DE2414033A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterelementen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von halbleiterelementen

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Description

PATENTANWÄLTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER
DR-PHIL. DIPL.-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING.
TELEX: 05 29 B02 HNKL D EDUARD-S CH MID-STRASSE 2 BAYERISCHEHYPOTHEKEN-UND
TELEFON: (08 11) 66 3197.66 30 91-92 " ολλλ „(ΙχιρπιΙΜ on WECHSELBANK MÜNCHEN NR. 318 - 85 IU
TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN D-8000 MUNLHtN i>ü POSTSCHECK: MCHN 162147-809
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha ^ ~L ]Ql
Tokio, Japan 9 Λ 1 A Π ^Ί
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen unter Anwendung eines Ionenin;jektionsverfahrens, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen unter Ausnutzung einer bestimmten Erscheinung, die im Halbleitermaterial der Grundschicht bzwo des Substrats infolge der Injektion von beschleunigten Ionen in das Substrat auftritt.
Als Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen ist u„a, das sogenannte PLANOX- oder ISOPLANAR-Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird selektiv ein Überzug aus Siliziumnitrid (SiJÜ.) auf eine Fläche eines Halbleitersubstrats aufgetragen, und das Substrat mit dem Überzug wird in oxydierender Atmosphäre bei hoher Temperatur oxydiert, um die Substratoberfläche selektiv in der Weise zu oxydieren, daß die mit dem Siliziumnitridüberzug versehenen Teile der.Substratoberfläche nicht oxydiert werden, während die nicht mit dem Überzug versehenen Flächenbereiche einer Oxydierung unterworfen werden. Dieses Verfahren ist insofern vorteilhaft, als der
Mü/Bl/Ro " . - 2
409840/0841
Höhenunterschied zwischen der Substratoberfläche und der oxydierten Oberfläche gering ist, so daß die Möglichkeit für einen Bruch eines später auf beide Flächenbereiche aufgebrachten Aluminium-Leitungszugs herabgesetzt wirdo Beim Oxydationsvorgang kann jedoch das speziell verwendete Oxydationsmittel, wie Dampf oder Sauerstoff, seitlich in den unmittelbar unter dem Siliziumnitridüberzug an dessen Grenzfläche gelegenen Abschnitt des Substrats hineindiffundieren und letzteres oxydieren. Hierbei nimmt das Volumen des oxydierten Abschnitts zu, so daß die Kante des genannten Überzugs hochgedrückt wird, was zur Bildung eines Vorsprungs bzw. einer Erhebung auf der oxydierten Fläche führte An diesem Vorsprung kann aber ein darüber aufgetragener Aluminium-Leitungszug brechen. Außerdem können an den unmittelbar mit der Siliziumnitridschicht in Berührung stehenden Abschnitten der Substrat— oberfläche infolge eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Siliziumnitrid und dem Halblei termaterial des Substrats starke Gitterschäden und hohe Belastungen oder Beanspruchungen auftreten, was im Hinblick auf die geforderten Eigenschaften des gebildeten Halbleiterelements nachteilig und daher zu vermeiden ist.
Zur Verminderung der genannten Gitter schaden und Beanspruchungen ist bereits vorgeschlagen worden, zunächst eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid auf eine Oberfläche eines Z0B0 aus Silizium zu bildenden Substrats aufzubringen und danach einen Siliziumnitridüberzug auf diese dünne Schicht aufzutragen. Bei diesem Verfahren kann aber das Oxydationsmittel, wie Dampf oder Sauerstoff, ebenfalls seitlich in den unmittelbar unter der Kante des Nitridüberzugs an dessen Grenzfläche befindlichen Abschnitt des Substrats hineindiffundieren und letzteres, ebenso v/ie beim vorher beschriebenen Verfahren, oxydieren. Anschließend werden der Nitridüberzug und die Dioxidschicht entfernt, bis die Oberfläche des Substrats selektiv freigelegt
409840/0841
24H033
isto Während dieser Abtragung der Siliziumdioxidschicht kann an dem Abschnitt des Substrats, der anfänglich mit dem Ii tri düber zug versehen worden ist, an der G-renzf lache eine Vertiefung oder Aushöhlung ausgebildet werden, da Silizium beim Ätzen mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure, wie sie üblicherweise für das Abtragen der Siliziumdioxidschicht verwendet wird, weniger stark angegriffen wird als das Siliziumdioxid. Ebenso wie der genannte Vorsprung kann auch diese Vertiefung oder Aushöhlung zu einem Bruch der später aufgetragenen Aluminium-Leitungszüge führen.
