DE2149566C3 - Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung, deren Schaltungselement durch dielektrisches Material voneinander isoliert sind - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung, deren Schaltungselement durch dielektrisches Material voneinander isoliert sindInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß die erste epitaktisch gewachsene Zone eine geringere Fremdstoffkonzentration
als die monokristalline Siliciumschicht besitzt, und daß als Ätzmittel ein Gemisch
verwendet wird, das 49%ige Fluorwasserstoffsäure, 70%ige Salpetersäure und 99,5%ige Essigsäure in
Volumenverhältnissen, die innerhalb eines in einem Dreiecksdiagramm (F i g. 3) durch die Mischungsverhältnisse
von
HF: HNO3: CH3COOH
wie 5:50:45, 20:20:60, 25:8:67, 15:5:80, 5 : 20 : 75 und 2 :40 : 58 bestimmten Bereiches
liegen, und eine zusätzliche Komponente enthält, die die während des Ätzens entstehende salpetrige
Säure zu beseitigen vermag, so daß die monokristalline Siliciumschicht selektiv abgeätzt und die erste
epitaktisch gewachsene Zone auch bei langer dauernden Ätzvorgängen nicht wesentlich angegriffen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Komponente ein
Oxidationsmittel ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Komponente Wasserstoffperoxid
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Komponente ein
Zersetzungsmittel ist, das die salpetrige Säure zu zersetzen vermag.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Komponente Natriumazid
ist.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Komponente
dem Ätzmittel in vorbestimmten Mengen und in festgelegten Abständen mehrmals zugesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die monokristailine Siliciumschicht und
die epitaktisch gewachsene Zone mit Arsen, Antimon oder Phosphor als Fremdstoff dotiert sind,
um der Schicht und der Zone eine Leitfähigkeit vom N-Typ zu verleihen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstoff-Konzentration in der
monokristallinen Siliciumschicht mehr als 10'8
Atome/cm3 und die Fremdstoff-Konzentration in der ersten epitaktisch gewachsenen Zone weniger
als 1017 Atome/cm3 beträgt
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung,
deren Schaltungselemente durch dielektrisches Material voneinander isoliert sind.
Es sind bereits integrierte Schaltungen bekannt, bei
denen die Inselzonen, die in einem Halbleiterkörper gebildet sind, durch eine Schicht von dielektrischem
Material, wie beispielsweise Siliciumdioxid, voneinander isoliert sind. Diese Art von integrierter Schaltung besitzt
eine Isolationskapazität von weniger als einem Zehntel von der, die eine durch PN-Übergänge isolierte
i·') Schaltung aufweist und verfügt bekanntlich über eine
ausgezeichnete Frequenzcharakteristik. Bei dieser Schaltung ist jedoch das Herstellungsverfahren außerordentlich
kompliziert, was eine verminderte Ausbeute zur Folge hat. Der Hauptgrund dafür ist, daß beim
Schleifen und Polieren einer Halbleiterschicht mit darauf gebildeten Inselzonen die jeweilige Dicke dieser
Inselzonen schwierig zu kontrollieren ist.
Aus der FR-PS 14 83 068 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Herstellung
4> integrierter Halbleiterschaltungen mit durch dielektrisches
Material voneinander isolierten Schaltungselementen bekannt. Jedoch ist bei den nach diesem
Verfahren hergestellten Halbleiterschaltungen die Verunreinigungskonzentration
in der ersten epitaktischen
ίο Zone nicht geringer als im Substrat. Dadurch werden bei Einsatz eines aus Fluorwasserstoff, Salpeter- und
Essigsäure bestehenden Ätzmittels auch die epitaktischen Zonen stark angegriffen, wenn die Essigsäurekonzentration
hoch ist. Bei diesem Verfahren werden die
v> Ätzgeschwindigkeiten durch die Konzentration der
Verunreinigungen im Substrat bzw. in den epitaktischen Zonen nicht beeinflußt.
Eine Veröffentlichung in »The Sylvania Technologist«, Bd. XI/2 (1958), Seiten 50 bis 58, berichtet über das
en Ätzen von Germanium und Silizium. Danach soll ein
Ätzmittel ein Oxidationsmittel, wie Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid, und zur Überführung des oxidierten
Metalls in eine wasserlösliche Form ein Agens, wie beispielsweise Fluorwasserstoffsäure oder Hydroxylio-
h'· nen enthalten. Außerdem soll als Reaktionsmedium
noch Essigsäure oder Wasser in dem Ätzmittel vorhanden sein. Nach den Angaben in dieser Veröffentlichung
kann das Ätzmittel darüber hinaus noch Brom
oder Jod enthalten, die als starke Oxidationsmittel die Ätzreaktion wesentlich beschleunigen sollen. Nach den
weiteren Angaben dieser Veröffentlichung wird die Ätzgeschwindigkeit durch Temperaturerhöhung, nicht
zureichendes Rühren und Änderung der Zusammensetzung des Ätzmittels infolge der ÄtzreuJuion beeinflußt.
