jsb in der Regel auf einem Substrat ausgebildet, welches als tragende Unterlage dient j das Substrat kann aus Halbleitermaterial bestehen, dessen Leitfähigkeit der

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der vorerwähnten Halbleiterschicht entgegengesetzt Jsfcj, oder es kann aus Isoliermaterial gestehen©

Jedes aktive Element bzw» jede Gruppe aktiver Elemente in einer integrierten Schaltungsanordnung muß gegenüber den anderen aktiven Elementen in der Schaltung bzw· gegenüber den anderen Gruppen aktiver Elemente elektrisch isoliert werden® Diese Forderung kann durch verschiedene Verfahren erfüllt werden,, In der Regel wird man so vorgehen, daß ein selektiv geformtes Gebiet, dessen Leitfähigkeit der der Halbleiterschicht entgegengesetzt ist, durch die Schicht bis zu dem Substrat unter der Schicht eindiffundiert wird. Wenn die pn-Ubergänge zwischen diesem eindiffundierten Gebiet und dem übrigen Teil der Schicht an Rückwärtsspannung liegen, ist das aktive Element bzw. sind die aktiven Elemente, die von diesem diffundierten Gebiet umgeben sind„ und das darunter befindliche Substrat gegenüber benachbarten aktiven Elementen elektrisch isoliert. Ein anderes Verfahren zur Isolierung aktiver Elemente besteht darin, daß man die Halbleiterschieht bis zu dem darunter befindlichen Substrat fortätzt, um Rinnen oder Gräben um jedes aktive Element bzw. jede Gruppe aktiver Elemente auszubilden. Diese Rinnen oder Gräben werden anschließend entweder mit Isoliermaterial gefüllt, oder sie bleiben leer»

Die "beiden beschriebenen Verfahrensweisen haben den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen Teil des Obeflächenbereiches der Halbleiterschicht verbrauchen, in der die integrierte Schaltungsanordnung ausgebildet ist» Diese Verfahrensarten setzen.daher die "Packungsdichte" der Schaltungsanordnung herab, denn bei ihrer Anwendung wird die durchschnittliche Zahl aktiver Elemente Je Einheit der Oberfläche der Schicht nachteilig beeinfluBt,, Hinzu kommt, daß die Verwendung eindiffundierter Isolationsgetoiete eine Isolationsdiffusion bei hohen Temperaturen "bedingt ₉ «md dies Jet ein kosten- und zeitaufwendiges Verfahren»

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Die Erfindung ermöglicht demgegenüber, die beschriebenen Nachteile der nach dem Stande der Technik bekannten Isolationsverfahren zu beheben. Das Isolationsverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung einer integrierten Schaltungsanordnung, welche eine sehr hohe Packungsdichte hat, und sie kommt ohne langwierige Hochtemperatur-Isolationsdiffusionen aus. Auch kann die Verfahrensweise gemäß der Erfindung angewandt werden, um Stromwege niedrigen Widerstandes von einem außen bzw. auf der Oberseite befindlichen Kollektorkontakt zu einer innerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten Kollektorschiht herzustellen. (

Gemäß der Erfindung werden aktive Elemente einer integrierten Schaltungsanordnung in der Weise elektrisch gegeneinander isoliert, daß zunächst auf dem unteren, tragenden Substrat ein Oxidmuster in derjenigen Form ausgebildet wird, wie es als Isolationsmuster in der Halbleiterschicht gewünscht wird. Dieses Oxid wird mit einem gewählten Störstoff, also entweder im Hinblick auf die n- oder p-Leitfähigkeit, bis zur gewünschten Konzentration dotiert. Anschließend wird das Substrat in einem Epitaxialreaktor untergebracht, und Silizium wird auf die Oberfläche des tragenden Substrats aufgebracht} dieses Silizium ist mit einem Störstoff leicht dotiert, dessen Leitfähigkeitstyp dem in dem Oxid entgegengesetzt _Λ

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ist. Das direkt auf das tragende Substrat aufgebrachte Silizium wächst epitaktisch auf und bildet ein Einkristallsilizium; während das auf das Oxid aufgebrachte Silizium polykristallines Silizium bildet, das auch als "Polysilizium" bezeichnet wird. Das Aufbringen der erwähnten Materialien wird fortgesetzt, bis Halbleitermaterial der gewünschten Stärke auf dem tragenden Substrat aufgewachsen ist.

Während des Aufbringens des Siliziums <3Lffundiert jedoch der in dem Oxidgitter enthaltene Störstoff aus dem Oxid sowohl in das polykristalline als auch in das einkristalline Silizium„ Da die

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Diffusionsgeschwindigkeit oder "Diffueität" eines Störstoffes in. polykristallinem Silizium um ein Vielfaches höher ist als die Diffusität des gleichen Störstoffes in Einkristallsilizium„ wandert der in dem Oxidgitter vorhandene Diffusionsstoff überwiegend in das polykristalline Silizium» Obwohl das polykristalline Silizium anfangs mit einem Störstoff leicht dotiert ist, dessen Leitfähigkeitstyp dem Störstoff im Oxid entgegengesetzt ist, kehrt die wesentlich höhere Konzentration des Störstoffes in dem Oxid nach verhältnismäßig kurzer Zeit den Leitfähigkeitstyp des PoIysiliziums um, wenn der Störstoff des Oxids in das Polysilizium eindiffundiert.

Am Ende des Aufbringens des Siliziums sind sowohl das Einkristallsilizium als auch das polykristalline Silizium auf dem Substrat in im wesentlichen gleicher Stärke ausgebildet» Das Poly-Silizium ist jedoch etwas höher als das Einkristallsilizium, und zwar um die Stärke des unter dem Polysiliziums befindlichen Oxids.

Das auf diese Weise gebildete Halbleiterplättchen (wafer) besteht aus einem tragenden Substrat, auf dem bestimmte einkristalline und polykristalline Siliziumgebiete aufgewachsen sind, und es steht nun zur Verfügung für die weitere Behandlung zur Ausbildung der aktiven und passiven Elemente, aus denen die darzustellende integrierte Schaltungsanordnung besteht» In jede Insel aus Einkristallsilizium in dem Halbleiterplättchen, welche isoliert ist durch ein durchgehendes Polysilizium-Gebiet und dessen Form durch die Form der entsprechenden Teile des Oxidgitters unter dem Polysilizium bestimmt 1st, werden nun mehrere aktive und/oder passive Elemente eindiffundiert„ Während der Diffusionsschritte können zusätzliche Dotierungsmittel auf der oberen Seite des Polysiliziums beigegeben werden. Bei der Diffusion dieser Elemente diffundiert der in dem Polysilizium enthaltene Störstoff aus

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dem Polysilizium in das benachbarte Einkristallsilizium. Da das Einkristallsilizium ehen Störstoff aufweist, dessen Leitfähigkeitstyp dem Störstoff in dem Polysilizium entgegengesetzt ist, jedoch eine geringere Konzentration aufweist, wird in dem Einkristallsilizium gleichzeitig mit der Diffusion der aktiven Schaltelemente in das Einkristallsilizium ein pn-übergang ausgebildet· Dieser pn-übergang ist ein extrem scharfer, harter pn-übergang· Bei Abschluß des Verfahrens zur Herstellung der integrierten Schaltungsanordnung ist dann jede Gruppe aktiver und passiver Elemente von einem pn-Übergang umgeben· Wenn dieser Übergang an Rückwärtsspannung liegt, ist die Gruppe aktiver oder passiver Elemente gegenüber den benachbarten Gruppen aktiver und passiver Elemente hierdurch elektrisch isoliert·

Da die Stärke des Polysiliziums zwischen benachbarten Inseln aus Einkristallsilizium im wesentlichen die gleiche ist, wie sie das Oxidgitter unter dem Polysilizium aufweist, und da die Linien In diesem Oxidgitter so dünn bzw. so schmal gemacht werden können, wie es die Maskierungstechnik erlaubt, ist der Anteil der Oberfläche der integrierten Schaltungsanordnung, welcher durch Isolationsgebiete verbraucht wird, gegenüber dem Anteil, der nach dem Stande der Technik bisher für Isolationsgebiete verbraucht wurde, sehr erheblich herabgesetzt. In der Regel ist es möglich, die Stärke der Linien des Gitters in der Größenordnung von wenigen Mikron zu halten. Das Polysiliziumgebiet zwischen benachbarten Inseln aus Einkristallsilizium hat daher ebenfalls nur eine Stärke von wenigen Mikron.

