DE2038361A1

DE2038361A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Anordnungen

Info

Publication number: DE2038361A1
Application number: DE19702038361
Authority: DE
Inventors: Scott Joseph Hurlong
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-08-04
Filing date: 1970-08-01
Publication date: 1971-02-18
Also published as: ES382248A1; NL7011437A; JPS504511B1; FR2056965A1; SE371539B; ZA705326B; FR2056965B1; BE753245A

Description

203836Ί Dipl.-lng. H. SgugH^d^Dr.-lng. R. König Patentanwälte · aooo Düsseldorf · Cecilienallee 7B · Telefon 432732

Unsere Akte: 26 015 31.JuIi 1970

RCA Corporation, New York, N₀Y. (V₀St.A.)

"Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Anordnungen"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Anordnungen, insbesondere von Siliziumoxid-Bereichen in oder auf einem Siliziumträger.

Bei der Herstellung verschiedener Siliziumhalbleiter-Anordnungen ist es notwendig, in genau definierten Bereichen der Oberfläche eines Silizium-Einkristallträgers einen Siliziumoxidfilm vorzusehen. Dieser Siliziumoxidfilm dient entweder als Abdeckung bei der Dotierung des Siliziumträgers und/oder als Passivierungsschicht für die p-n-Grenzschichten, die sich bis zur Oberfläche des Siliziumträgers erstrecken. Bisher wurde dieser Siliziumoxidfilm so hergestellt, daß zunächst die gesamte Oberfläche des Siliziumträgers mit einem Siliziumoxidfilm versehen wurde_e Dann wurden mit einer Abdeckschicht die Teile der Siliziumoxidschicht überzogen, die auf dem Siliziumkörper verbleiben sollten,, Sodann wurden zunächst die unbeschichteten Teile des Siliziumoxidfilms, meist durch Ätzen, und sodann die Abdeckschicht entfernt. Dieses Verfahren hat den erheblichen Nachteil, daß die Abdeckschicht sehr oft zu einer Verunreinigung des Siliziumoxidfilms führt. Außerdem hat ihr Entfernen häufig unerwünschte Löcher im Siliziumoxidfilm zur Folge. Schließlich besteht beim Wegätzen der nicht gewünschten Oxidschichtteile die Neigung des

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Ätzmittels, auch unter die Abdeckschicht einzuwirken,, so daß die verbleibenden Siliziumoxid-Bereiche in ihren Abmessungen nicht genau definiert werden können.

Eine andere Art von Siliziumhalbleiter-Anordnungen besteht aus Bereichen eines Silizium-Einkristall-Films, die im Abstand zueinander auf der Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substrats, wie Saphir, angeordnet sind. Bisher wurden diese Anordnungen grundsätzlich dadurch hergestellt, daß ein Silizium-Einkristall-Film auf die gesamte Oberfläche des Substrats aufgebracht und sodann die nicht gewünschten Teile des Siliziumfilms entfernt wurden. Das Entfernen der nicht gewünschten Siliziumfilmteile wurde durch Aufbringen einer Abdeckschicht auf die zu erhaltenden Teile des Siliziumfilms sowie nachfolgendes Wegätzen der ungewünschten Siliziumfilmteile erreicht. Da der Siliziumfilm relativ dick ist, bringt das notwendigerweise verhältnismäßig tief vorzunehmende Ätzen insbesondere hinsichtlich möglichst genauer Abmessungen der zurückbleibenden Siliziumfilmteile erhebliche Probleme mit sich. Außerdem weisen bei derart hergestellten Anordnungen die Oberflächen der verbleibenden Silizium-Bereiche unerwünschte Abstände zu den Teilen der Substratoberfläche auf, an denen der Siliziumfilm entfernt wurde. Diese unebenen Oberflächen bringen insbesondere beim Anbringen, metallischer Verbindungswege zwischen den einzelnen, mit Abstand angeordneten Silizium-Bereichen Probleme mit sich, besonders dann, wenn die Verbindungswege über eine Siliziumfilminsel verlaufen, '