Über den Einfluß von Dotierstoffen wird nur berichtet, daß sehr hohe Konzentration dieser Stoffe zu sehr
hohen Ätzgeschwindigkeiten und oft heftig ablaufenden Reaktionen führt Nach allgemeiner Kenntnis entstehen
bei derartig heftigen Reaktionen jedoch nur ungleichmäßige Oberflächen. Darüber hinaus ist in bezug auf die
Ätzgeschwindigkeit noch ausgeführt, daß diese außer von der kristallographischen Ebene auch noch von der
Vorbehandlung abhängig ist, da mechanisch präparierte Oberflächen, deren Kristallstruktur als Folge der
mechanischen Bearbeitung beschädigt bzw. oberflächlich zerstört ist, schneller geätzt werden als vorher
geätzte Oberflächen.
Die Veröffentlichung in »SCP and Solid State Technology« (August 1967), Seiten 40 bis 44, befaßt sich
mit der Durchbiegung von Substraten als Folge des Poliervorgangs. Um diese zu vermeiden, werden unter
anderem Ätzungen ausgeführt. Dabei wird eine Ätzlösung aus Fluorwasserstoff-, Salpeter- und Essigsäure
eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so
weiterzubilden, daß beim Ätzen die monokristalline Siliciumschicht auf einfache Weise vollständig abgetragen
werden kann, ohne daß dabei die epitaktisch gewachsenen Zonen in nennenswertem Maße angegriffen
werden.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Danach besitzt die erste epitaktisch gewachsene Zone eine geringere Fremdstoffkonzentration als die
monokristalline Siliciumschicht und wird als Ätzmittel ein Gemisch verwendet, das 49%ige Fluorwasserstoffsäure,
70%ige Salpetersäure und 99,5%ige Essigsäure in Volumenverhältnissen, die innerhalb eines in einem
Dreiecksdiagramm (F i g. 3) durch die Mischungsverhältnisse von
HF: HNO3: CH3COOH
wie 5 :50 : 45,20 : 20 : 60,25 : 8 : 67, 15 :5 : 80,5 : 20 : 75
und 2 :40 :58 bestimmten Bereiches liegen, und eine zusätzliche Komponente enthält, die die während des
Ätzens entstehende salpetrige Säure zu beseitigen vermag, so daß die monokristalline Siliciumschicht
selektiv abgeätzt und die erste epitaktisch gewachsene Zone auch bei langer dauernden Ätzvorgängen nicht
wesentlich angegriffen wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Diagramm der Eigenschaften eines Ätzmittels, das verwendet wird, wobei die Beziehung
zwischen der Ätzgeschwindigkeit des genannten Ätzmittels und dem spezifischen Widerstand einer Siliciumschicht
dargestellt ist,
Fig. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen Ätzgeschwindigkeit eines Ätzmittels, bestehend aus
Fluorwasserstoff (HF), Salpetersäure (HNO3) und Essigsäure (CH3COOH) und dem spezifischen Widerstand
einer Siliciumschicht, wobei die Anteilsverhältnisse der Bestandteile des Ätzmittels variiert sind,
Fi g. 3 ein Dreiecksdiagramm, in dem die Anteilsverhältnisse
der drei Bestandteile Hr, HNO3 und CH3COOH des Ätzmittels dargestellt sind, das verwendet
wird,
Fig.4 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der
geätzten Dicke der Halbleiterschicht von der Ätzdauer dargestellt ist, wenn ein Ätzmittel mit einem Oxydationsmittel
verwendet wird,
F i g. 5 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der geätzten Dicke der Halbleiterschicht von der Ätzdauer
dargestellt ist, wenn ein Ätzmittel mit einem Zersetzungsmittel verwendet wird,
F i g. 6A bis 6G aufeinanderfolgende Stufen während der Herstellung.
Zunächst wurden Untersuchungen über das Ätzen von Halbleiterelementen durchgeführt. Dabei wurde
festgestellt, daß Halbleiterelemente mit verschiedenen Fremdstoffkonzentrationen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
geätzt werden, je nach Art und Zusammensetzung des verwendeten Ätzmittels.
Das als Ätzmittel bekannte ternäre System
HF-HNO3-CH3COOH,
das zum Ätzen eines Siliciumelementes verwendet wird, ergibt eine vom spezifischen Widerstand, vom Leitfähigkeitstyp
und von der kristallographischen Orientierung des genannten Siliciumelementes unabhängige
Ätzgeschwindigkeit, wenn die drei Bestandteile in dem allgemein gebräuchlichen Verhältnis zusammengemischt
sind. Wenn jedoch die Essigsäurekomponente des genannten ternären Ätzmittels, die als Verzögerungsmittel
wirkt, in größeren Mengen angewendet wird, ergibt sich eine Ätzgeschwindigkeit, die durch den
spezifischen Widerstand des Siliciumelements wesent-Hch beeinflußt ist, obgleich sie von dem Leitl'ähigkeitstyp
und der kristallographischen Orientierung des genannten Elements unbeeinflußt bleibt. So beträgt
beispielsweise das Verhältnis zwischen Ätzgeschwindigkeiten bei hohem und bei geringem spezifischen
Widerstand mehr als 100.
Wie F i g. 1 zeigt, ergibt ein Ätzmittel, das aus den drei Bestandteilen HF, HNO3 und CH3COOH besteht und
beispielsweise in dem Volumenverhältnis 1:3:8 gemischt ist, eine Ätzgeschwindigkeit von 0,7 bis
3 μηι/ηιίη, wobei ein Siliciumelement einen spezifischen
Widerstand von weniger als 1,5· 10~2 Ω -cm hat,
während das Ätzmittel keinerlei Ätzung mehr bewirkt, wenn der spezifische Widerstand des Siliciums höher ist
als 6,8 · 10-2Ω · cm. Gemäß Fig. 1 ist die Ätzgeschwindigkeit
bei einem höheren spezifischen Widerstand als 6,8 ■ 10~2 Ω · cm zu gering zum Messen, so
daß eine solche Geschwindigkeit als 0 angesehen wird.