Zu der Seite des pn-überganges, der auf der anderen Seite des Einkristallmaterials liegt, wird der Kontakt durch das Polysilizium gebildet, welches sich aufgrund seiner hohen Störstoffkonzentration im wesentlichen wie ein Leiter verhält·

Da die Störstoffe in dea Oxidgitter unterlialb des polykristallinen Siliziums während des Aufwachsens des Siliziums nicht nur in. dem polykristallinen Silizium aufwärts diffundieren _s sondern auch, wenn auch in wesentlich geringere» MsBe - seitlich in das Einkristallsilizium diffundieren^ und zwar sowohl während des Aufwachsens des Einkristallsiliziums als auch während des. Eindiffundierens der aktiven und passiven Elemente ia das Einkristallsilizium, erstreckt sich der pn-Trennübergang in dem Einkristall-Silizium an dem Oxidgitter vorbei und bildet einen Kontakt mit dem Substrat unter dem epitaktiach aufgewachsenen polykristallinen und einkristallinen Silizium» Auf diese Welse erhält man eine zuverlässige Isolation der aktiven Gebiete der integrierten Schaltungsanordnung·

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch verwendet werden, um von der oberen Seite des Halbleiterchip eine innerhalb des Halbleiters angeordnete Kollektorschicht unter einem aktiven Element anzuschließen. Dabei wird ein Gebiet mit einem Leitfähigkeitstyp, der die entgegengesetzte Leitfähigkeit wie der Störstoff in dem Oxidgitter hat, in das Substrat eindiffundiert· Anschließend wird ein kleines Gebiet aus Siliziumoxid_Ρ welches einen Störstoff enthält, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Störstoff in dem in das Substrat eindiffundierten Gebiet Wz₉ über einem Ende dieses eindiffundierten Gebietes ausgebildet. Das Halbleiterplättchen (wafer) wird dann in einen Epitaxialreattor eingesetzt, und es wird In der vorbeschriebenen Weise Silizium auf die obere Fläche des Hdbleiterplättchens aufgebracht. Über den freiliegenden Teilen des Substrates bildet sich Einkristallsilizium, während über· dem Oxid Polysilizium entsteht«, Aa Ende des Auftoringens des Siliziums sind Inseln aus Einkristallsillziei vorhaadenj, welche von Gebieten aus polykristallinen Sillzlea umgeben sind« Iimerhalb dieser Inseln aus Einkristallsiliziwi b&£laden sich jedoch pflookartige Gebilde oder »Leitgebiete¹¹ aus polykristallin« Siliziums,

welche sich von den im Inneren vorhandenen Kollektorgebieten unter dem Einkristallsilizium zu der oberen Fläche dieses Siliziums erstrecken. Diese Leitgebiete haben einen elektrischen Widerstand, welcher von der Störstoffkonzentration des darunter liegenden Oxidgebietes, seiner Länge und seinem Querschnitt abhängt. Durch entsprechende Auswahl und Steuerung dieser Parameter können daher leitfähige Pfade niedrigen Widerstandes zu den Kollektorgebieten der Transistoren in der integrierten Schaltungsanordnung ausgebildet werden. Wie bei dem Isolationsgitter können diese Leitgebiete zur Kontaktierung von Kollektoren eine zusätzliche Dotie- ' rung aufweisen, welche beispielsweise von oben her bei der üblichen Emitterdiffusion herangeführt werden kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wachsen das polykristalline und das einkristalline Silizium auf dem Substrat durch die Pyrolyse von Siliziumwasserstoff (Silan) auf. Bei etwa 1040° C, also derjenigen Temperatur, bei der diese Pyrolyse vorzugsweise stattfindet, wurde festgestellt, daß das Verhältnis der Diffusionsgeschwindigkeit von Bor und Phosphor in polykrislöL-linem Silizium zu der Diffusionsgeschwindigkeit dieser Störstoffe in Einkristallsilizium besonders hohe Werte erreicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine isometrische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Figuren 2a - 2c zeigen ein Halbleiterplättchen 10 bei verschiedenen Bearbeitungsstufen gemäß dem Verfahren der Erfindung.

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Figur 3 zeigt in einer querschnittsartigen Darstellung ein Beispiel für ein eindiffundiertes Isolationsgebiet, wie es nach dem Stande der Technik verwendet wird«,

Figuren 4a - 4c zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung·

Figur 5 zeigt eine isometrische Schnittdarstellung des Gegenstandes der Figur 4c.

Figur 6 zeigt im Diagramm die Diffusionsgeschwindigkeit verschiedener Störstoffe in polykristallinem und einkristallinem Silizium.

Figur 1 zeigt, wie erwähnt, eine isometrische Schnittdarstellung einer Halbleiteranordnung, welche gemäß der Erfindung hergestellt ist. Sie zeigt insbesondere den Zusammenhang des Isolationsmusters des Polysiliziums mit dem darunter befindlichen Oxidgitter-Muster. Die Figuren 2a bis 2c zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Struktur gemäß der Erfindung.

fe Wie aus Figur 2a hervorgeht, ist auf einem Substrat 11 ein Gitter 12 aus Siliziumoxid aufgebracht. Das Siliziumoxid 12 enthält einen geeigneten Störstoff, entweder vom p- oder vom η-Typ, je nach der herzustellenden Schaltungsanordnung. Als Störstoffe können beispielsweise Bor, Phosphor, Arsen oder andere Dotierungsmittel verwendet werden, die im Zusammenhang mit Silizium brauchbare Ergebnisse liefern.

Das Substrat 11 besteht vorzugsweise aus Einkristall-Silizium, welches mit einem Störstoff vom gleichen Typ wie das Oxid 12 leicht dotiert ist. Das Substrat kann Jedoch auch in bestimmten

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Fällen aus anderem Material bestehen, welches eine Kristallstruktur hat, die dem des Siliziums im wesentlichen ähnlich ist, beispielsweise Spinell oder Saphir. .

Das Siliziumoxidgitter 12 wird auf der Oberfläche des Substrates 11 in einem solchen Muster aufgelegt, wie es den Isolationsgebieten entspricht, die in einer integrierten Schaltungsanordnung des Halbleiterplättchens auszubilden sind« Die Verfahren des Maskierens und Ätzens, die zur Ausbildung des Siliziumoxidgitters 12 j verwendet werden, sind in der Halbleitertechnik bekannt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Das SiJiziumoxid selbst wird mit einer kontrollierten Störstoffkonzentration direkt auf das Substrat 11 bei einer Temperatur aufgebracht, die hinreichend unter demjenigen Wert liegt, bei dem irgendwelche feststellbaren Diffusionserscheinungen auftreten. Nach den bekannten photolithographischen Ätzverfahren bleibt Siliziumoxid in der Form des gewünschten Gitters auf dem Substrat 11 zurück.