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren vorzuschlagen, das die vorerwähnten Nachteile der bekannten Verfahren nicht aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Teile der Oberfläche eines Silizium-Einkristalls mit einem Film versehen

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werden, dessen Material die Oxydation der von ihm abgedeckten Siliziumteile verhindert, und der mit einem Ätzmittel entfernt werden kann, das Siliziumoxid nicht angreift, und daß die freiliegenden Teile der Oberfläche des Siliziumkörpers oxydiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 5 am Beispiel einer Halbleiter-Anordnung in

Querschnittsdarstellung die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 bis 10 die Fertigungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer anderen Halbleiter-Anordnung, ebenfalls in Querschnittsdarstellung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Halbleiter-Anordnungen mit in oder auf der Oberfläche eines Silizium-Einkristallkörpers in ihren Abmessungen genau bestimmten Siliziunoxid-Bereichen hergestellt werden. Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht grundsätzlich darin, daß die Oberfläche des Siliziumkörpers mit einen dünnen Abdeckfilm aus' Material versehen v;ird, das eine Oxydation des darunter befindlichen Siliziumkörpers verhindert und mit einem Ätzmittel entfernt werden kann, das keine oder nur sehr geringe Einwirkungen auf Siliziumoxid hat. Dieser Abdeckfilm soll im folgenden "Oxydierungsfilm" (oxidizing masking film) genannt werden, da er dazu benutzt wird, eine Abdeckung während eines Verfahrensschritts zu liefern, bei dem die unbedeckten Bereiche des Siliziumträgers oxydiert werden, um die gewünschten Siliziumoxid-Bereiche zu bilden. Der Oxydierungsfilm kann aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid bestehen und wird an den

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Stellen der Oberfläche des Siliziumkörpers "aufgebracht,an denen kein Siliziumoxid vorgesehen ist. Die freiliegenden Bereiche des Siliziumträgers werden dann oxydiert, um" entweder auf den entsprechenden Oberflächenteilen des Siliziumkörpers eine Siliziumoxidschicht zu bilden oder innerhalb des Siliziumkörpers einen Siliziumoxid-Bereich zu schaffen» Da der Oxydierungsfilm die Oxydation der von ihm bedeckten Siliziumteile verhindert, können die gewünschten Siliziumoxid-Bereiche im oder auf dem Siliziumkörper mit großer Genauigkeit hergestellt werden. Das so aufgebrachte Siliziumoxid ist dadurch weder verunreinigt noch mit nachteiligen Löchern versehen. Die Form der Siliziumoxid-Bereiche entspricht genauestens den gewünschten Abmessungen, da ein Ätzen des Siliziumoxids nicht notwendig ist«

Anhand der Figuren 1 bis 5 soll zunächst das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer auf einen Silizium-Einkristall-Träger aufzubringenden, in ihren Abmessungen definierten Siliziumoxidschicht erläutert werden. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird die Oberfläche des Silizium-Einkristall-Trägers 12 in ihrer Gesamtheit mit einem dünnen Oxydierungsfilm 10 versehen. Ein aus Siliziumnitrid bestehender Film 10 kann dadurch aufgebracht werden, daß der Siliziumträger 12 in eine mit Silizium und Stickstoff enthaltendem Gas beschickte Kammer gelegt wird, die auf einer Temperatur gehalten ist, bei der die Reaktion zur Bildung von Siliziumnitrid stattfindet, das sich dann auf der Oberfläche des Trägers 12 absetzt,, Das verwendete Gas kann aus einer Mischung von Siliziumwasserstoff und Ammoniak bestehen und bildet bei Temperaturen zwischen 600 und 1200⁰C Siliziumnitrid.

