DE2324384C3 - Integrierte Halbleiterschaltung - Google Patents

Description

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)ie Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteraltung mit einem Substrat, mit wenigstens einer eine !bieiterinse! umschließenden äußeren dielektrischen ⁶S licht mit einer Bodenfläche und mit zu einer erflächenseite des Substrats reichenden peripheren tenflächen, mit einer innerhalb der äußeren dielektrischen Schicht im Abstand von dieser angeordneter inneren dielektrischen Schicht mit bezüglich der einen Oberflächenseite des Substrats geneigten Seitenflächen und ohne Bodenfläche, und mit einem in der Halbleiterinsel ausgebildeten Transistorelement, welches einen Kollektorbereich mit einem von der inneren dielektrischen Schicht umgebenen einkristallinen Abschnitt und einem zwischen der äußeren und der inneren dielektrischen Schicht liegenden Abschnitt, einen innerhalb der inneren dielektrischen Schicht liegenden Basisbereich mit einem parallel zu der einen Oberflächenseite des Substrats verlaufenden und von der inneren dielektrischen Schicht begrenzten Basis-Kollektorübergang, einen innerhalb des Basisbereichs ausgebildeten Emitterbereich sowie an der einen Oberflächenseite des Substrats angeordnete, den zwischen der äußeren und der inneren dielektrischen Schicht liegenden Abschnitt des Kollektorbereichs, den Basisbereich bzw. den Emitterbereich kontaktierende Elektroden aufweist.

Bei dieser aus der DT-OS 2142 402 bekannten integrierten Schaltung sind die Seitenflächen der inneren dielektrischen Schicht des ausgebildeten Transistorelementes bezüglich der einen Oberflächenseite des Substrats derart geneigt, daß der Querschnitt des von ihnen umgebenen Halbleiterbereiches zu der genannten Oberfläche hin abnimmt. Weiterhin besteht der Kollektorbereich des Transistors einzig aus einem Einkristall mit einer niedrigen Störatomkonzentration. Bei einer derartigen Ausbildung des Transistorelementes stellt der Kollektor einen großen Reihenwiderstand dar, so daß eine dotierte Anreicherungszone für den Ohmschen Kontakt zur Kollektoreleketrode erforderlich ist. Weiterhin treten bei einem in dieser Weise ausgebildeten Transistor bereits beim Anlegen einer relativ niedrigen Spannung in Sperrichtung am PN-Übergang an den Rändern dieses Übergangs Durchbrüche auf. Das heißt, daß ein derartiger Transistor eine niedrige Durchbruchsspannung hat.

Aus der DT-OS 19 37 755 ist eine weitere integrierte Halbleiterschaltung mit einer Halbleiterinsel und einem in der Halbleiterinsel ausgebildeten Transistorelement bekannt, dessen innere dielektrische Schicht bezüglich der Oberflächenseite des Substrats geneigte Seitenflächen und eine diese Seitenflächen verbindende Bodenfläche aufweist. Dabei verlaufen die Seitenflächen der inneren dielektrischen Schicht bezüglich der Oberflächenseite des Substrats derart geneigt, daß der Querschnitt des von ihnen umgebenen Halbleiterbereichs zu der genannten Oberfläche hin zunimmt. Bei dieser bekannten Halbleiterschaltung wirkt die innere dielektrische Schicht mit der durch eine polykristalline Halbleiterschicht von ihr getrennten äußeren dielektrischen Schicht zusammen, um das Halbleiterelement stärker zu isolieren.

Aus »Nachrichtentechnik« Band 22 (1972), Heft 5, Seite 152 bis 154 ist ein Transistorelement bekannt, bei dem die Seitenflächen der inneren dielektrischen Schicht senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufen und der zwischen der äußeren und der inneren dielektrischen Schicht liegende Teil des Kollektorbereiches eine hohe Störatomkonzentration hat. Bei einer derartigen Ausbildung des Transistorelementes wird eine höhere Durchbruchsspannung dadurch erreicht, daß beim Kollektor-Basisubergang die Randkriimmung nicht vorhanden ist.