Wie von K.L, Barry und P. Olofsen in einem Aufsatz "Advances in Doped Oxides as Diffusion Sources", veÄfentlicht in Band II Nr. 10 von "Solid State Technology», Oktober 1968, Seiten 39 - 42 beschrieben ist, werden verschiedene Verfahren verwendet, um· " Oxidquellen mit einer gewünschten Dotierungskonzentration auf Halbleitersubstraten bei niedrigen Temperaturen aufwachsen zu lassen oder aufzubringen. Barry und Olofsen diskutieren einige dieser Verfahren und beschreiben ihre Vor- und Nachteile. Diese Diskussion braucht hier nicht wiederholt zu werden, jedoch wird zum Stande der Technik auf die genannte Schriftstelle Bezug genommen. Weitere Arbeiten von Barry und Olofsen über Oxid-Diffusionsquellen befinden sich in einer Schrift "Doped Oxides as Diffusion Sources", veröffentlicht in Band 116, Nr. 6 des "Journal of the Electrochemical Society", Juni 1969, Seiten 854 - 860. Auch diese Schriftstelle wird zum Stande der Technik genannt«

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Die Dotierungskonzentration in dem Siliziumoxidgitter 12 wird so gewählt, daß sie höher als die ursprüngliche Dotierungskonzentration entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist, welche in dem Einkristallsilizium unterzubringen ist, das auf dem Substrat 11 ausgebildet wird« Bevorzugte Werte für dl© Konzentration der

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Dotierung in dem Siliziumoxidgitter 12 sind 10 Störstoffatome . cm""·^ oder mehr.

Anschließend wird das Substrat 11 zusammen mit dem drauf angeord-

™ neten Siliziumoxidgitter 12 in einen Epitaxialreaktor eingesetzt_o Nunmehr wird Silizium auf die obere Fläche des Substrates 11 und das Oxidgitter 12 aufgebracht. Zweckmäßig wird das Silizium durch Pyrolyse von Siliziumwasserstoff aufgebracht_β Der so entstandene Körper, also das Substrat 11 zusammen mit darauf befindlichen Schichten aus Siliziumoxid, Einkristallsilizium, Polykristallsilizium und/oder anderen Materialien, wird als. Halbleiterplättchen (wafer) 10 bezeichnet»

Das unmittelbar auf der Oberfläche des Substrates 11 ausgebildete Silizium 13 ist epitaktisch aufgewachsenes Einkris tallsilizium® Das Silizium 14, welches auf dem Siliziumoxidgitter Ί2 ausgebil- J) det ist, ist deiEgegenüber polykristallines Silizium«, Das Aufbringen des Siliziums wird fortgesetzt, bis es auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens 10- die gewünschte Stärke erhalten hat« In der Regel wird die Stärke des aufgebrachten Siliziums, und zwar sowohl des polykristallinen als auch des einkristallinen Siliziums (Figur 2b) zwischen 7 und 20 Mikron liegen, obwohl auf diese Weise jede- gewünschte Stärk'e des Siliziums erreicht werden kann. Da die Aufwachsgeschwindigkeiten des polykristallinen und des einkristallinen Siliziums im wesentlichen die gleichen sind,, 1st die Stärke des polykristallinen Siliziums 14» welches auf dem Siliziumoxidgitter 12 gebildet let, im wesentlichen gleich

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der Stärke des Einkristallsiliziums 13. Das polykristalline Silizium 14 liegt jedoch etwasüber dem Einkristallsilizium 13t und zwar um die Höhe des Oxidgitters 12. Das Maß dieser Höhe schwankt beispielsweise von einigen 100 Angström bis zu einigen Mikron.

Während des Aufwachsens der einkristallinen und polykristallinen Siliziumgebiete 13 und 14 wird dem Silizium ein geeigneter Störstoff beigegeben, dessen Leitfähigkeitstyp dem Störstoff im Oxidgitter 12 entgegengesetzt ist. Wenn in dem Oxid ein p-Dotierungsmittel verwendet wird, so haben das Sinkristallsilizium 13 und anfangs das polykristalline Silizium 14 die n-Leitfähigkeit mit einer Störstoff konzentration in der Größenordnung von 10 Atome · cm » Da die Dotierungskonzentration in dem Oxid 12 bei etwa 1O²⁰ Atome . cm"³ liegt und da die "DIffusität« oder DIffusionsbereit schaft dieses Dotierungemittels in Polyeilizium 14 erheblich höher ist als die Diffusionsbereitschaft dieses Dotierungsmittels in Sinkristallsilizium 13, wird das polykristalline Silizium 14 aufgrund der Eindlffundierung des Oxid-Do ti eitngsmittels in das Poylsilizium während des Auf Wachsens des Polysiliziums von der η-Leitfähigkeit in die p-Leltfähigkeit geändert. Wenn dagegaa das Oxid 12 und dementsprechend das polykristalline Silizium 14 ein n-Dotierungsmittel enthalten, enthält das Ein- | kristallsillzium 13 ein p-Dotierungsmittel bei einer Konzentra-

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tion von etwa 10 Atome · .cm · .

Die Grenze 18 zwischen dem polykristallinen Silizium 14 und dem Einkristallsilizium 13 1st scharf und im wesentlichen senkrecht zu der oberen Fläche des Substrates 11. Während des gleichzeitigen Aufwachsens des polykristallinen und des einkristallinen Siliziums auf dem Plättchen 10 bleibt die Breite des polykristallinen Siliziums 14 im wesentlichen gleich der Breite des darunter befindlichen Oxidgitters 12, wobei Jedoch eine geringfügige,

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nach außen gerichtete Erweiterung, des polykristallinen Siliziums mit der Höhe eintritt« Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einer polykristallinen Siliziumschicht mit einer Höhe von 7 Mikron die Breite des am oberen Ende freiliegenden Teils des polykristallinen Siliziums etwa 3 Mikron größer ist als die Breite des am Boden befindlichen Teils des polykristallinen Siliziums, unabhängig von der ursprünglichen Breite des Oxidgitters unter dem polykristallinen Silizium.

Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Silizium sind bekannt»

Während des Aufwachsens des polykristallinen und des einkristallinen Siliziums, das vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,3 bis 1 Αϊ/min bei einer Reaktortemperatur von 1040° C erfolgt, gelangt das in dem Oxidgitter 12 vorhandene Dotierüngsmittel aufwärts in das neu aufgewachsene polykristalline Silizium. Dieses Dotierungsmittel gelangt auch seitlich in das benachbarte, neu aufgewachsene Einkristallsiliziumj da aber die Diffusionsbereitschaft eines gegebenen Dotierungsmittels in polykristallinem Silizium erheblich größer ist als es bei dem gleichen Dotierungsmittel in Einkristallsilizium der Fall ist, gelangt der überwiegende Teil des Dotierungsmittels in das polykristalline Silizium»

Figur 6a zeigt die Diffusionskoeffizienten von Bor, einem p-Dotierungsmittel, bei Diffusion aus einem Siliziumoxid in polykristallines Silizium und in einkristallines Silizium als Funktion der Temperatur des Aufbringens des Siliziums, Die Diffusionskoeffizienten sind angegeben als V D, wobei D die Diffusionsbereitschaft ist. Der Wert D ist beispielsweise definiert in Kapitel 3 des Buches von A.S. Grove "Physics and Technology of Semiconductor Devices", erschienen bei John Wiley & Sons Inc., 1967.