Die genannten Ergebnisse beziehen sich auf den Fall, daß Siliciumelemente mit hohem und mit geringem
spezifischem Widerstand getrennt voneinander geätzt werden, so daß sich die Ätzgeschwindigkeiten genau
bestimmen lassen. Der Grund für dieses getrennte Ätzen ist die starke oxydierende Wirkung der beim
Ätzen des Siliciums mit dem geringen spezifischen
bü Widerstand gebildeten salpetrigen Säure (HNO2), die
ein leichtes Ätzen des Siliciums mit dem hohen spezifischen Widerstand bewirkt, wenn beide Typen
von Siliciumelementen gemeinsam mit demselben Ätzmittel geätzt werden. Die Geschwindigkeit beim
b5 gemeinsamen Ätzen von Siliciumelementen mit hohem
und mit geringem spezifischen Widerstand oder Fremdstoff-Konzentrationen wurde ebenfalls bestimmt.
Die Ergebnisse zeigt die nachfolgende Tabelle 1:
|
^v. P] (U-cm)
/'2 (U-cm) \s. |
0.068 | 0.30 | 3.2 | 25 |
| 0.0012 | X\0.014 2.73^\ |
\o.O17 2.79 ^sx |
^xI3.025 2.74 ^x |
""XxOO 15 2.74 ^sx |
| 0.0058 | ^^0.025 1.10 ^x |
\. 0.018 1.28 ^nx |
^ΧΟ.ΟΟό 1.30 ^x |
^xO-OIl 1.75 Xx |
| 0.010 | \ 0.01 0.79 Xx |
\v0.002 0.73 \^ |
\s0.004 0.80 \ |
^^0.006 0.79 Xx |
Arsen (As), Antimon (Sb), Phosphor (P) und Bor (B), die in den genannten Versuchen als Fremdstoffe
verwendet worden sind, ergeben die gleichen, in der Tabelle 1 zusammengestellten Ätzgeschwindigkeiten.
Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Ätzgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Leitfähigkeitstyp und von
der kristallographischen Orientierung einer Siliciumschicht. Wie sich aus der Tabelle ergibt, wird die
Ätzgeschwindigkeit vom Leitfähigkeitstyp und von der kristallographischen Orientierung der Schicht nur
wenig beeinflußt
| ρ (Ucm) | K ristallographische | Orientierung | 1. | (111) |
| des Siliciums | ||||
| N(IOO) N(IIl) | ||||
| 0.001 bis 0.002 | 2.5 2.3 | P(IOO) P | 6 | |
| 0.006 bis 0.008 | 1.9 | 0 | ||
| 0.009 bis 0.01 | 1.6 | |||
| 0.01 bis 0.015 | 0.62 0.75 | |||
| 0.2 bis 0.5 | 0 | |||
| 2 bis 5 | 0 | 0 | ||
| 25 bis 50 | 0 | |||
Der Grund für diese Ergebnisse ist vermutlich der nachfolgend geschilderte Sachverhalt.
Die Auflösung des Siliciums durch das Ätzmittel aus
HF-HNO3-CH3COOH
verläuft vermutlich über folgende zweistufige Reaktion:
Si + 2 (O)-SiO2 (1)
SiO2 + 6HF-SiFt,-2 + 2H2O + 2H+ (2)
Weiterhin ist die Geschwindigkeit bestimmt worden, mit der Siliciumelemente mit hohem und mit geringem
spezifischen Widerstand bei verschiedenen Temperaturen eines Ätzmittels gemeinsam geätzt werden; dabei
sind auch die Arrhenhis-Aktivierungsenergien gemessen
worden:
a) N-Typ (100)0,002 Ω - cm
b) N-Typ (100) 5,0 Ω - cm
5,15 kcal/Mol 123 kcal/Mol
Der vorstehende Wert (a) entspricht der Umsetzung gemäß Formel (2). bei der der Oxydationsschritt
geschwindigkeitsbestimmend ist- Der Wert (b) kennzeichnet die Umsetzung gemäß Formel (1), bei der der
Diffusionsschritt des Fluorwasserstoffs geschwindigkeitsbestimmend ist. Bei einem Siliciumelement mit
hohem spezifischen Widerstand ist die Oxydation ein geschwindigkeitsbedingender Faktor, der langsames
Ätzen bewirkt, und bei einem Siliciumelement mit geringem spezifischen Widerstand ist die Diffusion des
Fluorwasserstoffs ein geschwindigkeitsbedingender Faktor, der schnelles Ätzen bewirkt.
