DE2302264A1 - Dicken-oxidierungsprozess zur verbesserung der metallablagerung und der stabilitaet von halbleitereinrichtungen - Google Patents

Dicken-oxidierungsprozess zur verbesserung der metallablagerung und der stabilitaet von halbleitereinrichtungen

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DE2302264A1 DE19732302264 DE2302264A DE2302264A1 DE 2302264 A1 DE2302264 A1 DE 2302264A1 DE 19732302264 DE19732302264 DE 19732302264 DE 2302264 A DE2302264 A DE 2302264A DE 2302264 A1 DE2302264 A1 DE 2302264A1
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Description

6. Jan. 1973
NORTH AMERICAN ROCKWELL CORP., 1700 East Imperial Highway, El Segundo, California 9024?
Dicken-Oxidierungsprozess zur Verbesserung der Metallablagerung und der Stabilität von Kalbleitereinrichtungen
Die Erfindung betrifft ein Dickeii-Oxidierurigsverfahron unter Verwendung einer Differential-A'tzraten-Technik, die ebenfalls eine verbesserte Passivierung für die dielektrischen Schichten und die Halbleiteroberfläche liefert, um ein verbessertes Metallablage rungs verfahr en zu schaffen und um die Stabilität der mittels dieses Verfahrens hergestellten Halbleitereinrichtungen zu verbessern.
Kurz gesagt besteht die Erfindung aus einem Verfahren, bei dem drei dielektrische Schichten verwendet werden, die jeweils eine etwas unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, urr. irit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geätzt zu werden. Wenn die dielektrischen Schichten geätzt werden, um das äarunterlie;genä.e Halbleitersubstrat freizulegen, werden infolgedessen die zusammengesetzten dielektrischen Schichten geneigt, d.h. in einem spitzen Winkel geätzt, urn co eine verbesserte Ablagerung des Metalles auf der geneigten Oberfläche der dielektrischen Schichten während des Verfahrens zur Bildung der Metallelektroden und der Leiter auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur zu ermöglichen. Die äusserste dielektrische Schicht enthält eine Unreinheit, so daß
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sie mit einer relativ schnelleren Geschwindigkeit geätzt wird, als die inneren zwei dielektrischen Schichten. Zusätzlich bildet die Unreinheit eine Passivierungsschicht zur Entfernung von Verunreinigungen von den darunterliegenden dielektrischen Schichten. Nachdem die dielektrischen Schichten geätzt wurden, um gewisse Substratgebiete freizulegen, wenn eine zusätzliche Passivierungsschicht auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur
wird
aufgebracht um zusätzliche Verunreinigungen aus der dielektrischen Schicht zu entfernen.
Infolge der zwei Passivierungsschichten, von der eine während des Differential-Ätz-Geschwindigkeits-Schrittes verwendet -wurde, wird eine Halbleitereinrichtung gebildet, die eine vergrößerte Stabilität aufweist. Die Halbleiterstruktur wird dann entsprechend bekannter Verfahren weiter verarbeitet, während dessen Metall über der Halbleiterstruktur abgelagert, maskiert und geätzt wird, um Kontakte, Elektroden und Leiter zu bilden, sowie es zum Aufbau der elektronischen Schaltung notwendig ist.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung der Ablagerung von Metall auf geätzten dielektrischen Oberflächen während eines elektronischen Schaltkreis-Herstellungs-Verfahrens zu verbessern.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung der Metallablagerung zu schaffen, die während, eines Herstellungsverfahrens für integrierte Schaltkreis? notwendig ist, und zur Verbesserung der Stabilität der Halbleitereinrichtungeii die den integrierten Schaltkreis aufbauen, indem ein Differentiai-Atz-Geschwindigkeitsverfahren und ein verbessertes Cberflächon-Pacsivierungsverfahren angewendet wird.