2 Die Diffusionsbereitschaft D hat die Dimension einer Strecke

—1
. Zeiteinheit . Da die Diffusionsgeschwindigkeit proportional

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der Quadratwurzel von D ist, und da die Diffusionsgeschwindigkeit der Parameter ist, welcher die Diffusionsstreeke als Funktion der Zeit angibt, zeigt die Ordinate in Figur 6a die V~D₀ Die Abszisse in Figur 6aist die Temperatur, bei der das einkristalline und polykristalline Silizium auf dem Substrat 11 aufgebracht wurden.

Figur 6a zeigt, daß die Diffusionsgeschwindigkeit von Bor in einkristallinem Silizium unabhängig von der Temperatur des Aufbrin- ' gens des Einkristallsiliziums ist. Dies ist aus der horizontalen Linie erkennbar, welche die Ordinate bei einem Wert von YTiF= 0,15 schneidetο Im Gegensatz hierzu diffundiert Bor in polykristallines Silizium mit einer Geschwindigkeit, welche stark abhängig von der Temperatur ist, bei der das polykristalline Silizium aufgebracht wurde. Figur 6a zeigt, daß die Diffusionsgeschwindigkeit von Bor ein Maximum bei einer Aufbringungstemperatur von ungefähr 1040° C aufweist. Bei dieser Aufbringungstemperatur nimmt die Differenz zwischen den Diffusionsgeschwindigkeiten von Bor in polykristallinem Silizium und in einkristallinem Silizium ein Maximum an. Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung erfolgt das Aufwachsen des polykristallinen und des einkrisfcallinen SiIi- | ziums auf dem Substrat 11 aus der Pyrolyse von Siliziumwasser- . ■ stoff bei etwa 1040° C. Während des Aufbringens des polykristallinen und des einkristallinen Siliziums auf das Substrat 11 diffundiert daher das in dem Oxidgitter 12 (Figuren 1_f 2a_? 2b, 2c) enthaltene Dotierungsmittel in das polykristalline Silizium 14 bei einer Geschwindigkeit, welche im Verhältnis zu der Diffusion dieses Dotierungsmittels in das benachbarte Einkristallsilizium einen Maximalwert besitzt. Figur 6a zeigt, daß der Bereich der Aufbringungstemperaturen auf beiden Seiten des Wertes von 1040° C„ bei dem die Differenz der Diffusionsgeschwindigkeiten im wesentlichen ein Maximum annimmt, verhältnismäßig schmal ist und sich

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nur über einen Bereich von etwa +10 bis--15° C erstreckt» Außerdem zeigt der Versuch, daß bei steigender Diffusionstemperatur die Differenz zwischen den Diffusionsgeschwindigkeiten von Bor in polykristallines Silizium und von Bor in einkristallines Silizium abnimmt. Obgleich die Konzentration des Bor in dem Qxidgitter 12 etwa 2 Gewichtsprozente beträgt, ist. V D im wesentlichen unabhängig von der Borkonzentration in dem Oxid,.. und das-Diagramm gemäß Figur 6a gilt daher auch'für andere Konzentrationen von Bor in Oxid.

Figur 6b zeigt die Diffusionskoeffisienten von Phosphor, einem ■ n-Dotierungsmittel, bei Diffusion aus einem Siliziumoxid in polykristallines Silizium und ein einfcristallines Silizium als Funktion der Temperatur des Aufbringens des Siliziums,- Der Diffusionskoeffizient ist wieder als V D dargestellt ₉ also in Längeneinheiten je Zeiteinheit, mit 1/2 potentiert«, Diese Diffusionskoeffizienten werden bei 1040° C gemessen. Wiederum ändert sich die Diffusionsgeschwindigkeit des Phosphor© in polykristallines SiIi*- zium sehr stark mit der Aufbringungstemperatur des polykristallinen Siliziums, während die Diffusionsgeschwindigkeit des Phosphors in Einkristallsilizium als Funktion der Aufbringungstemperatur des linkristallsiliziums konstant ist·«, Die maximale Differenz der Diffusionsgeschwindigkeiten von ungefähr 1„35 Mikron/hg mit 1/2 potentiertj, tritt bei einer Silizium-Aufbringungstemperatur, von 1040° C ein, also der optimalen Temperatur für das Aufbringen von Silizium aus der Pyrolyse von Silizirawasserstoff_θ Wie außerdem aus Figur 6b hervorgeht₉ fällt die Differenz zwischen den Diffusionsgeschwindigkeiten des Phosphors in polykristallinem Silizium einerseits und einkristallinem Silisiiaa andererseits wiederum. . . sehr stark ab, wenn die Äufbringusgstemperatur gegenüber dem Wert von 1040° C steigt oder fällt ₀ '· ' "

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>■

Die in Figur 6b dargestellten Diffusionskoeffizienten zeigen die Diffusion von Phosphor aus Siliziumoxid in polykristallines bzw» in einkristallines Silizium· Die Konzentration des Phosphors in dem Oxid beträgt5 Gewichtsprozente, jedoch ändert sich wiederum der Diffusionskoeffizient nicht wesentlich mit kleineren Änderungen der Phosphorkonzentration in diesem Oxid gegenüber dem genannten Prozentsatz.

Aus den Figuren 6a und 6b geht hervor, daß die Diffusionsgeschwindigkeiten von Bor und Phosphor aus Siliziumoxid in benachbartes polykristallines Silizium erheblich höher sind als die Diffusionsgeschwindigkeiten dieser StÖsioffe aus Siliziumoxid in benachbartes einkristallines Silizium. Auch erkennt man, daß die maximale Differenz dieser Diffusionsgeschwindigkeiten bei einer Temperatur von etwa 1040° C auftritt, und dies ist die Temperatur, bei der die Siliziumgebiete 13 und 14 auf dem Substrat 11 und dem Oxid 12 aus der Pyrolyse von Siliziumwasserstoff aufwachsen» Während des Auf Wachsens des polykristallinen Siliziumgebietes 14 und des einkristallinen Siliziumgebietes 13 diffundiert daher ein in dem darunter befindlichen Oxidgitter 12 enthaltener Störstoff hauptsächlich in das darüber befindliche polykristalline Silizium 14.

Das in Figur 2b dargestellte Halbleiterplättchen 10 steht nun zur Verfügung für die Eindiffundierung der aktiven und passiven Halbleiterelemente in jede der Inseln aus Einkristallsilizium 13, welche von polykristallinem Silizium 14 umgeben sind. Während der Eindiffundierung dieser Elemente, die nach bekannten Verfahren erfolgt, beispielsweise dem Planarverfähren, wie es in den USA-Patenten 3 025 589 und 3 064 16? beschrieben ist, diffundiert das in dem Gebiet 14 aus polykristallinem Silizium enthaltene Dötierungsmittel weiterhin vertikal in diesem polykristallinen Silizium, und es diffundiert auch seitlich aus dem polykristallinen

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Silizium 14 in die benachbarten Gebiete des Einkristallsiliziums 13. Diese Diffusion erfolgt bei im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie die Diffusion von p- oder η-Störstoffen in das Einkristallsilizium.

Während die Diffusion in eine bestimmte Insel oder in bestimmte Inseln .des Einkristallsiliziums 13 erfolgt, und zwar unter Verwendung eines Störstoffes, dessen Leitfähigkeitstyp dem in dem Einkristallsilizium 13 entgegengesetzt ist, um die Basisgebiete von Transistoren zu bilden, diffundiert der in dem polykristallinen Silizium 14 enthaltene Störstoff seitlich mit der gleichen Geschwindigkeit in das benachbarte Einkristallsilizium· Anschließend setzt während der Diffusion eines Emittergebietes in jedes der vorher eindiffundierten Basisgebiete der Störstoff aus dem Polysilizium 14 seine seitliche Wanderung in das Einkristallsilizium 13 fort. Bei Abschluß der Diffusion von aktiven und/oder passiven Elementen in das einkristalline Siliziummaterial 13 ist der in dem polykristallinen Silizium 14 enthaltene Störstoff in das benachbarte Einkristallsilizium 13 gewandert und bildet pnübergänge 15, 16 und 17, wie Figur 2c zeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die aktiven Elemente, die üblicherweise in die obere Fläche des Einkristallsiliziums 13 eiftdiffundiert werden, in Figur 2c nicht dargestellt.