Demgegenüber liegt die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, bei einer integrierten Halbleiter-

. „„nader eingangs genannten Art einTransistorele^s it einer hohen Durchbruchsspannung auszubil-

^dCn· ςε Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

ο If-t ςρίιεη^Ιιεη der inneren dielektrischen Schicht 5 ^d r h der einen Oberflächenseite des Substrats j^eZUrt geneigt _sind, daß der Querschnitt des von ihnen benen Halbleiterbereichs zu der genannten Ober- T he hin zunimmt, daß der zwischen der äußeren und α nneren dielektrischen Schicht liegende Abschnitt io T Kollektorbereichs des Transistorelements polykri-Il ist und eine hohe Störatomkonzentration fweist und daß der Basisbereich des Transistorelets eine höhere Störatomkonzentration als der von T-nneren dielektrischen Schicht umgebene einkristal- 15 £ Abschnitt des Kollektorbereichs aufweist.

RpI einer derartigen Ausbildung der Seitenflächen der • neren dielektrischen Schicht bezüglich der einen nhprfläche des Substrats und der angegebenen rwiprung der einzelnen Bereiche ergibt sich eine 20 Ve rrnungsschicht am PN-Übergang, deren Breite an Γή Rändern des Überganges zunimmt, was die wünschte höhere Durchbruchsspannung zur Folge Cüie erfindungsgemäße Ausbildung der Halbleiter-

hnltunn hat darüber hinaus den Vorteil, daß der 25 nolvkristalline Abschnitt des Kollektorbereiches sehr I _Und gleichmäßig dotiert werden kann. Daher ist H.r Reihenwiderstand des Kollektorbereiches zur an Z Oberflächenseite dieses polykristallinen Abschnitts „'_ordneten Kollektorelektrode sehr gering. 30

Pin weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltung besteht darin, daß sie durch selektives Itzen und somit sehr einfach hergestellt werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher

fTeT zeigt die Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung;

Fi ζ 2 A bis 2 D zeigen in Querschnittsansichten die zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten integrierten Halbleiterschaltung notwendigen Verfahrensschntte;

Fi β 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung in Ouerschnittsansichten.

In Fiε 1 ist mit 11 ein Substrat aus polykristallinen^

Silizium bezeichnet. Im oberen Bereich des Substrates

is in bestimmten Abständen eine Anzahl von

nselbereichen 10 vorgesehen. Jeder der Inse bereiche

0 ist von einer begrabenen, äußeren dielektrischen

Schicht 12 aus Siliziumdioxyd außer an der freiliegenden

Oberfläche umgeben, was zur Folge hat, daß der

Sbereich gegenüber dem Substrat 11 elektrisch ""iieSicht 12 besteht aus peripheren Seitenflächen 12a die an den peripheren Seitenflächen des Inselbereih's anliegen, und aus einer Bodenfläche 12b, die mit der Bodenfläche des Inselbereiches in Berührung steht. Die peripheren Seitenflächen 12a sind derart geneigt daß der viereckige Querschnitt des Inselbereiches 10 zur Innenseite des Substrates 11 hin abmmmt. Innerhalb des