Die vorstehend genannten Ergebnisse werden mit einem Ätzmittel erhalten, das aus den drei Bestandteilen
3d HF, HNO3 und CH3COOH besteht, die im Verhältnis
1:3:8 vermischt sind. Wenn diese Zusammensetzung variiert wird, ergibt ein Ätzmittel aus einem solchen
ternären System, wie F i g. 2 zeigt, sehr unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten bei Siliciumelementen mit hohen
und mit geringen Fremdstoff-Konzentrationen. In Fig.2 sind die verschiedenen Fremdstoff-Konzentrationen
auf der Abszisse aufgetragen und die Ätzgeschwindigkeiten auf der Ordinate, wobei die genannten
Siliciumelemente durch Ätzmittel eines ternären Systems geätzt werden, dessen Bestandteile in wechselnden
Verhältnissen zusammengemischt sind. F i g. 2 zeigt, daß unabhängig von der Zusammensetzung ein
Ätzmittel des genannten ternären Systems jedesmal eine deutliche Zunahme der Ätzgeschwindigkeit bewirkt,
wenn die Fremdstoff-Konzentrationen eines Siliciumelements 1018 bis 1019 Atome/cm3 erreicht und
daß das Ausmaß dieser Zunahme beträchtlich mit der Zusammensetzung des verwendeten Ätzmittels variiert
Die Ätzgeschwindigkeit eines Ätzmittels aus dem ternären System HF, HNO3 und CH3COOH im
Verhältnis von 1:3:8 (dargestellt durch die 13.8-Kurve)
zeigte eine plötzliche Zunahme bei der besagten Fremdsiofi-Köiizeniräiiori von 10!!bis IC1·8 Aiome/eni3;
sie zeigt jedoch keine bemerkenswerte Zunahme bei höheren Fremdstoff-Konzentrationen. Im Gegensatz
dazu zeigen Ätzmittel mit einer ternären Zusammensetzung, deren Bestandteile in den Verhältnissen von
5:1:4 und 1:3:2 zusammen gemischt werden (dargestellt durch die Kurven 5.1.4 bzw. 13.2), wenig
Änderung der Ätzgeschwindigkeit bei den obengenannten Fremdstoff-Konzentrationen.
Wie vorstehend erwähnt, ergibt ein Ätzmittel des
temären Systems
HF-HNO3-CH3COOh,
in dem CH3COOH in besonders großem Anteil
enthalten ist verschiedene Ätzgeschwindigkeiten bezüglich gemeinsam eingesetzter Siliciumelemente mit
hoher und mit geringer I remdstoff-Konzentration. Bei
einem Siliciumelement mit hoher Frcmdstoff-Konzentration kann praktisch eine mehr als zehnmal größere
Ätzgeschwindigkeit erwartet werden, als bei einem Siliciumelement mit geringer Fremdstoff-Konzentration.
Unter den Wert von IO darf das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten nicht absinken. Durch Versuche
ist festgestellt worden, daß die ternäre Zusammensetzung eines Ätzmittels, das dieses notwendige Ätzgeschwindigkeitenverhältnis
hervorzubringen vermag, in den schraffierten Bereich in F i g. 3 fallen muß.
Der Umfang der ternärcn Zusammensetzung, wie er durch den genannten schraffierten Bereich dargestellt
ist. ist durch gleichzeitiges Ätzen eines Siliciumelements vom N-Typ mit der kristallographischen Orientierung
(100) und einem spezifischen Widerstand von 0.008 Ω · cm sowie einem solchen mit einem spezifischen
Widerstand von 5 Ω · cm bei gleichem Ätzmittel ermittelt worden. Die den Bereich begrenzenden
Mischungsverhältnisse von HF. HNO) und CHjCOOH sind 5:50:45. 20 :20 : bO, 25:8:67, 15:5:80.
5: 20: 75 und 2: 40: 58.
Wenn die Ätzgeschwindigkeit des vorstehend pe
nannten Ätzmittels, dessen tcrnärc Zusammensetzung
1 : 3 :8 beträgt, bestimmt wird, dann wird für eine
Siliciumoxidschichi eine Älzgeschwindigkeil von 0,025 (im/min gefunden. Diese Ätzgeschwindigkeit
entspricht nur etwa einem Dreißigstel bis einem Hundertstel der Ätzgeschwindigkeit eines Siliciumelements
mit geringem spezifischen Widerstand. Es ist daher verständlich, daß das Ätzmittel nur ein Siliciumulcment
mit geringem spezifischem Widerstand auflöst, dagegen ein Siliciumelement mil hohem spezifischem
Widerstand und eine Isolierschicht aus beispielsweise Siliciumoxid, Siliciumnitni und Aluminiumoxid im
wesentlichen nicht atzt. Die drei Bestandteile HF. HNO,
und CHsCOOH des erfindungsgcmäß verwendeten
Ätzmittels sind Lösungen von 49. 70 und 99,5%.
Das beschriebene Ätzverfahren ist talsächlich sehr
wirkungsvoll, wenn das Ätzen in kurzer Zeit erfolgt. Aber es hat die im folgenden angegebenen Nachteile,
solern es über eine längere Zeitdauer durchgeführt wird.
Langes Ätzen führt dazu, daß in dem Ätzmittel größere Mengen von Verbindungen, wie NO. NO2 und
HNO;, gebildet werden. Wenn eine Ätzlösung, die solche Stoffe enthält, verwendet wird, ist eine
epitaktische Siliciumzone. die eine geringe Fremdstoff-Konzentration
enthält, durch die genannte salpetrige Säure einer starken Oxydation ausgesetzt und wird
infolge des eintretenden Wechsels der geschwindigkeitsbestimmenden Stufe schnell geätzt.