Wenn der Film 10 aus Aluminiumoxid bestehen soll, kann dieses auf den Träger 12 in einer Kammer aufgebracht v/erden, die mit einem Aluminium und Sauerstoff enthaltenden

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Gas beschickt und auf eine Temperatur geheizt wird, bei der sich das auf dem Träger 12 abscheidende Aluminiumoxid bildet. Das verwendete Gas kann aus einer Mischung von Aluminiumchlorid, Kohlendioxid und Wasserstoff bestehen, wobei die Reaktion zu Aluminiumoxid bei wenig über 900⁰C stattfindet. Der Aluminiumoxidfilm kann jedoch auch durch Plasmaoxydation hergestellt werden. Dazu wird zunächst die Oberfläche des Trägers 12 mit einer Schicht aus metallischem Aluminium überzogen, z.B. durch Aufdampfen im Vakuum. Danach wird der Träger in einer Kammer weiterbehandelt, in der mit einer gegenseitigen Entfernung von ungefähr 8 cm eine Anode und eine Kathode angeordnet sind und die Aluminiumschicht mit einem elektrischen Kontakt verbunden wird. Sodann wird der Kammer trockner Sauerstoff mit einem Partialdruck von ungefähr 0,2 mm Hg zugeführt. Sodann wird eine Glimmentladung zwischen der Anode und Kathode mit einer Zündspannung von ungefähr 1000 Volt gezündet, während an der Aluminiumschicht eine gegenüber der Anode positive Spannung von ungefähr 20 Volt angelegt wird. Die elektrische Entladung innerhalb der Kammer ionisiert den Sauerstoff, so daß die Sauerstoffionen mit der Aluminiumschicht reagieren und die gewünschte Aluminiumoxidschicht bilden.

Gemäß Fig_o 2 wird sodann eine dünne Abdeckschicht 14 (eine Schicht, die beim nachfolgenden Ätzen abdeckt) aus Siliziumoxid auf bestimmte Stellen des Oxydierungsfilms 10 aufgebracht. Die Teile des Oxydierungsfilms 10, die von der Abdeckschicht 14 bedeckt sind, sollen nachfolgend auf dem Träger 12 zunächst verbleiben, um die Bildung von Siliziumoxid an diesen Stellen des Trägers 12 zu vermeiden. Die Abdeckschicht 14 wird dadurch hergestellt, daß zunächst die gesamte Oberfläche des Oxydierungsfilms 10 mit Siliziumdioxid versehen wird, beispielsweise dadurch, daß der Film 10 einem Gas ausgesetzt wird, das Silizium und Sauerstoff

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enthält und auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sich das auf dem Oxydierungsfilm absetzende Siliziumoxid bildet. Dieses Gas kann eine Mischung von Siliziumwasserstoff und entweder Sauerstoff oder Wasserdampf sein, wobei die Reaktion zu Siliziumoxid bei Temperaturen zwischen ungefähr 200 und 400⁰C stattfindet. Sodann wird ein Schutzfilm auf die Teile der Abdeckschicht 14 aufgebracht, die beibehalten werden sollen. Dies kann durch übliche fotolithogräfische Verfahren geschehen. Die dann unbedeckten Teile der Abdeckschicht 14 werden durch Ätzen beispielsweise mit Flußsäure entfernt. Danach kann- der Rest des Schutzfilms mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann dann der vom Film 14 unbedeckte Teil des Oxydierungsfilms 10 entfernt werden, so daß die gewünschten Teile der Trägeroberfläche freigelegt werden. Siliziumhitrid und Aluminiumoxid können durch Ätzen mit heißer Phosphorsäure bei ungefähr 180⁰C entfernt werden. Die Abdeckschicht 14 kann schließlich durch Ätzen mit Flußsäure entfernt werden.

