DE2133977B2 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Halbleiterbauelemente dieser Art sind aus Proc. IEEE 57(1969)9,1523-1527 bekannt.
Darin werden also, was für ihre Anwendung als monolithisch integriert Schaltung wichtig ist, elektrisch gegeneinander isolierte Inseln gebildet.
Der Vollständigkeit halber seien noch einige weitere ü Möglichkeilen erwähnt, in Halbleiterbauelementen elektrisch gegeneinander isolierte Inseln zu bilden. So ist es aus der FR-PS 14 79917 bekannt, in einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat des entgegengesetzten Leitungstyps Inseln /u bilden, die seillich '" durch ein isolierendes Oxidmustcr begrenzt werden.
Aus der US-PS 35 09 4J3 isi es bekannt, eine Insel durch eine Isolierschicht völlig von einem polykristallinen Substrat zu trennen.
Schließlich ist es aus IBM Techn. Disclosure RuII. 9 ■ · (1966), 546-547 bekannt, Inseln lediglich durch PN-Übergängc voneinander und vom Substrat zu trennen.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus. daß den erwühnten bekannten Halbleiterelementen Nachteile anhaften, die unter gewissen Bedingungen besonders ungünstig sind. So kann in gewissen Fällen eine unerwünschte Transistorwirkung infolge einer Transistorstruktur auftreten, die durch zwei nebeneinander liegende Inseln vom ersten Leitungstyp gebildet wird, welche durch eine Trenndiffusion vom zweiten Leitungstyp voneinander getrennt sind, wobei die Trenndifftision als Basis dieses parasitäten Transistors wirkt. Auch können ungünstig hohe Kapazitäten zwisc'ien der Metallisierung des Halbleiterbauelements und einer darunter liegenden Trenndiffusion über die zwischenliegende dünne Oxidschicht auftreten.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, daß bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art, trotz der bereits erheblichen Raumersparung, die bei ihm erzielt werden kann, der minimale gegenseitige Abstand der erhaltenen isolierten inselförmigen Gebiete an einen Grenzwert gebunden ist, der u. a. durch die üblichen Techniken gegeben wird und der eine noch weitere, für große Packungsdichten erwünschte Raumersparung verhindert. Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, daß die Oberflächenzone, die im allgemeinen durch Diffusion aus der Oberfläche angebracht wird, an dieser Oberfläche eine Breite aufweist, die mindestens gleich dem Zweifachen, im allgemeinen aber gleich mehr als dem Dreifachen des Abstandes zwischen der vergrabenen Schicht und der Oberfläche ist, was der seitlichen Diffusion parallel zu der Oberfläche zuzuschreiben ist. Die isolierten Inseln haben also bei dem bekannten Bauelement einen gegenseitigen Abstand voneinander, der im allgemeinen größer als das Sechsfache des Abstandes zwischen der vergrabenen Schicht und der Oberfläche — zuzüglich des erforderlichen gegenseitigen Abstandes der zu benachbarten Inseln gehörigen Oberflächenzonen — ist, um eine parasitäre Transistorwirkung zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszugestalten, daß der Raumbedarf erheblich herabgesetzt und dennoch das Auftreten störender parasitärer Transistoren vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Dabei wird, wenn mehrere nebeneinander liegende isolierende Schichten vorhanden sind, unter dem Siliciumoxidmuster eine Oxidschicht verstanden, die dicker als eine angrenzende Isolierschicht ist und sich bis zu einer größeren Tiefe als diese Isolierschicht erstreckt.
Dadurch, daß die zu nebeneinander liegenden Inseln gehörenden Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp völlig oder wenigstens über einen wesentlichen Teil ihrer Dicke durch das versenkte Siliciumoxidmuster voneinander getrennt sind, wird bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung die erwähnte parasitäre Transistorwirkung durch Anwendung einer Trcnndiffusion vermieden, und (soweit vorhanden) auch die Kapazität zwischen der Metallisierung und einer Trenndiffusion beträchtlich beschränkt.