Ein noch weiteres Ziel dieser Erfindung iot dio Schaffung einer Oberflächen-Passivierungsschicht, bestehend aus einer Unreinheiten enthaltenden dielektrischen Schicht, die geätzt worden soll mit
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verhältnismäßig höherer Geschwindigkeit, als die darunterliegenden dielektrischen Schichten, und zur Entfernung der . darunterliegenden dielektrischen Schicht, um das Herstellungsverfahren für den integrierten Schaltkreis zu verbessern.
Im folgenden wird daher ein Verfahren geschildert, bei dem eine erste dielektrische Schicht thermisch auf einem Halbleiter-Substrat während eines Verfahrens zum Eindiffundieren von Unreinheiten in das Substrat aufgewachsen wird. Eine zweite dielektrische Schicht wird über der ersten dielektrischen Schicht aufgebracht, um die gewünschte Dicke zu erreichen. Eine relativ dünne dritte dielektrische Schicht, einschließlich Unreinheiten, wird über der zweiten dielektrischen Schicht abgelagert. Die Halbleiter-Struktur wird dann maskiert und geäzt. Die dritte dielektrische Schicht, die Unreinheiten enthält, wird schneller geätzt, als die zweite dielektrische Schicht, die etwas schneller geätzt wird, als die thermisch aufgewachsene dielektrische Schicht, Infolgedessen wird die dielektrische Schicht in einem Winkel abgeätzt, der geeignet lsi für eine Metallablagerung. Die Unreinheiten in der dritten dielektrischen Schicht wirken auch dahingehend,daß sie Verunreinigungen aus der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht entfernen, um eine Verunreinigung der darunterliegenden Halbleiteroberfläche zu verhindern. Eine vierte Unreinheiten enthaltende Schicht wird über der Oberfläche der Halbleiter-Struktur aufgebracht, um zusätzliche Verunreinigungen von der dielektrischen Schicht zu entfernen. Die Struktur wird entsprechend bekannter Verfahren verarbeitet, um Elektroden und Leiter aufzubringen, wie es notwendig ist, um einen Halbleiter-Schaltkreis zu bilden.
Weitere Vorteile und Anwendungsmcglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie cius der folgenden Beschreibung.
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Es zeigen: ■
Fig* 1a - Ii eine Halbleiter-Struktur, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, verarbeitet werden.
Fig. 1a illustriert einen Querschnitt eines Einkristall-Halbleitersubstrats, wie z.B. Silicium, mit N-Leitfähigkeit in einer planaren Orientierung von
111 . Das Substrat ist durch die Zahl 1 bezeichnet, Eine dielektrische Schicht 2 ist über der Oberfläche des Halbleiter-Substrats aufgebracht. Die Schicht 2 kann mittels thermischer Oxidation aufgewachsen sein.
Fig. 1b illustriert das Halbleiter-Substrat 1, nachdem die dielektrische Schicht 2 maskiert und geätzt wurde," um gewisse Oberflächen-Bereiche des Substrats freizulegen. Ein Ätzmittel, wie z.B. Fluor-Wasserstoff-Lösung, kann in bekannter V/eise verwendet werden.
Fig. 1c illustriert die Halbleiter-Struktur, nachdem die P-Regionen 3 und 4 im Substrat 1 gebildet wurden. Z.B. kann Bor auf den freigelegten Halbleiter-Oberflächen abgelagert werden. Nachfolgend wird die Struktur einem Ätzmittel ausgesetzt, um das überschüssige Bor zu entfernen, d.h. die Oberfläche wird entglast. Danach wird die Struktur einer ' Umgebung mit verhältnismäßig hoher Temperatur ausgesetzt, um das verbleibende Bor auf der Halbleiter-Struktur in das Substrat zu .treiben, um, wie es gezeigt ist, die P-Bereiche 3 und 4 zu bilden. Während dieses Eintreibeverfahrens wird die Oxidschicht über den diffundierten Bereichen wiederum aufgewachsen. Aus Bequerßlichkeitsgrunden wird die 309843/1U4
Oxidschicht durch die Nr. 2 identifiziert. Es sollte jedoch bedacht werden, daß ein Teil der Oxidschicht 2 λ^οη dem ursprünglichen Ätzen (Fig. 1b) verblieben ist, und daß ein Teil der dielektrischen Schicht während des Driver-Schrittes (Fig. 1c) erneut gebildet wurde.