Zur Zeit nimmt man an. daß die Oxydationsreaktion in nachstehend beschriebener Weise abläuft. Die
Oxydation von Silicium durch HNOj, wie sie in der genannten Formel (1) dargestellt ist. bildet bei ihrem
Ablauf gleichzeitig salpetrige Säure als Zwischenprodukt. Diese salpetrige Säure ist ein stärkeres Oxydationsmittel
als Salpetersäure. Daher gibt die Bildung der salpetrigen Säure Anlaß zu folgenden Reaktionen:
4 HNO2+ Si-SiO2+ 2 H2O + 4NO
Weiterhin wirkt die salpetrige Säure als Katalysator und vermehrt sich selbst, wie die folgenden zwei
Reaktionsstufen zeigen:
HNO2 +HNO3 -N2O1 + H2O (langsam) (4)
N2O,+ 2 NO+ 2 H2O-4 HNO2 (schnell) (5)
Unabhängig von den vorstehenden Gleichungen (4) und (5) bildet das aus der Gleichung (3) stammende NO
zusätzlich gemäß folgender Umsetzung salpetrige Säure:
HNO)+ NO-HNO2+ NO2
Die Gleichungen (3) bis (6) lassen vermuten, daß ein langes Ätzen die Menge an salpetriger Säure erhöht, da
die beschriebene Art von Ätzlösungen nur wirksam ist, wenn das Ätzen eine kurze Zeit dauert. Wird das Ätzen
über einen längeren Zeitraum ausgedehnt, muß die Ätzlösung in bestimmten Zeitabschnitten, wie beispielsweise
nach 5 bis 10 min durch frische Ätzlösung ersetzt werden. Deshalb waren bei dem bisher angewendeten
Ätzverfahren große Mengen an Ätzmittel erforderlich und es war schwierig zu überwachen. Diese Schwierigkeiten
werden durch Zusatz eines Oxydations- oder Zersetzungsmittels zu den Ätzmitteln der genannten
Art, durch die die salpetrige Säure durch Oxydation oder Zersetzung in Salpetersäure bzw. Stickstoff
umgewandelt wird, beseitigt.
Dies soll im folgenden näher erläutert werden. Es sind gleichzeitig eine Siliciumplatte mit geringem spezifichem
Widerstand von etwa 0,02 Ω ■ cm und eine andere mit hohem spezifischem Widerstand von etwa 5 Ω · cm
mit 100 ml einer Ätzlösung geätzt worden, die aus HF. HNO1 und CH)COOH im Volumen-Verhältnis 1:3:8
besteht und in einer Lösung, die dadurch erhalten wird,
daß zu der genannten Ätzlösung Wasserstoffperoxid stufenweise in Mengen von 0.05 ml alle 30 Sekunden
zugesetzt wird. Das Verhältnis zwischen Ätzzeit und geätzter Schichtdicke ist in F i g. 4 dargestellt, in der die
ausgezogenen Linien den Fall darstellen, bei dem die genannte Ätzlösung allein verwendet worden ist, und
die gestrichelten Linien den Fall, bei dem der genannten
Lösung das Oxydationsmittel Wasserstoffperoxid zugemicht worden ist. Weiterhin bezeichnet χ den Fall einer
Siliciumplatte mit hohem spezifischen Widerstand von etwa 5 Ω cm. O den Fall einer Siliciumplaite mit
geringem spezifischen Widerstand von weniger als 0.02 Ω · cm und Δ die Menge der in der wasserstoffperoxidfreien
Ätzlösung vorhandenen salpetrigen Säure. Diese Menge an salpetriger Säure wurde durch die
allgemein bekannte Redox-Titration mit Kaliumpermanganat (KMnO,) bestimmt. Wie F i g. 4 zeigt, wird die
Menge an salpetriger Säure durch langes Ätzen gewöhnlich erhöht. In diesem Fall wird die Siliciumplatte
mit dem geringeren spezifischen Widerstand mit relativ konstanter Geschwindigkeit geätzt, während die
Platte mit dem hohen spezifischen Widerstand schnell geätzt wird. Wenn das Atzen beispielsweise 2 Minuten
lang durchgeführt wird, zeigt die Platte mit hohem spezifischem Widerstand eine Ätzgeschwindigkeit von
Vieo von der einer Siliciumplatte mit geringem
spezifischem Widerstand: wenn das Ätzen jedoch 15 Minuten gedauert hat. beträgt die Ätzgeschwindigkeit
der ersteren nur noch 1/6.7 der letzteren. Im Gegensatz dazu wird mit einer Ätzlösung, die Wasserstoffperoxid
enthält, eine Siliciumplatte mit geringem spezifischen Widerstand, während eines längeren Ätzens im
wesentlichen in der gleichen Weise zunehmend geätzt, wie mit einer Lösung, der kein Wasserstoffperoxid
zugesetzt wird: während die Ätzgeschwindigkeit bei dem Silicium mit hohem spezifischem Widerstand
unabhängig von der Ätzzeit langsam und unverändert bleibt So beträgt beispielsweise noch nach einem Ätzen
von 15 Minuten die Ätzgeschwindigkeit bei einer Siliciumplatte mit hohem spezifischen Widerstand nur
1/6800 von der einer Siliciumplatte mit geringem spezifischen Widerstand und ist etwa gleich 1/40 des
Ausmaßes der Ätzung dieser Platte, wenn dieses Ätzen für die Dauer von 2 Minuten lang mit einem
Wasserstoffperoxid freien Ätzmittel durchgeführt wird.