Weiler weist das Halbleiterbauelement nach der Erfindung den wesentlichen Vorteil auf, daß die Breite der vorzugsweise diffundierten Oberflächenzone und somit der gegenseitige Abstand zweier benachbarter Inseln erheblich geringer als bei den bekannten Halbleiterbauelementen sein kann. Diese Verringerung des Abstandes bringt — zweidimensional gesehen —
eine Vergrößerung der erzielbaren Packungsdichte mit sich, die im großen und Ganzen der /weiten Potenz dieser Abstandsverringerung proportional ist. Dadurch und auch durch das Vorhandensein des versenkten Oxids unter der Metallisierung werden außerdem verschiedene Kapazitäten des Halbleiterbauelements herabgesetzt, wodurch das elektrische Verhalten bei hohen Frequenzen wesentlich besser als bei den entsprechenden bekannten Halbleiterbauelementen ist.
Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann ein einziges inselförmiges Gebiet vom ersten Leitungstyp enthalten, das durch das erwähnte zusammenhängende Gebiet vom zweiten Leitungstyp gegen den übrigen Teil des Halbleiterkörper isoliert ist, in dem sich Halbleiterschaltungselemente befinden können. Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung aber für integrierte Schaltungen mit mehreren gegeneinander isolierten Inseln, die an dieselbe Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzen.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Einige Ausführungsformen des Halbleiterbauelements nach der Erfindung sind in der 7 dehnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 schematisch im Querschnitt ein bekanntes Halbleiterbauelement,
F i g. 2 schematisch eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung,
Fig. 3 schematisch einen Querschnitt längs der Linie IH-III der Fi g. 2 durch das Bauelement nach Fig. 2, und
Fig. 4 bis 7 schematisch Querschnitte durch die Bauelemente nach den Fig. 2 und 3 während verschiedener Herstellungsstufen.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung übertrieben groß dargestellt sind. Entsprechende Teile sind im allgemeinen in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In F i g. 1 ist schematisch im Querschnitt ein bekanntes Halbleiterbauelement dargestellt. Dieses Bauelement enthält einen Halbleiterkörper I aus Silicium mit einem N-Ieitenden Substrat 2. auf dem eine N-leitende epitaktische Schicht 3 angebracht ist. Dabei wird ein an die Oberfläche grenzendes inselförmiges Gebiet 4 dir-ser Schicht 3 innerhalb c'es Körpers völlig von einer sich unterhalb dieser Insel 4 erstreckenden P-leitenden vergrabenen Schicht 5 und von einer gleichfalls an die Oberfläche grenzenden diffundierten P-leitenden Oberflächcr.'one 6 umgeben, welche Obcrflächenzone sich an die vergrabene Schicht 5 anschließt und mit dieser Schicht ein innerhalb des Körpers völlig von N-Ieitcndem Silicium umgebenes zusammenhängendes P-Ieitendes Gebiet bildet. In dem inselförmigen Gebiet 4 ist eine P-Ieitende Oberflächenzone 7 angebracht, die die Emitterzone eines PNP-Transistors bildet, dessen andere aktive Zonen durch das Gebiet 4 (die Basiszone) und das Gebiet (5, 6) (die Kollektorzone) gebildet werden.
Da sich die Zone 6 praktisch über die ganze Dicke der .Schicht .3 erstrecken muli, ist infolge der seitlichen Diffusion die Breite dieser Zone 6 an der Oberfläche, sogar bei Diffusion durch Fenster mit einer minimalen Breite, mindestens gleich dem Zweifachen, und im allgemeinen gleich mehr als dem Dreifachen des Abstandes zwischen di-r vergrabenen Schicht 5 und der Oberfläche. Auch infolge -'es notwendigerweise cinzu-
haltenden Mindesiabstandes zwischen den /tonen h, dii: zwei benachbarte inselförmige Gebiete 4 umgeben, um eine parasitäre Transistorwirkung zwischen dies.n Zonen 6 zu vermeiden, ist der gegenseitige Abstand zweier benachbarter isolierter Inseln 4 bei dieser bekannten Struktur noch verhältnismäßig groß.
F i g. 2 ist eine Draufsicht auf und F i g. 3 schemausch ein Querschnitt längs der Linie Ill-Ill der F i g. 2 durch ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung. Wit das bekannte Bauelement nach Fig. 1 enthält es em N-Ieitendes Substrat 2, auf dem eine epitaktische N-leitende Schicht 3 angebracht ist, während zwischen dem Substrat 2 und der Schicht 3 örtlich P leitende vergrabene Schichten 5 angebracht sind. Das Substrat 2 besteht aus N-Ieitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 1 Q.crn und einer Dicke von 200 μπι, während die Schicht 3 durch N-Ieitendes Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Q.cm gebildet wird und eine Dicke von 3 μίτι aufweist.