Fig. 1d zeigt dielektrische Schichten 2,5 und 6, die auf der Oberfläche des Substrats 1 gebildet sind. Wie schon beschrieben wurde, wird die dielektrische Schicht 2 durch thermische Oxidation gebildet. Gewöhnlich wird die Dicke, z.B. ungefähr 8.000 S, durch die Tiefe bestimmt, bis zu der die Unreinheiten in das Halbleiter-Substrat eindiffundiert werden müssen. Eine thermisch gewachsene Schicht besitzt gewisse vorteilhafte Eigenschaften und wird im allgemeinen anstelle der ersten dielektrischen Schicht vorgezogen. Sie ist verhältnismäßig frei von Nadellöchern.
Eine zweite dielektrische Schicht 5 wird vorzugsweise gebildet, indem Silicium von einer Silan-Atmosphäre in einer Ablagerungskammer entsprechend bekannter Verfahren abgelagert wird. Die abgelagerte SiOp-Schicht ätzt sich mit etwas größerer Geschwindigkeit, als die thermisch aufgewachsene SiOp-Schicht. Die abgelagerte SiO2-Schicht besitzt ebenfalls eine Dicke von ungefähr 8.000 S. Die kombinierten Dicken der zwei dielektrischen Schichten wird als eine Funktion der Betriebseigenschaften der so gebildeten integrierten Schaltkreiseinrichtungen festgelegt. Mit anderen Worten, bei Beendigung des Verfahrens müssen die abgelagerten dielektrischen Schichten eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um eine nichtgewünschte Kapazität zwischen den Schaltkreisleitern und dem darunterliegenden Halbleiter-Substrat zu verhindern.
Eine dritte dielektrische Schicht 6 ist eine relativ dünne Schicht,
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z.B. ungefähr 1.000-S. Bei der vorzugsweisen Ausführungsform wird sie mittels chemischer Dampfablagerung in einer phosphorigen Umgebung gebildet, so daß die sich ergebende Schicht aus Silicium-Dioxid und phosphoriger Unreinheit besteht. Die phosphorige Unreinheit in der Silicium-Dioxid-Schicht verleiht der dritten dielektrischen Schicht die Eigenschaft eines verhältnismäßig schnellen Ätzens, zusätzlich zur Passivierung der Oberfläche. Mit anderen Worten, die phosphorigen Unreinheiten neutralisieren oder absorbieren Kontaminationen, wie z.B. Natrium, die sich in der darunterliegenden dielektrischen Schicht während des Bearbeitens der Halbleiter-Struktur gebildet haben mögen.
Zusätzlich, obwohl nicht gezeigt, wird die Struktur der Fig. 1c einer Umgebung mit verhältnismäßiger hoher Temperatur ausgesetzt, um die Moleküle der dielektrischen Schichten in einen kompakteren Zustand zu bringen. Bei der vorzugsweisen Aus f ührungs form besteht die Umgebung aus Dampf und Sauerstoff, die auf ungefähr 1.00O0C erhitzt sind. Dieser Schritt wird oft als Verdichtungsschritt bezeichnet. Die relativ kompakteren oder dichteren dielektrischen Schichten zeigen vorteilhaftere Ätzgeschwindigkeiten, wenn sie dem in Verbindung mit Fig. 1e beschriebenen Ätzschritt ausgesetzt werden.
Die Fig. 1 illustriert die Struktur des Halbleiters, nachdem er
derart
z.B./durch eine Fotoresist-Schicht maskiert wurde, daß die Gebiete der dielektrischen Schichten freiliegen, um diese durch geeignetes ■Ätzen zu entfernen. Die freigelegten Bereiche definieren die Elektroden-Kontaktgebiete.