nselbereiches 10, der von der äußeren d>ek|kttiKhen Schicht 12 umgeben ist, ist eine innere dielektrische Schicht 13 aus SiHziumdioxyd vorgesehen. Die innere dSektrische Schicht 13 weist keine Bodenfljche «rf und ist parallel zu den peripheren aeitenilachen .-- t-cr äußeren dielektrischer Schicht 12 und in einem hSmmten Abstand da. 1 angeordnet. Der Abschnitt des Inselbereichs 10, der sich zwischen den dielektrischen Schichten 12 und 13 befindet, besteht aus polykristallinem Silizium. Der AbsrhniU 15, der von der inneren dielektrischen Schicht 13 umgeben ist, besteht aus einem Siliziumeinkristall. Innerhalb der Inselbereiche 10 sind Halbleiterschaltungselemente 16,17, lö und 19 jeweils vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist das erste Halbleiterschaltungselement ein Transistor. Der Transistor enthält einen Emitter-Basisübergang, der - wie bei einem herkömmlichen ebenen Transistor - ein freiliegendes Ende an der Oberfläche des Schaltungselementes aufweist, und einen ebenen Kollektor-Basisübergang, der nahezu parallel zur Substratoberfläche verläuft und dessen äußeres Ende in den Inselbereich eingebettet ist und sich am unteren Ende der inneren dielektrischen Schicht befindet. Durch diese Übergänge sind ein Kollektorbereich 24 mit N-Leitfähigkeit, ein Basisbereich 25 mit P-Leitfähigkeit und ein Emitterbereich 26 mit N-Leitfähigkeit bestimmt. Der Abschnitt 14 des Kollektorbereiches 24 ist einheitlich in hoher Konzentration mit Störatomen dotiert, .so daß der Abschnitt 14 einen geringeren Widerstand als der Abschnitt 15 des Kollektorbereiches 24 aufweist. Der Basisbereich 25 ist so ausgebildet, daß seine Störatomkonzentration größer als die des Abschnittes 15 des Kollektorbereiches ist. Auf dem Kollektorbereich 24, dem Basisbereich 25 und dem Emitterbereich 26 sind eine Kollektorelektrode 27, eine Basiselektrode 28 und eine Emitterelektrode 29 jeweils angebracht. Da die innere dielektrische Schicht 13 nach innen zur Mute hin geneigt ist, liefert diese Neigung eine sogenannte »positive Neigung« relativ zum Basis-KoUektorubergang wodurch die Durchbruchsspannung erhöht wird.

Das zweite Halbleiterschaltungselement 17 ist eine Diode mit einem PN-Übergang, der horizontal im Abschnitt 15 ausgebildet ist, der von der inneren dielektrischen Schicht 13 des Inselbereiches 10 umgeben ist Ein Anodenbereich 30 mit P-Leitfähigkeit ist an einer Seite des PN-Übergangs angeordnet, und ein Kathodenabschnitt mit N-Leitfähigkeit besteht aus dem Bereich auf der anderen Seite des PN-Uberganges und dem äußeren Bereich 14. Auf dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich sind eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode 32 jeweils angebracht.

Das dritte Halbleiterschaltungselement 18 weist, wie das zweite Halbleiterschaltungselement 17 einen Diodenaufbau auf, wobei sein Anodenbereich 30 als ein Widerstand verwandt wird. Auf dem Bereich 30 sind im Abstand voneinander zwei Elektroden 34 und

Da^vierte Halbleiterschaltungselement 19 weist einen Bereich 36 auf, der durch selektive Diffusior,11,1 de Mitte des Innenbereiches 15 des Inselbereiches ausgebildet ist und als Widerstand verwandt wird. Au dem Bereich 36 sind im Abstand voneinander zwei Elektroden 37 und 38 angebracht.

Im folgenden wird anhand der Fig.2 A ηi D ein Verfahren zur Herstellung einer mtegnerten Halbleiterschaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau erlau-

fort

Es wird eine Siliziumplatte 20 mit einer orientierten (lOO)-Fläche als Oberfläche verwandt, deren spezitl·· scher Widerstand unter 0,015 Ω · cm hegt. Die Watte» weist an der Oberfläche e.ne Schicht Ma m* N-Leitfähigkeit auf, deren spezifischer Widerstand V-3 Q ■ cm und deren Dicke 20 μηη betragt und die unter Verwendung eines bekannten ^amPtau.wa^sv.rfahrens aufgewachsen ist. Auf der Oberflache der