Die freiliegende Oberfläche des Trägers 12 wird.sodann zur Bildung einer Siliziumoxidschicht 16 oxydiert, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Träger 12 in einen Ofen mit Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur zwischen 900 und 1200⁰C erhitzt wird. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist die Siliziumoxidschicht 16 im allgemeinen dicker als der Oxyidierungsfilm 10, der eine Dicke von weniger als 200 Ä haben kann. Danach wird der Oxydierungsfilm 10 entfernt, wodurch die darunter liegenden Teile der Trägeroberflache, wie in Fig. 5 gezeigt, freigelegt werden. Oxydierungsfilme aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid können durch Ätzen mit heißer Phosphorsäure entfernt werden, die so gut wie keinen Einfluß auf die Siliziumschicht 16 hat.

Danach ist das in Fig. 5 dargestellte Teil für weitere Be-

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handlungen zur Herstellung der gewünschten Halbleiter-Anordnung fertiggestellt. Beispielsweise kann die Siliziumoxidschicht 16 als Abdeckung bei der Diffusion von Dotierungsstoffen in die freiliegende Oberfläche des Siliziumträgers 12 zur Herstellung einer Diode, eines Transistors od.dgl. benutzt werden. Da bei der Herstellung der SiIiziumoxidschicht 16 keine diese abdeckende Schicht verwendet wird, ist die Siliziumoxidschicht 16 frei von Verunreinigungen und Löchern. Bei der Verwendung der so hergestellten Siliziumoxidschicht 16 als Maske bei der Diffusion wird somit jegliche Verunreinigung des Siliziumträgers 12 sowie des in diesen zu diffundierenden Dotierungs— stoffes vermieden. Außerdem können sich keine unerwünschten Diffusionsbereiche im Träger ergeben, die häufig die Folge von in der Siliziumoxidschicht befindlichen Löchern sind. Da darüber hinaus der Oxydierungsfilm 10 vergleichsweise dünn ist, kann die Form der verbleibenden Teile sehr genau auch mit dem Ätzverfahren bestimmt werden. Da sich die Form der Siliziumoxidschicht 16 wiederum aus der des Oxydierungsfilms 10 ergibt, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren somit eine sehr genaue Begrenzung der Siliziumoxidschicht erreicht.

In den Figuren 6 bis 10 sind die erfindungsgemäßen Verfahrenssehritte am Beispiel der Herstellung einer Halbleiter-Anerdnung dargestellt, bei der r.it Abstand voneinander angeordnete Bereiche von Silizium-Einkristallen auf einem Substrat aus isolierendem Material, wie Saphir, bestehen. Dabei 1st eine Oberfläche des flachen Saphirsubstrats 18 mit einer Silizium-Einkristall-Schicht 20 versehen, die ihrerseits mit einem dünnen Oxydierungsfilm 22, beispielsweise Siliciumnitrid oder Alumini'anoxid völlig überzogen wird (Fig. 6), Der Oxydierungsfilm 22 wird dabei in der bereits beschriebenen Art hergestellt. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird der Oxydierungsfilm 22 mit einer Abdeck-

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schicht 24 aus Siliziumoxid an den Stellen versehen, an denen die Siliziumschicht 20 erhalten bleiben soll«, Die freiliegenden Bereiche des Oxydierungsfilms 22 werden danach entfernt, was durch Ätzen mit heißer Phosphorsäure geschehen kann. Danach wird die Abdeckschicht 24 (Fig. 8) entfernt, beispielsweise mit Hilfe von Flußsäure,,