Die Weise, in der inseiförmige Gebeite 4 aus der Schicht 3 erhalten werden, ist hier a'-er anders als bei dem bekannten Bauelement. Nach der Erfindung >*·' dr-r Körper mit einem elektrisch isolierenden Siliciumoxidmuster versehen, von dem ein (in F i g. 3 durch eine gestrichelte Linie begrenzter) Teil 8 in den Halbleiterkörper versenkt ist. Dabei wird das inselförmige Gebiet 4 völlig von diesem versenkten Oxid umgeben (siehe F i g. 2), wobei an den versenkten Teil 8 eine P-Ieitende Zone 9 grenzt, die diesen Teil 8 von der Insel 4 trenn! und nur einen Teil 8 des versenkten Siliciumoxidmusters begrenzt. Diese Oberflächenzone 9 schließt sich an die vergrabene Schicht 5 an und bildet mit dieser Schicht ein das inselförmige Gebiet 4 völlig umgebendes zusammenhängendes P-leitendes Gebiet, cias außer von dem versenkten Teil 8 des Siliciumoxidmusters nur vor N-Ieitendem Halbleitermaterial umgeben wird und mn diesem N-leitenden Material einen PN-Übergang 11 bildet (siehe F i g. 3).
In dem erwähnten inselförmigen Gebiet 4 ist, gleich wie in Fig. 1. eine P-leitende Oberflächenzone 7 angebracht (siehe F ι g. 3), die völlig von dem inselförmigen Gebiet 4 umgeben ist. Diese Oberflächenzone 7 bildet zusammen mit dem die Zone 7 umgebenden Gebiet 4 und der darunterliegenden vergrabenen Schicht 5 einen Transistor, dessen Emitter durch die Zone 7. dessen Basis durch dac inselför,,iige Gebiet 4 und dessen Kollektor durch die Schicht 5 und die sich daran anschließende Zone 9 gebildet wird. Die Zonen 7, 4 und 9 schließen sich über Fenster in einer über die ganze Oberfläche angebrachten Oxidschicht 13 an die Metallschichten 14, 15 und 16 an. Der Transistor ist elektrisch von dem übrigen Teil des Siliciumkörpers 1 durch den PN-Übergang 11 getrennt, der im Betriebszustand in der Sperrichtung geschaltet ist. indem das N leitende Substrat 2 mit dem höchsten Potentia' der Schaltung verbunden wird.
Der versenkte Teil 8 des Siliciumoxidmusters ist in diesem Beispiel in Form eines Rasters angebracht (siehe I i g. 2). wodurch die nicht mit dein Siliciurnoxidmuster 8 überzogene Oberfl; :he in voneinander getrennte Inseln unterteilt wird. In den F i tr. 2 und i sind zwei dieser Inseln vollständig dargestellt, und zwar die Insel, in der sich der obenbeschriebene Tranistor beii'idet, und die benachbarte Insel, die eine Diode enthält, die durch die N-leitende Insel 4 und eine darin angebrachte P-Ieitende Zone 17 gebildet wird.
Dieses Halbleiterbauelement weist im Vergleich zu d<:v an Hand der F i t». 1 beschriebenen hrlommen
Bauelement u. a. den groücn Vorteil auf. daß die Oberflächen/onen 9 besonders dünn sein können und die Hielte der versenkten '['eile 8 ties Silieiumoxidmu-Mcrs nur derart groß zu sein braucht, daß eine parasitäre Iransislorwirkung /wischen zu benachbarten Inseln gehörigen Oberflächenzonen 9 verhindert wird. Die für jedes isolierte Element benötigte Oberfläche ist somit Ι" ι dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung betrat lillich kleiner als bei dem bekannten Bauelement. Außerdem ist die Kapazität des PN-lJbcrgangs 11 niedriger. Dies ist namentlich darauf zurückzuführen, daß bei dem bekannten Rauelement (siehe I'ig. 1) vor allem der obere Teil des PN-lJbergangs II. der an den hochdotierten Teil der Zone 6 grenzt, der der Oberfläche am nächsten liegt, zu der Kapazität dieses PN Übergangs 11 beiträgt, welcher Teil in dem liaiielement nach der Erfindung durch Anwendung des Oxidmusters 8 fehlt. Ferner wird bei dem Bauelement nach der Erfindung an der Stelle des versenkten Oxids 8 die Kapazität zwischen der Verdrahtung und dem Halbleiterkörper stark herabgesetzt, während an dieser Stelle auch die Möglichkeit der Bildung von Inversionskanälen infolge der auf dem Oxid liegenden Metallschichten erheblich verringert wird.