Die pn-Übergänge 15, 16 und 17 sind scharf definierte übergänge, welche im wesentlichen etwa rechtwinklig zur oberen Fläche des Substrates 11 verlaufen. Diese übergänge stehen der Größenordnung nach im gleichen Abstand von der Grenze 18 (Figur 2b) des polykristallinen Siliziums 14 und des einkristallinen Siliziums 13 wie die Tiefe der Basis eines in das Silizium 13 eindiffundierten Transistors. Wenn also das Oxidgitter 12 eine Breite von 5 Mikron hat und der Basls-Kollektor-Übergang des Transistors wenige

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Mikron von der oberen Fläche des Siliziums 13 entfernt ist, wird das Isolationsgebiet, das von dem aus dem polykristallinen Silizium in das benachbarte Einkristallsilizium 13 wandernden Diffusionsmittel gebildet ist, in der Regel eine Breite von 14 oder 15 Mikron haben. Dies stellt eine beachtliche Verringerung der Breite eines Isolationsgebietes dar, wenn man es mit den Breiten von diffundierten Isolationsgebieten vergleicht, welche dadurch hergestellt worden sind, daß man einen Störstoff von oben her in das Einkristallsilizium 13 bis herunter zum Substrat 11 eindiffundiert.

Ein solches nach dem Stande der Technik bekanntes eindiffundiertes Isolationsgebiet ist in Figur 3 dargestellt. Um den Kontakt des Isolationsgebietes 30 mit dem darunter befindlichen Substrat zu sichern, muß die Breite dieses Isolationsgebietes wenigstens zweimal so groß sein wie die Stärke des epitaktisch aufgewachsenen Siliziums 32 plus der Breite des Fensters in der Oxidschicht 34, durch welches das Diffusionsmittel eingebracht wird. Die Breite des Isolationsgebietes 30, welche erforderlich ist, um eine wirksame Kontaktierung mit dem darunter befindlichen Substrat 35 zu erreichen, liegt in der Größenordnung von 20 üs 50 Mikron und höher. Das Isolationsgebiet 30 hat im Vergleich zu dem epitaktisch aufgewachsenen Silizium 32 den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und es ist gegenüber dem Silizium 32 dadurch elektrisch isoliert, daß der pn-übergang 31 an Rückwärtsspannung liegt.

Während des AufWachsens der Polysiliziumgebiete 14 und der Einkristallsiliziumgebiete 13 diffundiert der in dem Oxidgitter 12 enthaltene Störstoff nicht nur in das polykristalline Siliziumgebiet 14, sondern auch seitlich in die benachbarten Einkristallsiliziumgebiete 13. Obwohl die Diffusionsgeschwindigkeit dieses

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Störstoffes in die Einkristallsiliziumgebiete 13» wie bereits erwähnt, erheblich niedriger als die Diffusionsgeschwindigkeit dieses Störstoffes in die darüber befindlichen polykristallinen Siliziumgebiete 14 ist, ist durch die seitliche Diffusion des Störstoffes aus dem Oxid 12 in das benachbarte Einkristallsilizium 13 gesichert, daß Gebiete 15a, 16a und 17a dieser Übergänge mit dem darunter angeordneten Substrat 11 wirksamen Kontakt erhalten. Bei bestimmten vorteilhaften AusfUhrungsformen wird dieses Substrat | 11 in ähnlicher Weise mit einem Störstoff dotiert, welcher den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie der innerhalb des Oxids 12 vorhandene Störstoff. Jede Insel aus EinkrÄallsilizium 13» welche von polykristallinem Silizium 14 und dem darunter befindlichen Substrat 11 umgeben ist, ist in wirksamer Weise gegenüber benachbarten Inseln aus Einkristallsilizium 13 isoliert, wenn die pn-Übergänge zwischen dem Elnkristallsilizium 13 einerseits und dem polykristallinen Silizium 14 andererseits (und in manchen Fällen auch dem Substrat 11 andererseits) an Rückwärtsspannung gelegt werden.

Figuren 4a - 4c zeigen ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diejenigen Teile dieser Figuren, die Teilen in den P Figuren 2a - 2c entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen. Wie Figur 4a zeigt, ist auf Substrat 11, das beispielsweise aus Einkristallsilizium besteht, ein Gitter 12 aus Siliziumoxid ausgebildet. Anschließend wird in dem Substrat 11 ein Gebiet 2| dadurch ausgebildet, daß ein geeignetes Dotierungsmittel, dessen " Leitfähigkeitstyp dem des in dem Siliziumoxidgitter 12 enthaltenen Dotierungsmittels entgegengesetzt ist,- in. und durch die obere Fläche des Substrates 11 bis zu einer vorgegebenen Tiefe eindiffundiert wird. Wenn beispielsweise das Slliziumoacidgitter 12 einen p-Störstoff enthält, beispielsweise BOr₁₁ so wird das Gebiet 21 dadurch hergestellt, daß ein n-Störstoff verwandet wird.

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beispielsweise Antimon oder Arsen· Das Gebiet 21 kann jede geeignete Form erhalten. Die Störstoffkonzentration in dem Gebiet 21 beträgt ungefähr 10 Atome . om~ , während sie in dem Siliziumoxidgitter 12 in der Größenordnung 10 Störstoffatome . cm"' liegt.

Anschließend wird Über einem Rand des Gebietes 21 ein kleines Gebiet aus Siliziumoxid 20 ausgebildet, welches jedoch mit einem Störstoff dotiert ist, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der ( Störstoff in dem Gebiet 21 hat. Das Siliziumoxidgebiet 20 kann mit Phosphor, Arsen, Antimon oder einem anderen η-Störstoff dotiert sein, wenn in dieses Gebiet ein n-Störstoff einzudiffundieren ist.

Anschließend wird das Halbleiterplättchen 10 in einen Epitaxialreaktor eingesetzt, und auf der oberen Fläche des Halbleiterplättchens 10 wird bis zu einer vorgegebenen Stärke Silizium aufgebracht. Ebenso wie bei der in den Figuren 2a - 2c dargestellten Bauart bildet sich Einkristallsilizium 13 unmittelbar über der Oberfläche des Substrates 11,aus, während sich polykristallines Silizium 14 und 23 über dem Siliziumoxidgitter 12 und dem Siliziumoxidgebiet 20 bildet. Während des Auf Wachsens der Gebiete ™ aus Einkristallsilizium und polykristallinem Silizium diffundiert das in dem Gebiet 21 enthaltene Dotierungsmittel in bestimmtem Ausmaß in das darüber befindliche Einkristallsilizium 13 und bildet, wie in Figur 4b gezeigt ist, ein Gebiet 22. Gleichzeitig diffundieren die in dem Siliziumoxidgitter 12 und dem Siliziumoxidgebiet 20 enthaltenen Dotierungsmittel, vorzugsweise Bor bzw. Phosphor, verhältnismäßig schnell in die neu aufgewachsenen, darüber befindlichen Polysiliziumgebiete 14 bzw. 23.