Die nunmehr freiliegenden Teile der Siliziumschicht 20 werden sodann durch Erhitzen in einer Sauerstoffatmosphäre oxydiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Oxydation so lange ausgeführt, bis die gesamte Dicke der freiliegenden Teile der Siliziumschicht 20 in Siliziumoxid umgewandelt ist. Je nach der Dicke der Siliziumschicht 20 kann es notwendig werden, zunächst einen Teil der freigelegten Siliziumschicht zu oxydieren, sodann das~ Silizium- ' oxid teilweise beispielsweise durch Ätzen mit Flußsäure zu entfernen und dann die Oxydation weiterzuführen, um somit die freiliegenden Siliziumschichtteile in ihrer gesamten Dicke in Siliziumoxid umzuwandeln. Durch Messen des Widerstandes zwischen den zu oxydierenden Teilen und den benachbarten, nicht oxydierten Teilen der Siliziumschicht, die durch den Oxydierungsfilm 22 abgedeckt sind, kann festgestellt werden, ob die freiliegenden Bereiche der Siliziumschicht völlig oxydiert sind« Wenn das Substrat ein transparentes Material ist, wie beispielsweise Saphir, kann die Beendigung des Oxydationsvorgangs optisch wahrgenommen werden, da die oxydierten Teile der Siliziumschicht, sobald sie völlig bis zur Substratoberfläche oxydiert sind, transparenter sind als die nicht oxydierten Teile, Wie aus Fig. 9 hervorgeht, wird auf diese Weise erreicht* daß eine Oberfläche des SaphirSubstrats 18 mit Siliziumoxid-Bereichen 26 versehen ist, die durch Silizium~Einkristall-Bereiche 20 voneinander getrennt sind«,

Wie aus Fig_e 10 hervorgeht, kann die Dicke der Silizium-

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oxidschicht 26 bis auf die der Silizium-Bereiche 28 beispielsweise durch Ätzen mit Flußsäure verringert sowie der Oxydierungsfilm 22 durch Ätzen mit heißer Phosphorsäure entfernt werden. Diese Anordnung ist nunmehr geeignet, in einem weiteren Herstellungsverfahren zu der gewünschten Schaltung verarbeitet zu werden. Beispielsweise können die Silizium-Bereiche 28 als aktive Halbleiter-Anordnungen benutzt und durch metallische Leitungswege elektrisch miteinander verbunden werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit erreicht, daß in ihrer Form genau bestimmte Silizium-Bereiche hergestellt und durch von Verunreinigungen und Löchern freie Siliziumoxidbereiche voneinander isoliert werden können_o Außerdem wird eine flache Oberfläche erreicht, die ein einfaches elektrisches Verbinden durch metallische Leiterbahnen erlaubt.

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Claims

Δ υ 3.; 16 1

RCA Corporation, New York, Ν_β·Υ. (¥.St.A.).

Patentansprüche:

Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Anordnungen, d a durch gekennzeichnet j daß Teile der Oberfläche eines Silizium-Einkristalls (12, 20) mit einem Film (10, 22) versehen werden, der die Oxydation der von ihm abgedeckten Siliziumteile verhindert und mit einem Ätzmittel entfernt werden kann, das Siliziumoxid nicht angreift, und daß die freiliegenden Teile der Oberfläche des Silizium-Einkristalls oxydiert werden,,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _g daß der Film durch Überziehen der gesamten Oberfläche des Silizium-Einkristalls und nachfolgendes Entfernen der den zu oxydierenden Bereichern entsprechenden Teile hergestellt wird®
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2._s dadurch gekennzeichnet, daß der Film (10,22) aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid besteht.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet^ daß das teilweise Entfernen des Films (10, 22) durch Ätzen mit heißer Phosphorsäure geschieht»
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet^ daß vor dem Entfernen einzelner Teile des Films (10, 22) seine Oberfläche mit einer Siliziumoxidschicht (14, 24) an den Stellen versehen wird.^ an denen der Film beibehalten werden soll, und daß die freiliegenden Filmstellem durch Äetzen entfernt werden»

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6„ Vorfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Film (10) nicht bedeckten Teile des Siliziums zu einer auf der Oberfläche des Siliziumkörpers liegenden Siliziumoxidschicht (16) oxydiert werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c-h gekennzeichnet, daß die vom Film nicht bedeckten Teile des Siliziums zu Siliziumoxid-Bereichen innerhalb des Siliziumkörpers oxydiert werden, .
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Einkristall aus einer auf ein Substrat (18) aufgebrachten Silizium-Einkristall-Schicht (20) besteht, und daß die freiliegenden Teile der Siliziumschicht* über ihre ge s ans te Dicke zu Silizinünoxid (26) oxydiert werden»

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