Die in den Γ i g. 2 und 3 gezeigte Struktur kann auf verschiedene Weise. /.. B. auf folgende Weise (siehe Fig. 4 —7), hergestellt werden. Rs wird (siehe Fig. 4) von einer durch in der Halblciterteehnik allgemein übliche Verfahren hergestellten Struktur ausgegangen, die aus einem N-Icitendcn Substrat 2 und einer N-leitendcn epitaklischen Schicht .3 mit den obenbeschriebenen Dicken und Dotierungen, sowie aus P-Iciter.den vergrabenen Schichten 5 mit einer Bordoticrungen von 10"' Atomen/cm1 besteht. Auf dieser Struktur wird eine Siliciumnitridschicht 19 mit einer Dicke von 0.15 iim durch Erhitzung in einer SiH3 und NII) enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1000 C angebracht. Auf dieser Schicht 19 wird durch Erhitzung in einer SiH4. CO_> und 11> enthaltenden Atmosphäre eine Siliciumoxidschicht angebracht. Für alle Einzelheiten der Techniken zum Anbringen der in diesem Beispiel genannten Siliciumnitrid- und -Oxidschichten und zum Maskieren und Ätzen dieser Schichten sei auf »Philips Research Reports«, April 1970. S. 118—132 verwiesen; darin wird alle für den Fachmann notwendige Auskunft erteilt.
Unter Verwendung der in der Halbleitertechnik allgemein üblichen Photomaskierungsverfahren wird in diese Doppclschicht aus Siliciumnitrid und Siliciumoxid eine ringförmige öffnung geätzt, wonach die erwähnte Oxidschicht in einer HF-Pufferlösung entfernt wird; anschließend werden durch Ätzen mit einer Flüssigkeit, die aus 170 cm5 60%-igem HNOj. 280 cm1 rauchendem HNO3. 110 cm3 40%-igem HF und 440 cm3 Eisessig besteht, bei 2° C in der Schicht 3 Nuten 20 mit einer Tiefe von 0,8 μΐη angebracht (siehe F i g. 4).
Dann wird (siehe F i g. 5) durch Oxidation in bei 95°C gesättigtem Wasserdampf bei 10000C die Siliciumoberfläche in den Nuten 20 oxidiert, wobei auch die Nitridschicht 19 mit einer dünnen Oxidschicht 21 überzogen wird, bis in den Nuten 20 ein Oxidmuster 8 erhalten ist, dessen obere Fläche praktisch mit der Trennfläche zwischen den Schichten 3 und 19 zusammenfällt.
Anschließend wird (siehe Fig.6) auf der ganzen Oberfläche mit Hilfe der bereits erwähnten Techniken eine Schicht 22 aus Siliciumnitrid angebracht, die mit einer Siliciunioxuhehicht 23 überzogen wird. Durcl Anwendung eines Photomaskierungsverfahrens win die Oxidschicht 23 örtlich weggeätzt, wonach unlei Verwendung der verbleibenden IeNe der Schicht 2 3 al' Maske Öffnungen 24 in die Nitridschicht 22 geätz werden (siehe Ι·' ι g. 7). Dabei wird die erste Nilridschich 19 beibehalten, weil sie mit der Oxidschicht 21 überzogen ist. die durch das Ätzmittel (gewöhnlicl· Phosphorsäure), mit dem das Nitrid weggeätzt wird
in praktisch nicht angegriffen wird.
Dann wird Gallium eindiffundiert. Die erfolgt be 10)0 C in Argon, als Quelle dient nut GaII im dotierte1 Siliciumpiilver. während 1 r> Minuten Dabei diffundier das (iallium durch das Oxid hindurch, aber es wird vor
Ii dem Siliciumnitrid maskiert. Es wird eine P leilendi Zone 9 mit einer Dicke von etwa 0.7 μηι erhalten (sieht I ι g. 7). die sich an die vergrabene P-Icitende Schicht ' anschließt, die in diesem Beispiel in einem Abstand vor etwa 2 um von der Oberfläche heut. Eis ist einlt'iiehtencl daß die Nuten 20 bei diesem Herstellungsverfahren mindestens eine derartige Breite haben müssen, dal nach der Galliumdiffusion die Oberflächenzonen 9. du zu nebeneinander liegenden Inseln gehören, sich nich berühren und mit dem zwischenlicgenden Teil de Schicht 3 keine störende parasitäre Transistorwirkutij aufweisen.