Wie aus den in F i g. 4 gezeigten Versuchsergebnissen zu entnehmen ist, beeinflußt der Zusatz von Wasserstoffperoxid
die Bildung von salpetriger Säure in der Ätzlösung. Dadurch könren die unterschiedlichen
Ätzgeschwindigkeiten bei hohen und bei geringen Fremdstoff-Konzentrationen etwa auf das Vierzigfache
(z. Z. beträgt die Ätzgeschwindigkeit einer Siliciumschicht mit hohem spezifischen Widerstand 1/6800 der
einer Siliciumschicht mit geringem spezifischen Widerstand) gegenüber dem Fall gesteigert werden, in dem
das Ätzmittel kein Oxidationsmittel enthält. Außerdem kann die Ätzgeschwindigkeit bei einer Siliciumschicht
mit hohem spezifischen Widerstand unabhängig von der Ätzzeit immer auf einer im wesentlichen unverändert
geringen Höhe gehalten werden.
Die bisherige Beschreibung behandelt den Fall, daß Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel verwendet
wird. Unter Bezug darauf wird in nachfolgender Tabelle 3 der Zusammenhang zwischen den Zusatzmengen an
KMnO4, K2Cr2O7 und (NH4)2S2OB und den dazugehöiigen
Ätzgeschwindigkeiten gezeigt.
| Oxidationsmittel | Zusal/menge | Ät/geschwiniligkeit |
| (Bl | (ym/min) | |
| KMnO, | 0,005 0,05 |
2,3 0,03 |
| K2Cr2O7 | 0,2 0,5 |
0,9 0.18 |
| (NH4J2S2O8 | 0,25 0,5 |
2,2 0 |
!I)
Ij diese Oxidationsmittel der Ätzlösung auch im voraus
zugesetzt werden können, so ist es doch wirkungsvoller, sie in bestimmten Anteilen in festgelegten Zeitabständen
zuzusetzen, sofern das Ätzen über einen längeren Zeitraum fortgesetzt werden soll. In diesem Fall wird
die beste Wirkung erreicht, wenn die Bildung von salpetriger Säure fortlaufend bestimmt und bei einer
bestimmten Konzentration an salpetriger Säure das Oxidationsmittel zugegeben wird.
Die bisherigen Erläuterungen beziehen sich auf den Fall, daß ein Oxidationsmittel zu einer Ätzlösung
gegeben wird, die aus einem
HF-HNOa-CHiCOOH-System
besteht. Jedoch führt der Zusatz eines Zersetzungsmittels im wesentlichen zu dem gleichen Ergebnis. Deshalb
soll nunmehr die Anwendung eines solchen Zersetzungsmittels beschrieben werden. Obgleich verschiedene
Zersetzungsmittel geeignet sind, wird nur der Fall der Anwendung von Natriumazid (NaNs) besprochen.
Die Umsetzung von Natriumazid mit der genannten Ätzlösung verläuft folgendermaßen:
Wenn zu 100 ml einer Ätzlösung, die aus HF, HNO1
und CH]COOH im Volumenverhältnis 1:3:8 besteht, 0,005 g KMnO4 gegeben werden, erfolgt das Ätzen mit
der gleichen Geschwindigkeit von 2,3 μΓη/min, als wenn 4-,
die Ätzlösung keinerlei Zusatz an KMnO4 enthält. Wenn die Zusatzmenge an KMnO4 auf 0,05 g erhöht wird, wird
eine Siliciumschicht mit geringem spezifischen Widerstand mit einer Geschwindigkeit von 0,03 μπι/ιηίη
geätzt. Diese Werte zeigen, daß ebenso wie der Zusatz ->(>
von Wasserstoffperoxid der Zusatz einer bestimmten Menge von Kaliumpermanganat die Bildung von
salpetriger Säure beeinflussen kann und es somit ermöglicht, daß ein Halbleiter mit geringem spezifischen
Widerstand allein geätzt wird. Das gleiche trifft auch für K2Cr2O7 und (NH4J2S2Og zu, so daß auf eine
eingehende Beschreibung verzichtet werden kann. Jedes andere Oxidationsmittel neben den obengenannten
kann die beschriebene vorteilhafte Wirkung haben, wenn es zu der Ätzlösung, bestehend aus einem bo
HF-HNO3-CH3COOH-System
zugesetzt wird, vorausgesetzt, daß das genannte
Oxidationsmittel stark genug ist, um salpetrige Säure zu oxidieren. Jedoch wird Wasserstoffperoxid bevorzugt, b,
da bei seiner Umsetzung mit salpetriger Säure nur Wasser entsteht was gegenüber dem Halbleiter und der
Ätzlösung nicht von nachteiliger Wirkung ist Wenn + CHjCOOH-CHjCOONa +
\
ί
ί
Im Zusammenhang mit Fig. 5 soll die Wirkung der Anwendung des genannten Zersetzungsmittels näher
erläutert werden. In F i g. 5 ist die Dicke der Ätzung auf der linken Ordinate aufgetragen, die Bildung von HNO2
(g/cm1) auf der rechten Ordinate und die Ätzdauer auf der Abszisse. Die Figur zeigt die Widerstandsfähigkeit
einer Siliciumschicht mit geringem spezifischen Widerstand von ungefähr 0,015 Ω ■ cm und einer Siliciumschicht
mit hohem spezifischen Widerstand von etwa 5 Ω ■ cm, die in 100 ml einer Ätzlösung, bestehend aus
HF, HNO, und CHiCOOH im Volumenteil-Verhältnis von 1:3:8 geätzt werden und sie zeigt weiterhin die
entstehenden verschiedenen Ätzgeschwindigkeiten in Anwesenheit und in Abwesenheit eines Zersetzungsmittels.