aufgewachsenen Schicht 20a ist ein Siliziumnitridfilm ausgebildet. Der Film ist mit Hilfe eines Photoätzverfahrens an bestimmten Abschnitten durchbrochen, um die entsprechenden Abschnitte der Oberfläche der Schicht 20a freizulegen und eine Schutzmaske 21 zu bilden. Dann erfolgt unter Verwendung von Hydrazin eine selektive Ätzung über einen Bereich, der sich von dem Bereich der aufgewachsenen Schicht 20a, der durch das Photoätzverfahren freigelegt wurde, bis zu einer bestimmten Tiefe in der Platte 20 hinab erstreckt. Da in diesem Falle von Hydrazin als Ätzmittel und von einer Platte, deren Oberfläche eine orientierte (100)-Fläche ist, Gebrauch gemacht wird, wird die Platte nicht in Richtung einer (llt)-Fläche, etwas in Richtung einer (HO)-Fläche und am stärksten in der Richtung der (100)-Fläche geätzt. Folglich sind die eingeschlossenen, durch die Ätzung gelieferten Rillen 22 im Querschnitt V-förmig, wobei die (lll)-Fläche die geneigte Oberfläche der Rille bildet. Das heißt, daß die Ätzung hauptsächlich in die Tiefe und nicht in die Breite »o vordringt, was einen bestimmten Neigungswinkel der V-förmigen Rille zur Folge hat. Wenn die Ätzung bis zum Scheitelpunkt der V-förmigen Rille herab vorgedrungen ist, tritt keine weitere Ätzung auf. Da die Tiefe der Ätzung der Platte durch die Abmessung der Maskenöffnung bestimmt ist, ist es leicht einzusehen, daß eine Steuerung der Tiefe ohne Schwierigkeiten erreicht werden kann.

Danach wird das Substrat als Ganzes bei einer hohen Temperatur oxydiert, um einen Siliziumdioxidfilm 13 als eine innere dielektrische Schicht auf der freiliegenden Oberfläche der Rille 22 zu bilden. Da der Siliziumnitridfilm, der die Oberfläche der aufgewachsenen Schicht 20a überdeckt, für Sauerstoff undurchlässig ist, wird kein Siliziumdioxidfilm während des Hochtemperaturoxydationsprozesses auf dem Siliziumnitridfilm ausgebildet. Die Platte wird mit auf 180⁰C erhitztem Phosphoroxid behandelt, um die Siliziumnitridmaske zu entfernen, wodurch die Oberfläche der aufgewachsenen Schicht 20a freigelegt wird. In diesem Fall erfolgt die selektive Ätzung der Maske 21 ohne eine Verwendung anderer besonderer Masken durch ein Ätzmittel, das Siliziumnitrid wegätzen kann, wobei nur das Siliziumdioxid ungeätzt bleibt. Silizium wird durch ein Dampfaufwachsverfahren auf die freiliegende Oberfläche 23 und auf die Siliziumdioxydschicht 13 aufgebracht, um eine aufgewachsene Schicht 14 zu bilden. Vorzugsweise wird während der Dauer dieses Dampfaufwachsens die gewachsene Schicht 14 in größerer Menge mit Störatomen, die eine N-Leitfähigkeit bewirken, dotiert, um die Störatomkonzentration vorzugsweise auf einen Wert in der Größenordnung von 10²⁰ Atome/cm³ zu erhöhen. Es ist leicht einzusehen, daß die aus Dampfphase aufgewachsene Schicht 14 so ausgebildet wird, daß ein Siliziumeinkristall auf der oberen Oberfläche 23 der aufgewachsenen Schicht und polykristallines Silizium auf der unteren Oberfläche der Siliziumdioxydschicht 13 aufwächst. Andererseits kann die aufgewachsene Schicht 14 in geeigneter Weise nur aus polykristallinem Silizium bestehen. Auf der Obcrfläehe der auf diese Weise aufgewachsenen Schicht 14 wird eine dielektrische Schicht 12 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid ausgebildet. Anhand von F i g. 2 B ist zu ersehen, daß in der aufgewachsenen Schicht 14 und in der dielektrischen Schicht 12 eine solche Rille ausgebildet ist, die der V-förmigen Rille 22 in der Platte entspricht.