In der so erhaltenen Struktur können nach Entfer nung ()-r Schichten 19, 21, 22 und 23 mittels eine weiteren Oxidations- und Maskierungsschrittes gleich
Jo zeitig die Emitterzone 7. die Zone 17 und der Teil de Oberfiächenzone 9. an den sich die Basiskontaktschich 16 anschließt, mittels einer Bordiffusion angcbrach werden, wonach die Struktur nach F i g. 2 erhalten ist Auch können die letzteren Zonen erwünschtcnfall:
Ji gleichzeitig mit den Oberflächenzonen 9 in einen Galliumdiffusionsschritt angebracht werden, wenn /u nächst in die Schichten 19 und 21 die dazi erforderlichen Öffnungen geätzt werden.
Das hier beschriebene Verfahren ist nur als eir
J'i Beispiel gegeben und das beschriebene llalbleiterbau element kann ebenfalls vorteilhaft durch verschiedene andere Techniken hergestellt werden (siehe z. B. dit DE-OS 21 33 978).
In den Inseln 4 können naturgemäß außer den
ti Transistor und der Diode, die in den beschriebener Beispielen genannt sind, auch andere Halbleiterschal tungselemente. wie Widerstände, PNPN-Elcmente usw. angebracht werden. Auch können eines oder mehren dieser Elemente sich völlig oder teilweise statt in einen
"in inselförmigen Gebiet, in Form von leitenden Schichten z. B. Metallschichten, auf dem inselförmigen Gc1 iet t oder auf der Oxidschicht 13 befinden. Weiter ist es nich erforderlich, daß das Gebeit. das durch die vergrabene Schicht 5 und die Oberflächenzonen 9 gebildet wird
">") einen Teil des erwähnten Schaltungselements bildet obgleich dies zur Erzielung einer Raumersparunj besonders wünschenswert ist.
Die Dotierung der verschiedenen Zonen kann aucl· auf andere Weise als durch Diffusion, z. B. durcl·
w Ionenimplantation geschehen, auch kann als Diffusions quelle eine dotierte Oxidschicht verwendet werden. Sc kann die vergrabene Schicht 5, wie bereits erwähn wurde, erwünschtenfalls auch durch Ionenimplantation oder epitaktisch angebracht werden. Insbesondere können statt Silicium auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden, die ein brauchbares Oxidrnustei bilden können; als Beispiel sei Siliciumcarbid erwähnt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einer epitaktischen Schicht von einem ersten Leitungstyp, die auf einem Halbleitersubstrat des gleichen Leitungstyps erzeugt ist, wobei die epitaktische Schicht mindestens ein an eine Oberfläche des Körpers grenzendes inselförmiges Gebiet vom ersten Leitungstyp aufweist, das wenigstens einen Teil von mindestens einem Halbleiterschaltungselement enthält, sich unterhalb dieser Insel zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht eine vergrabene Schicht von einem zweiten Leitungstyp ersteckt und sich an die vergrabene Schicht eine gleichfalls an die erwähnte Oberfläche grenzende Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp derart anschließt, daß die vergrabene Schicht und die Oberflächenzone ein zusammenhängendes Gebiet vom zweiten Leitungstyp bilden, das innerhalb des Halbleiterkörpers die Insel praktisch völlig umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß eier Halbleiterkörper (1) mit einem mindestens zum Teil in den Halbleiterkörper versenkten Siliciumoxidmuster versehen ist, wobei der versenkte Teil (8) an die Oberflächenzone (9) vom zweiten Leitungstyp angrenzt und diese ringförmig umschließt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem inselförmigen Gebiet (4) vom ersten Leitungstyp mindestens eine an die Oberfläche grenzende Zone (7, 17) vom zweiten Leitungstyp angebracht ist. die völlig von dem inselförm.^en Gebiet umgeben ist.
3. Halbleiterbauelement nac1' Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammenhängende Gebiet vom zweiten Lekungsr ρ (5, 9) einen Teil des Halbleiterschaltungselements (7,4,5) bildet.
4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (7) vom zweiten Leitungstyp, das inselförmige Gebiet (4) vom ersten Leitungstyp und die vergrabene Schicht (5) vom zweiten Leitungstyp einen Transistor (7,4,5) bilden.
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