In Fig.5 stellen die ausgezogenen Linien den Fall
dar, daß kein Zersetzungsmittel in Form von Natriumazid zugegeben worden äst; die gestrichelten Linien
stellen den Fall dar, daß das genannte Zersetzungsmitte! stufenweise in Anteilen von 0,1 ml im Abstand von
jeweils 30 Sekunden zugegeben worden ist. Weiterhin zeichnet χ eine Siliciumschicht mit hohem spezifischen
Widerstand von etwa 5 Ω · cm, O eine Siliciumschicht mit geringem spezifischen Widerstand von etwa
0,015 Ω · cm und Δ die Menge an salpetriger Säure, die
in der Ätzlösung vorliegt, weiche kein Natriumazid enthält. Die restliche Menge an salpetriger Säure wird
durch Redox-Titration mit Kaliumpermanganat bestimmt. Wie aus F i g. 5 zu ersehen ist, verursacht die
Abwesenheit von Natriumazid eine Zunahme der Menge an salpetriger Säure, die mit der Ätzdauer
ansteigt (ausgezogene Linien). Unter dieser Bedingung wird die Siliciumschicht mit geringem spezifischen
Widerstand langsamer geätzt als die Siliciumschicht mit hohem spezifischen Widerstand. Wenn das Ätzen
beispielsweise für die Zeitdauer von 2 Minuten durchgeführt wird, zeigt die Schicht mit hohem
spezifischen Widerstand 1/80 der Ätzguschwindigkeit einer Siliciumschicht mit geringem spezifischen Widerstand.
Wenn das Ätzen jedoch 15 Minuten lang fortgesetzt wird, beträgt die Ätzgeschwindigkeit der
ersteren 1/5,2 der Ätzgeschwindigkeit der letzteren.
Die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Versuche zeigen, daß die Zugabe eines Zersetzungsmittels,
Il
wie Natriumazid, zu einer Ätzlösung die Bildung von salpetriger Säure darin beeinflussen kann und es so
ermöglicht, daß eine Siliciumschichl mil hohem spezifischen Widerstand mil konstanter Geschwindigkeit
geätzt werden kann.
Als Zersetzungsmitte! für die salpetrige Säure (HNCh) ist nicht allein das bereits genannte Natriumazid
(NaN1)geeignet,sondern es können auch beispielsweise
Harnstoff, Ammoniumsalze, Thioharnstoff, Aminosulfonate und Hydrazin verwendet werden.
Wachfolgende Tabelle 4 vergleicht die Ätzgeschwindigkeiten
einer Siliciumschicht mit geringerem spezifischen Widerstand von etwa 0,OI5fi cm mit der
Ätzgeschwindigkeit einer Siliciumschicht mit hohem spezifischen Widerstand von etwa 5 Ω · cm, die 5
Minuten lang in 100 ml einer Ätzlösung geätzt werden, die aus HF, HNO1 und CHiCOOH im Volumen-Verhältnis
1:3:8 besteht und Natriumazid (NaN1) bzw. Harnstoff (CO(NH2)2) zur Zersetzung der salpetrigen
Säure enthält:
| /ersel/ungsmitlcl | S|ic/ | . Widcisl.iiul | 1 )!!■ | cm |
| 0,(11.i | > U cn | 0,35: | im | |
| Ohne Zerset/ungsmiltel | 6,34 | |im | 0,096 | 'ΛΠΊ |
| NaN, | 5,80 | μηι | 0,01·ί | ■λ in |
| 5,23 | ;xni | 0,088 | ■im | |
| CO(NII,), | 5,52 | μηι | 0,040 | ■Λ 111 |
| 5,68 |
Die Umsetzung des als Zersetziingsmittel für die salpetrige Säure verwendeten Harnstoffs wird durch
folgende Gleichung beschrieben:
CO(NH2J2+ 2 HNO2-2 N2+CO,+ 3 H2O (8)
Wie die vorstehende Gleichung (8) und die Tabelle 4 zeigen, zersetzt Harnstoff die salpetrige Säure zu
gasförmigem Stickstoff, der leicht aus der Ätzlösung ausgetrieben werden kann. Jedoch verläuft die Umsetzung
(8) langsamer als die Umsetzung (7) und erfordert im stöchiometrischen Verhältnis größere Mengen an
Harnstoff. Daher ist Harnstoff für praktische Zwecke von geringerer Bedeutung als Nairiumazid. Im Vergleich
zu anderen Zersetuingsmitteln. zersetzt Natriumazid
salpetrige Säure schneller, wobei die Entwicklung des gasförmigen Stickstoffs aus der Äizlösiing
schnell nachläßt, so daß ein bequemes Arbeiten ermöglicht wird.