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Bei Beendigung des Aufwachsens des Einkristallsiliziums und des polykristallinen Siliziums hat das Halbleiterplättchen 10 die im Schnitt in Figur 4b dargestellte Gestalt» Wiederum haben das Einkristallgebiet 13 'und die polykristallinen Gebiete 14 und 23 ungefähr die gleiche Stärke, wobei die polykristallinen Gebiete im Durchschnitt die Einkristallgebiete um die Stärke der darunter befindlichen Siliziumoxidgebiete 12 und 20 überragen. Das polykristalline Gebiet 14 ist jedoch mit einem Störstoff dotiert, welcher gegenüber dem Störstoff, der zur Dotierung des Polysiliziumgebietes 23 verwendet wurde, den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat.

Anschließend werden in jede Insel aus Einkristallsilizium 13 aktive und/oder passive Elemente eindiffundiert. Ein kleiner Ausschritt aus einer bevorzugten Bauart, wie er schematisch in Figur 4c dargestellt ist, enthält ein aktives Element, welches vorzugsweise einen Emitter 26 aufweistj der den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie das einkristalline Siliziumgebiet 13, jedoch mit einer höheren Störstoffkonzentratioaj der Emitter 26 ist in ein Basisgebiet 25 eindiffundiert, welches den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Polysiliziumgebiet 14 hat. Die Störstoffkonzentration des Basisgebietes 25 ist selbstverständlich geringer als die Störstoffkonzentration des Emittergebietes 26 ₀

Der Kollektor des Transistors wird durch das benachbarte Einkristallsiliziummaterial 13 gebildet. Der Kontakt zu diesem Kollektorgebiet wird hagestellt durch eine darunter liegende, innerhalb des Körpers angeordnete Schicht, welche aus den Gebieten 22 und 21 besteht, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Einkristallsilizium 13 haben, jedoch stärker dotiert sind, und zwar auf eine Störstoffkonzentration von ungefähr 10 Atome , cm ·

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■■■■■*

Von der oberen Fläche des Halbleiterplättchens 10 zu dieser eingeschlossenen Schicht wird Kontakt gebildet durch das kleine pflockartige Gebilde oder Leitgebiet j 23 aus polykristallinem Silizium , welches auf dem Siliziumoxidgebiet 20 ausgebildet ist. Das Gebiet 23 aus polykristallinem Silizium stellt einen Strompfad mit extrem niedrigem Widerstand zu den Gebieten 22 und 21 der eingeschlossenen Schicht dar. Durch passende Bemessung und Herstellung des Querschnittsbereiches des polykristallinen Siliziumgebietes 23» und auch durch seine StOrstoffkonzentration, kann der spezifische Widerstand dieses Strompfades in der ge- " wünschten Weise beeinflußt werden.

Das Siliziumoxidgebiet 20 und der leitende Strompfad von dem polykristallinen Gebiet 23 zu der eingeschlossenen Schicht 22 und 21 üben gegenseitig keine nachteilige Wirkung aus. Da der Störstoff, der in dem polykristallinen Siliziumgebiet 23 und dem Siliziumoxid 20 enthalten ist, in benachbarte Gebiete des Einkristallsiliziums 13 während der Diffusion der Basis 25 und des Emitters 26 in das Einkristallsilizium 13 eindiffundiert ist, wird vielmehr ein leitfähiger Strompfad im Gebiet 24a um das Siliziumoxid 20 ausgebildet.

Figur 5 zeigt die Bauart gemäß Figur 4c in isometrischer Schnittdarstellung. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, daß die Polysiliziumisolations- und Leitgebiete 14 und 23 mit guter Genauigkeit den Linien 12 des Oxidgitters bzw. dem Siliziumoxidgebiet 20 folgen, welche auf die Oberfläche des Substrates 11 aufgebracht sind» Da die Gitterlinien 12 aus Siliziumoxid beispielsweise mit einer Breite von 2 Mikron und unter bestimmten Umständen sogar noch schmaler ausgebildet werden können, 1st das polykristalline Sillzium-Isolationsgebiet an der oberen Fläche des

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St

Halbleiterplättchens 10 in der Regel nur wenige Mikron breiter als 2 Mikron. Dementsprechend ist die Breite dieser Isolationsgebiete im Verhältnis zu der Breite vergleichbarer Isolationsgebiete bei nach dem Stande der Technik bekannten Bauarten praktisch um eine Größenordnung geringer» Es ergibt ©ich daher eine sehr beachtliche Ersparnis an Oberflächenbereich des Halbleiterplättchens, und man kann das Halbleitermaterial wesentlich wirtschaftlicher ausnutzen, so daß die Herstellungskosten für die Bauelemente erheblich herabgesetzt werden können«

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiel© für Verfahren zur Herstel« lung erfindungsgemäß vorgesehener Bauarten Beschrieben.

AusführungsbeisplelI

Dieses Ausführungsbeispiel beschieibt die Herstellung eines Halbleiterplättchens, in dem npn-Bauelemente ausgebildet werden können.

Ein mit Bor dotiertes Siliziumoxidgitter 12 wurde mit einer Stärke von etwa 1.500 Angström auf ein Substrat 11 aufgebracht, indem Siliziumwasserstoff (SiH^) und Borwasserstoff (B₂Hg) als Gase in einem Düsenreaktor oxydiert wurden«, Das Substrat, Einkristallsilizium, das mit Bor (einem p-Störstoff) auf eine Störstoffkonzen-

15 —^
tration von etwa 10 Atome «cm dotiert war, wurde auf einer Temperatur von 400° C gehalten» Die Strömung des Siliziurawasser-

stoffes betrug 12 cm*' . min $ die Strömung des Borwasserstoffes *5 —1 3 " —1

lag bei 1,2 cnr . min „ Zusätzlich strömten 75 cm · min

^5 1 1

Sauerstoff, 112 cnr . min" Argon und 2,2 1 , min Stickstoff durch den Reaktor.

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«3

Dieses mit Bor dotierte Siliziumoxid wurde maskiert und geätzt unter Anwendung der bekannten Verfahrensweise der Photolithographie. Als Ätzmittel wurde in bekannter Weise eine Lösung von Ammoniumfluorid und Flußsäure verwendet. Die Ätzung wurde beendet, als auf dem Substrat das gewünschte Gittermuster aus mit Bor dotiertem Siliziumoxid-Isoliermaterial ausgebildet war.

Das Halbleiterplättchen 10 mit dem Oxidgitter 12 wurde sorgfältig gespült und gesäubert, und zwar nach Verfahren, wie sie in der Halbleiterherstellung bekannt sind. Anschließend wurde Silizium durch Pyrolyse von Siliziumwasserstoff (SiEL) aufgebracht, und es wurde dabei während des Aufbringens ein n-Dotierungsmittel in die Schicht eingebracht. Für die Auftragung wurde das Substrat 11 in einem horizontalen RF-Reaktor auf eine Temperatur von 1040° C erhitzt. Durch die Reaktorkammer wurde Wasserstoff mit

—1

einer Menge von 68 1 , min bei einem Druck von einer? Atmosphäre geleitet. Um die gewünschte Wachstumsgeschwindigkeit und den gewünschten Widerstand zu erhalten, wurden zusätzlich weitere Reaktionsgase in den Trägergasstrom eingeführt. Um eine Einkri-

—1

stall-Siliziumschicht von 0,5 0hm „cm zu erhalten, wurde Arsenwasserstoff (AsH,) bei einem Partialdruck von etwa 4,6 . 10~^ Atmosphären hinzugefügt. Eine Siliziumwasserstoffkonzentration | von 0,185 Molprozent ergab eine Auftragungsgeschwindigkeit von 0,45 Mikron . min . Das Silizium, das über der freiliegenden Oberfläche des Substrates 11 aufgebracht wurde, war Einkristallsilizium, während das über dem Oxidgitter 12 aufgebrachte Silizium 14 polykristallines Silizium war. Die Auftragung von Silizium erfolgte während einer Zeit von etwa 15 Minuten, und man erhielt eine Siliziumschicht auf dem Substrat 11 von etwa 7 Mikron Stärke. Diese Siliziumschicht bestand aus Gebieten aus Einkristallsilizium 13, welche von einem Gitter aus polykristallinem < Silizium 14 isoliert waren.