Außerdem kann das PLAHOX- oder ISOPLANAR-Verfahren für die Herstellung von mit ultrahohen Frequenzen arbeitenden Halbleiterelement en angewandt werden.
Zur Verbesserung ihrer Betriebseigenschaften bei ultrahohen Frequenzen sind derartige Kalbleiterelemente mit einer kammförmigen oder gitterartigen Emitterkonstruktion und mit Deckschicht- oder Overlayelektroden auf der Oxidschicht versehen. Bei einer Erhöhung der Betriebsfrequenz wird bei derartigen Elementen üblicherweise die Breite des Emitterstreifens und der Elektrode dafür verkleinert, während gleichzeitig auch der Abstand zwischen dem Emitterbereich und den Basiselektroden verkleinert wird. Bei dem im Bereich von ultrahohen Frequenzen erforderlichen hohen Verstärkungsgrad bedeutet die zusätzliche Kapazität, die durch den Oxidfilm auf der Oberfläche des Halbleiterelements zwischen den einzelnen Emitter- und Basiselektroden sowie dem Kollektor gebildet wird, eine erhebliche Beeinträchtigung der Hochfrequenzparameter oder -eigenschaften infolge des Schichtaufbaus dieser Elektroden, und dies kann eine der hauptsächlichen Ursachen für eine Einschränkung der Eigenschaften des Halbleiterelements darstellen. Wenn die Dicke des auf der Substratoberfläche vorgesehenen Oxidfilms zur Herabsetzung der zusätzlichen Kapazität ver-
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größert wird, wird der Höhenunterschied zwischen dem und der Oberfläche ziemlich groß, was wiederum zu dem vorher beschriebenen Bruch der Aluminium-Leitungszüge führen kann. Außerdem nimmt dabei die Tiefe der -Basis- und Emitterübergänge zu, während sich die seitliche Diffusion längs der Substratoberfläche ausbreitet» Nach dem Auftragen der Elektroden auf das Substrat reagiert deren Metall auf dem Halbleitermaterial über eine länge, die gleich groß oder größer ist als die Strecke der Querdiffusion, bis die Spannung, welcher die ElßJÖjroden zu widerstehen vermögen, verringert wird. Möglicherweise können auch die Übergänge oder Grenzschichten zusammenbrechen. Zudem besitzt der nach bekannten Verfahren hergestellte Diffusionsbereich mit wenigen Ausnahmen, z.Bo mit Ausnahme de? Diffusionsbereichs bei Mesa-Halbleiterelementen, eine durch die Diffusion hervorgerufene Krümmung· Ein im Diffusionsbereich entstehendes elektrisches PeId konzentriert sich dann auf den gekrümmten Diffusionsabschnitt und setzt die Spannung herab, welcher dieser Bereich zu widerstehen vermag. Außerdem beeinträchtigt bei Hochfrequenz-Transistoren der Abstand zwischen den Penstern für die Elektroden in einem Siliziumdioxidfilm auf dem Emitter- und Basisbereich sehr stark die Eigenschaften des Transistors, und dieser Abstand wird verkleinert, je stärker sich die Arbeitsfrequenz in Richtung auf den ultrahohen Frequenzbereich verschiebt. Bei dem für die Ausbildung der Elektroden bisher angewandten Photolithographieverfahren müssen daher die Masken mit großer Genauigkeit registerhaltig sein, während für die Einstellung des Ätzens des Siliziumdioxidfilms großes technisches Geschick erforderlich ist. Mit den herkömmlichen Photolithographieverfahren ist es lediglich möglich, auf dem Siliziumdioxidfilm Muster mit Linien auszubilden, deren kleinste Breite im Bereich von etwa 1,0 - 1,5 M liegt. Da mit ultrahohen Frequenzen arbeitende Halbleitervorrichtungen einen schmäleren Emitterbereich besitzen, werden ihre ligenschaf-
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ten "bei ultrahohen Frequenzen nicht nur durch eine durch die Bodenfläche des Diffusionsbereichs gebildete Kapazität, sondern auch durch eine zusätzliche, durch ihre Quer- oder Seitenfläche erzeugte Kapazität beeinträchtigt. Hieraus ergeben sich Einschränkungen bezüglich der Arbeitsweise -von Halbleiterelementen im Bereich ultrahoher Frequenzen.