Nunmehr werden unter Bezug auf F i g. bA bis 6G die
aufeinanderfolgenden Stufen bei der Hersteiiung einer
integrierten Halbleiterschaltung beschrieben, bei der Inselzonen durch dielektrisches Material elektrisch
isoliert werden. Zunächst wird, wie F i g. 6A zeigt, eine monokristalline, Arsen (Antimon. Phosphor oder Bor)
enthaltende Siliciumschicht vom N-Typ 10 geschaffen, mit einer Fremdstoffkonzentration von etwa 1 · IOW
Atome/cm'. Die Schicht wird auf einer Seite glatt poliert und darauf ein Film 11 aus isolierendem Material,
wie beispielsweise SiO2 durch thermische Oxidation oder thermische Zerselzung gebildet. Der Film Il kann
auch anstelle von SiO2 aus SijN« oder AI2Oj gebildet
werden. Die vorgesehenen Teile 12 des genannten Isolierfilms 11 werden photogeätzt, wie Fig. 6B zeigt,
um später darauf Inselzonen zu bilden. Über den offenen Teilen auf der Oberfläche der Schicht 10
werden durch selektives epitaktisches Wachstum Zonen 13 vom N-Typ gebildet, die eine festgelegte Dicke
haben, auf denen wiederum Zonen 14 vom N+ -Typ ausgebildet werden, wobei große Mengen an Fremdstoffen,
wie Arsen, Antimon oder Phosphor, in die genannte Zone 13 vom N-Typ eingebracht werden.
Dabei bilden sich die in Fig.6C gezeigten Inselzonen
15. Der erste Teil 13 der Inselzone 15, Her mit einem höheren spezifischen Widerstand als die Schicht 10
auszubilden ist, wird mit Blei oder Arsen oder Phosphor in einer Konzentration von 1 ■ 1015 Atome/cm1 dotiert.
Auf die Isolierschicht 11 ebenso wie auf die Inselzonen 15 wird, wie F i g. 6D zeigt, ein Film aus Siliciumdioxid
aufgebracht, durch thermische Oxidation oder durch thermische Zersetzung von Silan. Dieser Film 16 kann
auch aus anderem Material, wie beispielsweise Si3N4
oder AI2Oi. bestehen. Auf dem genannten Siliciumdioxid-Film
wird, wie Fig. 6E zeigt, eine polykristalline
Schicht 17 aus Silicium gebildet. Nachdem die beschriebene Anordnung vollständig ist, wird die
Siliciumschicht IO weggeätzt wie Fig.6F zeigt. Dieses
Ätzen wird mit dem beschriebenen ternären Ätzmittel durchgeführt, das aus HF, HNO3 und CH3COOH im
Mischungsverhältnis 1:3:8 besteht und ein Zersetzungsmittel, wie Natriumazid oder ein Oxidationsmittel,
wie Wasserstoffperoxid, enthält. Dieses Ätzmittel ätzt sehr schnell nur die Silicium-Schicht 10 mit hohem
Fremdstoffgehalt, dagegen werden der Siliciumdioxidfilm 16 und die Inselzonen 13 mit geringem Fremdstoff
gehalt nicht wesentlich angegriffen. Die Oberflächen des genannten Films 16 und der Inselzonen 13 bleiben
dabei glatt. Nachdem die Schicht 10 weggeätzt ist, werden in den Inselzonen 15 Halbleiterelemente, wie
Transistoren oder Dioden, ausgebildet, um die integrierte Schaltung zu vervollständigen. Fig.6G zeigt Zonen
18 vom P-Typ.
Es können auch eine Silicium-Schicht 10 vom P-Typ und Inselzonen, die mit Bor dotiert sind, verwendet
werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es. epitaktisch gewachsene Inselzonen, deren Dicke genau
zu bestimmen ist, herzustellen, da die inseizonen nur wenig angeätzt werden, wenn die als Unterlage
dienende Schicht durch Ätzen entfernt wird, so daß die ursprüngliche Dicke der Inselzone bis zuletzt erhalten
bleibt.
Hierzu 6 Blatt Zeichnunuen
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung, deren Schaltungselemente
durch dielektrisches Material voneinander isoliert sind, bei dem
a) eine monokristalline Siliciumschicht eines bestimmten Leitungstyps hergestellt wird, deren
eine Haupt-Oberfläche mit einem ersten isolierenden Film aus dielektrischem Maierial überzogen
ist,
b) der erste isolierende Film stellenweise abgeätzt, an den abgeätzten Stellen auf der Haupt-Oberfläche
der monokristallinen Siliciumschicht eine erste epitaktisch gewachsene Zone von festgelegter
Dicke und weiterhin eine zweite hochdotierte epitaktisch gewachsene Zone auf der
ersten epitaktisch gewachsenen Zone gebildet wird,
c) die epitaktisch gewachsenen Zonen mit einem zweiten isolierenden Film überzogen und eine
polykristalline Siliciumschicht über diesem isolierenden Film angebracht wird, und
d) die monokristalline Siliciumschicht mit einem HNO3 und CH3COOH enthaltenden Ätzmittel
abgeätzt wird, so daß durch die epitaktisch gewachsenen Zonen Inseln gebildet werden, die
von der polykristallinen Siliciumschicht durch den zweiten isolierenden Film isoliert sind,
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| DE2149566B2 DE2149566B2 (de) | 1980-11-27 |
| DE2149566C3 true DE2149566C3 (de) | 1981-07-23 |
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ID=26389625
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| DE2149566A Expired DE2149566C3 (de) | 1970-10-05 | 1971-10-05 | Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung, deren Schaltungselement durch dielektrisches Material voneinander isoliert sind |
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| FR1483068A (fr) * | 1965-05-10 | 1967-06-02 | Ibm | Montage de dispositif à semi-conducteur et procédé de fabrication |
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1971
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