Die maskierte Struktur wird einer Ätzlösung ausgesetzt, wie z.B. Fluor-Wasserstoff-Ätzmittel, das die dielektrischen Schichten mit unterschiedlicher Ätzgeschwindigkeit ätzt. Z.B. wird die dielektrische Schicht 6 schneller geätzt, als die abgelagerte dielektrische Schicht 5. Mit anderen Worten, die gedopte dielek-
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trische Schicht 6 wird mit einer größeren Geschwindigkeit geätzt, als die nichtgedopte dielektrische Schicht 5. In ähnlicher Weise wird die thermisch aufgewachsene dielektrische Schicht 2 langsamer geätzt, als die abgelagerte dielektrische Schicht 5. Aufgrund der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeit für die dielektrischen Schichten zeigen die geätzten dielektrischen Oberflächen einen Abfall oder eine Rampe. D.h., der Winkel θ"der die elektrische Schicht relativ zu der freiliegenden Oberfläche des Halbleiter-Substrats ist geringer als ein Winkel von 90°, d.h., die g^tzten dielektrischen Oberflächen bilden einen verhältnismäßig engen Winkel mit Bezug zu der Oberfläche des Substrats. Als ein Beispiel sollte die Neigung zwischen 10° und 70° relativ zu der Substrat-Oberflache betragen.
Es ist wohl bekannt, daß, wo die Winkel der dielektrischen Schicht relativ steil sind, z.B. 90° relativ zur Halbleiter-Oberfläche, das Metall, das während eines Verfahrensschrittes zur Bildung eines integrierten Schaltkreises abgelagert wird, die Neigung besitzt, sich ungleichmäßig abzulagern. Oft treten Brüche in dem abgelagerten Metall auf, oder es können Taschen gebildet werden, die Ätzmittel während eines nachfolgenden Ätzschrittes einschliessen. Wenn irgendwelche dieser Nachteile sich ergeben, kann es vorkommen, daß der integrierte Schaltkreis weggeworfen werden muß.
Wenn die Oberflächen jedoch mit einer Neigung gebildet werden können, wie z.B. mit einem Winkel von 45°, lagert'sich das Metall auf der Oberfläche gleichförmig ab und zeigt nicht die oben beschriebenen Nachteile. Das Verfahren, das dielektrische Schichten verwendet, die unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten haben, führt zux* Bildung von geneigten dielektrischen Oberflächen, die die oben im Zusammenhang mit verhältnismäßig steilen winkligen Oberflächen beschriebenen Nachteile nicht haben. Bei dem vorzugsweisen Verfahren wird, nachdem die dielektrischen Schichten geätzt wurden, die Struktur einem zusätzlichen Ätzön ausgesetzt,
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um wenige S des freiliegenden Substrats" zu entfernen. Der zusätzliche Ätzschritt beseitigt Kontaminationen, die in die Oberfläche während des Behandeins der Struktur absorbieri/sein mögen.
Fig. if illustriert die Struktur, nachdem eine Oxidschicht 8 über den Oberflächen des Halbleiter-Substrats 1 aufgewachsen wurde, das während des vorhergehenden Ätzschrittes freigelegt wurde. Die Oxidschicht über dem N-kanalbereich, Zahl 9» besitzt eine Dicke von ungefähr 1.000 Ä. Die verminderte Dicke der Gatter-Oxidschicht relativ zu der dickeren dielektrischen zusammengesetzten Schicht, die in der Fig. 1f mit der Zahl identifiziert ist, ermöglicht es der Gatter&ektrode, mittels der Oxidschicht 8 den Strom zu steuern, der durch den Kanalbereich 9 zwischen den P-Bereichen 3 und 4 hindurchfliesst.