Wie es in Fig. 2 C dargestellt ist, wird später eine polykristalline Siliziumschicht 11 als Substrat auf der Siliziumdioxidschicht 12 unter Verwendung eines Aufwachsverfahrens aus der Dampfphase gebildet.

Wie es in F i g. 2 D dargestellt ist, wird die Platte 20 dann unter Verwendung eines Ätzverfahrens von unten abgetragen. In diesem Fall wird ein Ätzmittel verwandt, das selektiv beispielsweise nur Silizium mit geringem Widerstand wegätzen kann, während das Siliziumdioxid nahezu ungeätzt bleibt. Während dieser Ätzbehandlung bleiben eine Siliziumdioxidschicht 13, die an der Innenseite der V-förmigen Rille 22 ausgebildet ist, und die aufgewachsene Schicht 14, die die Schicht 13 überdeckt, stehen, und die vorstehenden Teile dieser Schichten können später durch Läppen oder Polieren entfernt werden. Während des Polierens wird ein Druck nur an die vorspringenden Teile der Schichten 13 und 14 angelegt, und die ebenen Teile der aufgewachsenen Schicht 20a wirken beim Poliervorgang als Anschlag. Damit können nur genau die vorspringenden Teile entfernt werden.

Auf diese Weise wird der grundlegende Aufbau einer dielektrisch getrennten, integrierten Halbleiterschaltung gebildet. Unter Verwendung einer herkömmlichen Halbleitertechnik, wie einem selektiven Diffusionsverfahren, wird ein Halbleiterelement, wie ein Transistor oder eine Diode, im Inselbereich 10 gebildet, der aus den aufgewachsenen Schichten 14 und 20a besteht, die von der Isolierschicht 12 umgeben werden, wodurch der in F i g. 2 dargestellte Aufbau erhalten wird.

Wenn bei einem derartigen Aufbau die Dicke der aufgewachsenen Schicht 20a, die von der inneren dielektrischen Schicht umgeben ist, 20 μιπ und die Dicke der aufgewachsenen Schicht 14 33 μηι beträgt, weist die Oberfläche des polykristallinen Bereiches eine Breite von 41 μΐη auf. Eine derartige Abmessung ist zum Anbringen einer Elektrode gerade passend.

Das erste Halbleiterschaltungselement 16 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist ein Transistor, dessen Basisbereich 25 eine Tiefe von 5 μηι aufweist. Da der Basisbereich durch eine Diffusion von Störatomen über die gesamte Oberfläche der aufgewachsenen Schicht 20a gebildet wird, die von der dielektrischen Schicht umgeben wird, liegt der zwischen dem Basisbereich 25 und dem Kollektorbereich 24 ausgebildete Basis-Kollektorübergang parallel zur Oberfläche der aufgewachsenen Schicht 20a wobei seine Umfangskante durch die dielektrische Schicht 13 geschützt wird, ohne an der Oberfläche der Schicht 20a l'rsizuliegen. Aus diesem Grunde beträgt die Stehspannung des Überganges 200 V, während im Falle eines herkömmlichen ebenen Aufbaus die Spannung vergleichsweise 100 V beträgt. Da der Umfangsbereich des Basis-Kollektorüberganges, der gegenüber der Stehspannung leitend ist, an der Schaltungselementoberfläche nicht freiliegt, wird dieser Umfangsbereich selbst dann nicht beeinflußt, wenn Störatome durch Poren in der Maske während der Bildung des Emitters in das Element eingebracht werden. Wenn die aufgewachsene Schicht 14 — wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform — vorläufig mit Störatomen in hoher Konzentration dotiert wird, ist keine Maske notwendig, wenn die Störatomcindiffusion zur Bildung des Basisbereiches 25, des Anoden- oder Kathodenbereiches 30 erfolgt. Weiterhin sind weniger schwierige Photoätzschritle notwendig, als es bisher der Fall war.