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Zur Herstellung der aktiven und passiven Elemente in einer integrierten Schaltungsanordnung vrurden anschließend die bekannten Verfahrensschritte der Oxydationsmaskierung und Diffusionstechnik angewandt. Es erfolgte keine gesonderte Isolationsmasken-Diffusion. Dabei ist aber zu beachten, daß das Isolationsgitter aus polykristallinem Silizium 14, falls erforderlich, freigelegt oder "geöffnet" werden kann, und es können dann Dotierungsmittel in dieses Gitter von oben her zusammen mit den Basen der in dem Einkristallsilizium 13 ausgebildeten Transistoren eindiffundiert werden.

Ausführungsbeispiel II

Dieses Ausführungsbeispiel beschreibt die Herstellung eines Halbleiterplättchens, welches im Zusammenhang mit pnp-Elementen verwendet werden kann.

Auf ein Substrat 11 wurde durch Oxydierung von Silan bzw. Siliziumwasserstoff (SiH^) und Phosphin (Ph·,) in gasförmiger porm in einem Düsenreaktor mit Phosphor dotiertes Siliziumoxid mit einer Stärke von 1.500 Angström aufgebracht.. Das Substrat, das mit n-Störstoffen auf eine Konzentration in der Größenordnung

15 —3

10 ^ Atome , cm dotiert war, wurde auf einer ^espercatiur von 400° C gehalten. Die Strömung des Siliziumwsssersto,ff es betrug

χ —1 ^5 —1

10 cnr . min und die des Phosphins O.,£ car ... pin _;. strömten Sauerstoff mit 50 em . min ., Argon m%% §7 cm und Stickstoff mit 2,2 1 , min durch den flea&toa^ tEjas mit phor dotierte Siliziumoxid wurde unter Anwendung foetennibpf· photo«· lithographischer Verfahren jaas&iert und ^«ftzt,, wpteej. ,ein ßmm·^ niumfluorid-FlußsÄure r Ätzmittel verwendet wurde, j&uf sdiftse |iei_;§e

»Γ

erhielt man ein mit Phosphor dotiertes Siliziumoxidgitter 12 auf der oberen Fläche des Substrates 11 in der gewünschten Gitterform.

Anschließend wurde eine Siliziumschicht auf die obere Fläche des Substrates 11 und das Gitter 12 aufgebracht. Das Auf-fctagungsverfahren war identisch mit dem gleichen Schritt im Ausführungsbeispiel I mit der Ausnahme, daß Borwasserstoff (BpHg) als dotierendes Gas verwendet wurde, um zu erreichen, daß das Einkristall- * siliziumgebiet 13 die p-Leitfähigkeit erhielt, und nicht, wie bei Ausführungsbeispiel I, die n-Leitfähigkeit. Die Reaktortemperaturen und Strömungen waren die gleichen wie bei Ausführungsbeispiel I im Hinblick auf Siliziumwasserstoff und Trägergas. Der Partialdruck des Bor Wasserstoffs lag in der Größenordnung von 10" bis 10 Atmosphären, je nach dem spezifischen Widerstand, der in dem Einkristallsiliziumgebiet 13 erreicht werden sollte.

Anschließend wurden wieder bekannte Verfahrensmaßnahmen der Oxydationsmaskierung und der Diffusion angewendet, um die aktiven und passiven Elemente der integrierten Schalungen herzustellen. Ebenfalls wurde keine gesonderte Isolationsmaskendiffusion vor- * genommen, da die Isolation aktiver Gebiete dadurch erfolgte, daß der pn-übergang zwischen dem polykristallinen Siliziumgebiet 14 und dem einkristallinen Siliziumgebiet 13 an Rückwärtsspannung gelegt wurde.

Falls erforderlich, können Störstoffe in das polykristalline Siliziumgebiet 14 von oben her eindiffundiert werden, und zwar zusammen mit der Eindiffundierung der Basen aktiver Elemente, beispielsweise bipolarer Transistoren.

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Ausführungsbeispiel III

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine integrierte Schaltungen anordnung beschrieben, welche zusätzlich zu den isolierenden Wänden aus polykristallinem Silizium pflockartige Gebilde oder Leitgebiete aus polykristallinem Silizium enthält, welche sich von der oberen Fläche des Einkristallsiliziums 13 zu einer eingeschlossenen Kollektorschicht 21, 22 erstreck^ die unterhalb des einkristallinen Siliziumgebietes 13 liegt.

Wieder wurde Siliziumoxid, das als p-Störstoff eine geeignete Konzentration von Bor enthält, bis zu einer Stärke von 1.500 Angström auf ein Substrat 11 durch Oxydation von Silan bzw. Siliziumwasserstoff (SiH^) und Borwasserstoff (B₂Hg) in gasförmiger Form in einem Düsenreaktor aufgebracht. Das Substrat wurde auf einer Temperatur von 400° C gehaltene Die Siliziumwasserstoff-

■x _i
strömung betrug 12 cnr . min , die Borwasserstoffströmung

3—1 3 —1

1,2 cm · min , die Sauerstoffströmung 75 cm . min , die Argon-

■Z A _1

strömung 112 cm · min und die Stickstoffströmung 2,2 1 ₀ min , Die mit Bor dotierte Siliziumoxidschicht wurde maskiert und geätzt, und zwar wieder mit Hilfe der bekannten Verfahrensweise der Photolithographie. Als Ätzmittel wurde ebenfalls ein Ammoniumfluorid-Flußsäure-Ätzmittel verwendet. Man erhielt ein mit Bor dotiertes isolierendes Gittermuster 12 aus Siliziumoxid auf dem Substrat 11.

Anschließend wurde eine mit Phosphor dotierte Siliziumoxidschicht bis zu einer Stärke von 1·500 Angström auf dem Substrat 11 durch Oxydation von Silan und Phosphin (PlO in gasförmiger Form in einem Düsenreaktor aufgebracht. Die Temperatur des Substrates betrug wiederum 400° C. Die Siliziumwasserstoffströmung betrug

Tt _mmA. '3J-.'!

10 cnr · min , die Phosphinströmung 0,2 cm . min , die Sauer-

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"*) —1 ~*i —Λ

stoff strömung 50 cnr . min , die Argonströmung 97 cnr . min

—1 und die Stickstoffströmung 2,2 1 . min . Dieses mit Phosphor dotierte Siliziumoxid wurde anschließend maskiert und geätzt unter Anwendung "bekannter Verfahrensschritte der Photolithographie, und man erhielt ein mit Phosphor dotiertes Siliziumoxidgebiet 20 auf dem Substrat 11. Als Ätzmittel wurde wiederum Ammoniumfluorid-Flußsäure-Lösung verwendet. Das Siliziumoxidgebiet 20 wurde in demjenigen Muster ausgebildet, wie es für den Querschnitt sbereich des Polysiliziumleitgebietes 23 erforderlich ist, ( um das Kollektorgebiet 13 des in den Figuren 4c und 5 dargestellten Transistors von der oberen Seite des Halbleiterplättchens 10 her zu kontaktieren, fahrend der ützung -der mit Phosphor dotierten Siliziumoxidschicht muß jedoch sorgfältig idarauf geachtet werden, daß nicht das darunter befindliche isolierende ixittermuster aus mit Bor dotiertem Siliziumoxid entfernt wird, welches sich unterhalb des mit Phosphor dotierten Siliziumoxids befindet· Von Vorteil ist dabei, daß mit Phosphor dotiertes Oxid schneller fortgeätzt wird als mit Bor dotiertes Oxid» Unabhängig davon muß Jedoch sorgfältig "überwacht werden, daß die vorgesenene Zeit der Itzung des Halbleiterplättchens 10 genau eingehalten wird, mm ein unerwünschtes Entfernen des Oxid-Gittermusters 12 zu -vermeiden. "