Nachdem die Struktur der thermischen Oxidation ausgesetzt wurde, wird eine relativ dünne, z.B. 100 S dicke phosphorige Schicht über der Oberfläche der Halbleiterstruktur abgelagert, um Kontaminationen zu entfernen, die von der dielektrischen Schicht während der vorhergehenden Schritte absorbiert worden sein mögen. Die phosphorige Schicht ist durch die Zahl 11 identifiziert, Die phosphorige Schicht 11 plus der vorher abgelagerten und phosphorig gedopten Schicht 6 entfernt einen wesentlichen Anteil der Kontaminationen von der Struktur, um die Stabilität der Halbleitereinrichtung, die mittels dieses Verfahrens hergestellt wurde, zu verbessern. Mit anderen Worten, wenn ein Kontaminationsmittel, wie z.B. Natriumionen, sich in d.er dielektrischen Schicht ansammeln konnten, könnten höhere Gatterelektroden-Spannungen notwendig sein, um die Schwellwertspannung in der Halbleitereinrichtung zu übersteigen. Infolgedessen könnte der integrierte Schaltkreis, der diese Einrichtungen verwendeb, nicht zuverlässig arbeiten.
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Nach&em Phosphor-Passivierungsschritt wird die Struktur demaskiert und geätzt, wie es in Fig. 1g gezeigt ist, un die Bereiche des Halbleiter-Substrats 1 freizulegen. Die freigelegten Bereiche liefern Stellen für Metallkontakte. Wie in Fig. 1g gezeigt ist, wird die Gatter-Oxidschicht nicht geätzt, während die Oxidschicht, die die Kontaktbereiche überdeckt, geätzt wird, um die darunterliegende Substratoberfläche freizulegen. Die Öffnung 12 ist typisch für eine Kontaktstelle.
Nachdem die Öffnungen für die Kontaktbereiche gebildet wurden, wird eine Metallschicht, wie z.B. Aluminium, auf der Struktur abgelagert. Die Schicht wird maskiert und geätzt, um Kontaktelc-ktroden in einem Schaltkreismuster zu bilden, wie es zum Aufbau des integrierten Schaltkreises notwendig ist. Fig. lh illustriert die Struktur, nachdem eine Metallschicht geätzt wurde. Die Figir zeigt Gatterelektrode 13 und Quellenelektrode für einen FeId-Effekt-Transistör. Zusätzlich ist ein Leiter 15 gezeigt, der mit der Quellenelektrode 14 verbunden ist.
Nachdem die Kontakte usw. gebildet wurden, wird die Struktur durch Ablagerung einer Silicium-Dioxidschicht abgedeckt, um die Einrichxung gegen v/eitere Kontaminationen zu schützen. Fig. 1i illustriert die abgelagerte Siliciura-Dioxidschicht 16 über dem Teil der dargestellten Struktur.
Die Silicium-Dioxidschicht 16 wird maskiert und geätzt, um gewisse Rereiche des Halbleiters und Kontakte freizulegen, um externe elektrische Anschlüsse mit dem integrierten Schaltkreis herzustellen. Zusätzlich wird die Struktur gesintert, indem sie in eine Kammer mit erhöhter Temperatur eingebrächt wird.
Obwohl Silicium. Silicium-Dioxid, Phosphor und Aluminium als Materialien verwendet wurden, um das vorzugsweise VeriTahren zu beschreiben, ist es selbstverständlich, daß andere Materialien
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mit ähnlichen Eigenschaften ebenfalls verwendet v/erden könnten, Ebenfalls könnten verschiedene Ätzmittel verwendet werden, abhängig von den anderen ausgewählten Materialien.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Verbesserung der Ablagerung von Metall auf einer Halbleiterstruktur, gekennzeichnet durch Bilden einer Vielzahl von dielektrischen Schichten mit einer Dicke, die ausreicht, um ein darunterliegendes Halbleitersubstrat von der Oberfläche einer Vielzahl von dielektrischen Schachten / zu isolieren, wobei die Schichten relativ unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten zeigen, wobei die äusserste Schicht eine Ätzgeachvdiirdigkeit hat, die verhältnismäßig größer ist, als die der innersten Schicht, wobei, wenn eine Vielzahl von dielektrischen Schichten geätzt werden, die sich ergebende Struktur einen verhältnismäßig kleinen winkligen Abfall relativ zur darunterliegenden Halbleiter-Substratoberfläche aufweist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung zwischen 10° und 701
    Substratoberfläche beträgt.