Bei der anderen, in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung soll ein Hochlcistungstransistor geschaffen werden. Innerhalb einer äußeren dielektrischen Schicht 12 in

einem polykristallinen Siliziumsubstrat Il sind drei dielektrische Innenschichten 13 ohne Boden ausgebildet. Eine aus der Dampfphase aufgewachsene Schicht 14 mit einer hohen Störatomkonzentration ist zwischen den dielektrischen Schichten 12 und 13 ausgebildet. In einem Siliziumeinkristall, der von der dielektrischen Schicht 13 umgeben ist, sind ein Basisbereich 25 und ein Emitterbereich 26 unter Verwendung eines herkömmlichen Diffusionsverfahrens für Störatome ausgebildet. Eine Emitterelektrode 29 ist an jedem Emitterbereich 26 und eine Basiselektrode 28 an jedem Basisbereich 25 angebracht. Am Kollektorbereich 14 ist eine Anzahl von

Kollektorelektroden 27 außerhalb der inneren dielektrischen Schicht 13 vorgesehen.

Die in Fig.4 dargestellte Vorrichtung weist einen Aufbau auf, der sehr zweckmäßig ist, um längs der unterbrochenen Linie A-A würfelförmig geschitten zu werden. Das heißt, daß zur Erleichterung des würfelförmigen Schneidens vorläufig ein Teil eines Siliziumdioxidfilms 41 entfernt ist, der der Oberfläche eines monokristallinen Siliziumbereiches 40 entspricht, der sich innerhalb der inneren dielektrischen Schicht 13 ohne Bodenfläche in der äußeren dielektrischen Schicht befindet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 643/2«

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Substrat, mit wenigstens einer eine Halbleiterinsel umschließenden äußeren dielektrischen Schicht mit einer Bodenfläche und mit zu einer Oberflächenseite des Substrats reichenden peripheren Seitenflächen, mit einer innerhalb der äußeren dielektrischen Schicht im Abstand von dieser angeordneten inneren dielektrischen Schicht mit bezüglich der einen Oberflächenseite des Substrats geneigten Seitenflächen und ohne Bodenfläche, und mit einem in der Halbleiterinsel ausgebildeten Transistorelement, welches einen Kollektorbereich mit einem von der inneren dielektrischen Schicht umgebenen einkristallinen Abschnitt und einem zwischen der äußeren und der inneren dielektrischen Schicht liegenden Abschnitt, einen innerhalb der inneren dielektrischen Schicht liegenden Basisbereich mit einem parallel zu der einen Oberflächenseite des Substrats begrenzten Basis-Kollektorübergang, einen innerhalb des Basisbereichs ausgebildeten Emitterbereich sowie an der einen Oberflächenseite des Substrats angeordnete, den zwischen der äußeren und der inneren dielektrischen Schicht liegenden Abschnitt des Kollektorbereichs, den Basisbereich bzw. den Emitterbereich kontaktierende Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen der inneren dielektrischen Schicht (13) bezüglich der einen Oberflächenseite des Substrats (11) derart geneigt sind, daß der Querschnitt des von ihnen umgebenen Halbleiterbereichs zu der genannten Oberfläche hin zunimmt, daß der zwischen der äußeren (12) und der inneren (13) dielektrischen Schicht liegende Abschnitt (14) des Kollektorbereichs (24) des Transistorelements polykristallin ist und eine hohe Störatomkonzentration aufweist und daß der Basisbereich (25) des Transistorelements eine höhere Störatomkonzentration als der von der inneren dielektrischen Schicht (13) umgebene einkristalline Abschnitt (15) des Kollektorbereichs (24) aufweist.

2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der äußeren (12) und der inneren (13) dielektrischen Schicht liegende polykriistalline Abschnitt (14) des Kollektorbereichs (24) eine gleichmäßige Verteilung der in hoher Konzentration vorhandenen Störatome aufweist.

3. Integrierte Halbleiterschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (12a,/ der äußeren dielektrischen Schicht (12) in dieselbe Richtung wie die Seitenflächen der inneren dielektrischen Schicht (13) geneigt sind und die Bodeufläche {i2b) der äußeren dielektrischen Schicht (12) parallel zu der einen Oberflächenseite des Substrats (11) verläuft.