Anschließend wird wie bei den AusführungsTDeispielen I und II Silizium über dem Qxidgittermuster 12 und dem Oxidmuster 20 bis zu einer vorgegebenen Stärke aufgebracnt, und zwar durch die Pyrolyse von Silan mit einem n-Dotierungsmittel. Biese Pyrolyse wird wieder in einem horizontalen hochfrequenzerhitzten Äeaktor bei einer Temperatur von 1040° C vorgenommen. ,Die Parameter des Reaktors und die Strömung entsprechen den im Äusführungsbeispiel I · ' ■ Werten·

3*

Die Eindiffundierung aktiver Elemente erfolgt ebenfalls wie "bei dem Ausführungsbeispiel I, Es wird jedoch jetzt der Kontakt zu dem Kollektorgebiet eines eindiffundierten Transistors dadurch hegestellt, daß ein polykristallines Siliziumleitgebiet 23 zu ' einem darunter liegenden eingeschlossenen Kollektorgebiet hergestellt wird.

Im Zusammenhang mit den Figuren 1-5 ist zu berücksichtigen, daß hier lediglich ein kleiner Teil einer wesentlich größeren Struktur schematisch dargestellt ist. Diese Figuren sind«nicht maßstäblich, und sie zeigen auch keine der isolierenden, passivierenden oder metallisierenden Schichten, wie sie üblicherweise bei integrierten Schaltungen vorhanden sind. Bei den Ausführungsbeispielen ist lediglich ein einziger diffundierter Transistor in einem Einkristallsilizium 13 dargestellt, jedoch ist zu beachten, daß eine Vielzahl und viele Arten von Elementen, und zwar sowohl aktive als auch passive Elemente, in üblicher Weise in die Halbleiterplättchen gemäß der Erfindung eindiffundiert werden können.

Zur Klarstellung sei noch erwähnt, daß die Bezeichnung "Leitfähigkeit" oder "Leitfähigkeitstyp" in der Beschreibung und in den Ansprüchen bei der Charakterisierung eines Störstoffes sich auf den Leitfähigkeitstyp des Halbleitermaterials beziehen, welches überwiegend einen solchen Storstoff enthält.

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Claims

Ansprüche

Halbleiteranordnung, welche auf einem Substrat einkristallines und polykristallines Halbleitermaterial- aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Fläche des Substrates ein Muster aus einem Oxid des Halbleitermaterials angeordnet ist, welches wenigstens einen Störstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, daß das einkristalline Halbleitermaterial auf denjenigen Teilen der Fläche des Substrats angeordnet ist, welches nicht mit Oxid ( bedeckt ist, und daß das polykristalline Halbleitermaterial sich auf dem Oxid befindet.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Oxidmusters gitter- oder netzförmig ausgebildet ist und daß das einkristalline Halbleitermaterial in mehrere Gebiete aufgeteilt ist, welche voneinander durch das polykristalline Halbleitermaterial und das Oxidgitter getrennt sind_ö

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist, daß das Oxid ein Oxid des Siliziums ist und daß das polykristalline Halbleiter- , material polykristallines Silizium ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Einkristall-Silizium besteht.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat, das Oxidgitter des Siliziums und das polykristalline Silizium mit einem Störstoff des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sind, während die Einkristall-Siliziumgebiete mit einem Störstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dotiert sind.

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6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Einkristall-Siliziumgebieten an den Grenzen zwischen den Einkristall-Siliziumgebieten und dem polykristallinen Silizium pn-Übergänge ausgebildet sind, welche sich bis zu dem Substrat erstrecken.

7o Halbleiteranordnung nach Anspruch 6_S dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Ubergänge zur gegenseitigen elektrischen Isolation der Einkristall-Siliziumgebiete an Rückwärts spannung liegen,,

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 3-7» dadurch gekennzeichnet, daß aktive und/oder passive Elemente in bestimmten Einkristall-Siliziumgebieten ausgebildet sind, daß die freiliegenden Flächen dieser Einkristall-Siliziumgebiete isoliert sind und daß die aktiven und/oder passiven Elemente Verbindungen zur Bildung einer elektrischen Schaltung aufweisen'*

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine eingeschlossene Kollektorschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Einkristall-Siliziumgebiete an der Grenzfläche des Substrats und wenigstens eines Einkristall-Siliziumgebietes angeordnet ist, und daß wenigstens ein Leitgebiet aus polykristallinem Silizium auf dem restlichen Teil des Oxidmusters vorhanden ist, wobei dieser restliche Teil des Oxids wenigstens teilweise über wenigstens einem eingeschlossenen Kollektorgebiet angeordnet ist, und wobei sich wenigstens eines der Leitgebiete von dem eingeschlossenen Kollektor- _ gebiet bis zu der oberen Fläche wenigstens eines der Einkristall-Siliziumgebiete erstreckt und das Leitgebiet den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweist wie wenigstens eines der Einkristall-Siliziumgebiete und wenigstens eine der eingeschlossenen Kollektorschichten.

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ΊΟ, Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der übrige Teil des Oxidmusters einen Störstoff enthält, dessen Leitfähigkeit styp dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist.

11. Verfahren zur Ausbildung der Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gitter aus einem Oxid des Halbleitermaterials auf einer Fläche eines Substrats aus dem Halbleitermaterial ausgebildet wird, daß das Oxidgitter in vorgegebener Konzentration einen ersten Störstoff mit dem ersten Leitfähigkeitstyp enthält, und daß Halbleitermaterial in vorgegebener Stärke auf die Oberflächen des Substrats und des Gitters aufgebracht wird, wobei Einkristall-Halbleitermaterial unmittelbar auf der Fläche des Substrats ausgebildet wird, während polykristallines Halbleitermaterial auf der Fläche des Oxidgitters ausgebildet wird,

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Oberflächen des Substrats und des Gitters aufgebrachte Halbleitermaterial zunächst mit einer vorgegebenen Konzentration eines zweiten Störstoffes dotiert wird, dessen Leitfähigkeitstyp dem des ersten Störstoffes entgegengesetzt ist.

13» Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.

14, Verfahren nach einem der Ansprüche 11 ** 1^, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung eines Gitters aus einem Oxid des Halbleitermaterials durch die Oxydierung von Siliziumwasserstoff und Borwasserstoff in gasförmiger Form eine Schicht aus mit Bor dotiertem Siliziumoxid auf dem Slliziurasubstrat bis zu einer

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vorgegebenen Stärke aufgebracht wird, daß die Siliziumoxidschicht maskiert wird, und daß die maskierte Siliziumoxidschicht derart geätzt wird, daß sie außer dem gewünschten mit Bor dotierten Siliziumoxidgitter von der Oberfläche des Siliziumsubstrats entfernt wird.

15. .Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Halbleitermaterials bis zu einer vorgegebenen Stärke bei einer Temperatur ausgeführt wird, bei der die Differenz der Diffusionsgeschwindigkeit des ersten Störstoffes in das polykristalline Halbleitermaterial gegenüber dem Einkristall-Halbleitermaterial einen Maximalwert erreicht.

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