    Neigung zwischen 10° und 70° relativ zu der Halbleiter-
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äusserste Schicht mit einer Verunreinigung gebildet wird, um eine Passivierung für die darunterliegende Halbleiterstruktur zu bilden, und um mit relativ größerer Ätzgeschwindigkeit geätzt zu werden, als die darunterliegenden dielektrischen Schichten.
    k. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äusserste Schicht verhältnismäßig dünn ist relativ zu den innersten Schichten.
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    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht durch ein thermisches Oxidationsverfahren gebildet wird, um eine verhältnismäßig ununterbrochene dielektrische Schicht zu bilden, wobei die Schicht während eines Verfahrens gebildet wird, um Unreinheiten in das darunterliegende Substrat einzudiffundieren, daß eine zweite dielektrische Schicht auf die erste dielektrische Schicht aufgelagert wird, um den Dickeanforderungen für die Halbleiterstruktur zu genügen, daß eine dritte reMiv dünne Schicht, die Unreinheiten enthält, auf der zweiten dielektrische! Schicht abgeLagert wird, wobei die dritte dielektrische Schicht eine Passivierung liefert und eine dielektrische Schicht bildet, die mit einer verhältnismäßig großen Geschwindigkeit relativ zur zweiten und zur ersten dielektrischen Schicht ätzbar ist.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bilden einer zweiten Passivierungsschicht über der Halbleiterstruktur, um zusätzlj ehe Kontaminationen von der darunterliegenden dielektrischen Schicht zu entfernen, wobei die so hergestellte Halbleitereinrichtung in dem Substrat verbesserte Stabilitätseigenschaften aufweist.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Ablagern einer Metallschicht auf mindestens die abfallenden dielektrischen Oberflächen zur Bildung von Metallelektroden.
    8. Verfahren zur Verbesserung der Metallablagerung auf einer Halbleiterstruktur während eines Verfahrens zur Bildung von Halbleitereinrichtungen in einem Halbleitersubstrat, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bilden einer zusammengesetzten dielektrischen Schicht über einem Halbleitersubstrat, wobei die zusammengesetzte dielektrische Schicht Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung aufweist, um mit verschiedenen Ätzgeschwindigkeiten geätzt zu
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    werden, wobei die äussere Schicht der zusammengesetzten Schicht mit einer verhältnismäßig schnelleren Geschwindigkeit geätzt wird, als die inneren Schichten, um eine ab-' fallende dielektrische Oberfläche zu bilden, um Metall gleichförmiger auf die abfällende dielektrische Oberfläche ablagern zu können.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äusserste Schicht eine Silicium-Dioxidschicht umfasst, die eine Phosphor-Unreinheit enthält, und daß die innerste Schicht eine thermisch ausgewachsene Silicium-Dioxidschicht umfasst, wobei eine dielektrische Schicht zwischen der äusseren und der inneren dielektrischen Schicht eine abgelagerte Silicium-Dioxidschicht umfasst, wobei die Kombination der abgelagerten und der thermisch aufgewachsenen Silicium-Dioxidschichten eine Dicke aufweist, die ausreicht, um das darunterliegende Halbleitersubstrat gegen elektrische Spannungspegel zu isolieren, die auf Leiter aufgedrückt werden, die auf der äusseren Oberfläche der zusammengesetzten dielektrischen Schicht aufgebracht sind.
    10. Verfahren nach Anspruch 9P gekennzeichnet durch Ablagern
    der zweiten phosphorigen Schicht auf die dielektrische Schicht nachfolgend auf die dazwischenliegenden Verfahrensschritte, um eine Passivierungsschicht auf der Halbleiterstruktur aufzubringen, wobei die Kombination der zweiten Passivierungsschicht und der Phosphor gedopten Silicium-Dioxidschicht verbesserte Stabilität für die so gebildeten Halbleitereinrichtungen liefert.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte dielektrische Schicht einer Umgebung aus heissem Dampf und Sauerstoff ausgesetzt wird, um die Dichte der zusammengesetzten dielektrischen Schicht vor dem Ätzen
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    der dielektrischen Schichten zu verbessern.
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