Damit auf einem einzigen Siliziumsubstrat angeordnete aktive und reaktive Elemente elektrisch gegeneinander isoliert sind, kann das PLANOX- oder ISOPLANAR-Verfahren angewandt werden, um auf dem Substrat zwischen den Elementen Siliziumdioxidbereiche auszubilden. Bei einer Wärmebehandlung zur Ausbildung dieser Siliziumdioxidbereiche kann die bereits im Substrat erreichte Verteilung der Verunreinigungen bzw. Störstellen oder Iremdatome verändert werden, wobei die Oxydation nicht nur in Sichtung der Tiefe des Substrats, sondern auch in Querrichtung desselben fortschreitet. Dies führt zu ernstlichen Schwierigkeiten bezüglich der Konstruktion und Herstellung von integrierten Schaltkreisen und beeinträchtigt die Anordnung von aktiven und reaktiven Elementen in hoher Verteilungsdichteo
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften unter Vermeidung der dem bekannten Verfahren anhaftenden und ausführlich erläuterten Nachteile zu schaffen„
Nach diesem Verfahren sollen auf einfache Weise Halbleiterelemente mit im Vergleich zu den nach dem bekannten Verfahren hergestellten Halbleiterelementen verbesserten Eigenschaften, jedoch unter Beibehaltung der Vorteile des bekannten Verfahrens, hergestellt werden können. Insbesondere sollen dabei die Hochfrequenzeigenschaften entscheidend verbessert werden. Die Halbleiterelemente mit ausgezeichneten Eigenschaften sollen
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sich überdies mit hoher Verteilungsdichte zu einem integrierten Schaltkreis zusammensetzen lassen.
Diese technische Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ausbildung selektiver Injektionsbereiche beschleunigte, geladene Teilchen in ausgewählte Abschnitte der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial injiziert werden, und daß das Substrat mit den Injektionsbereichen in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um das Halbleitermaterial der Injektionsbereiche in eine entsprechende Oxidisolierung umzuwandeln.
In weiterer Ausgestaltung ist dieses Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß auf ausgewählten Abschnitten der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial Überzüge zur Abschirmung von geladenen und beschleunigten leuchen ausgebildet werden, daß die Oberfläche des Substrats mit beschleunigten, geladenen Teilchen bestrahlt wird, um die geladenen Teilchen in die nicht abgedeckten Bereiche der Substratoberfläche zu injizieren, daß danach die Überzüge von der Substratoberfläche entfernt werden, daß das Substrat in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um auf dieser Oberfläche, einschließlich der mit den geladenen Teilchen injizierten Bereiche, eine Oxidisolation wachsen zu lassen, und daß die Oxidisolation selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, um ausgewählte Abschnitte derselben freizulegen.
In noch weiterer Ausgestaltung ist die Erfindung bei einem Verfahren zur Herstellung von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Abschnitte einer Oberfläche eines Substrats aus einem Halbleitermaterial mit beschleunigten, geladenen Teilchen
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bestrahlt werden, um selektiv Abschnitte oder Bereiche hoher Oxydationsfähigkeit auf den ausgewählten Oberflächenabschnitten zu bilden, daß das Substrat sodann mit diesen Bereichen in einer oxidierenden Atmosphäre erwärmt wird, um auf der Substratoberfläche einen Oxidfilm zu bilden, daß der Oxidfilm danach selektiv von den nicht mit den geladenen Teilchen bestrahlten Abschnitten der Substratoberfläche abgetragen wird, so daß die genannten Bereiche der Oberfläche freigelegt werden, und daß eine bestimmte Leitfähigkeit verleihende Fremdatome bzw. ein Störstoff in die freiliegenden Oberflächenbereiche des Substrats eindiffundiert/wird, um Übergänge zu bilden, die an den in das Substrat eingebetteten Abschnitten des Oxidfilms enden.
Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß auf ausgewählten Abschnitten der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial erste Überzüge zur Abschirmung von geladenen Teilchen ausgebildet werden, daß die Substratoberfläche dann mit beschleunigten, geladenen Teilchen bestrahlt wird, um letztere in diejenigen Bereiche der Substratoberfläche zu injizieren, auf denen die ersten Überzüge nicht ausgebildet worden sind, daß die ersten Überzüge von der Substratoberfläche abgetragen werden, daß das Substrat sodann in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um auf der Substratoberfläche, einschließlich der mit den geladenen Teilchen injizierten Bereiche, eine Oxidisolierung anwachsen zu lassen, daß die Oxidisolierung selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, um die ausgewählten Oberfläehenabschnitte des Substrats freizulegen, daß zur Ausbildung erster Diffusionsbereiche eine bestimmte erste Leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats eindiffundiert werden, daß hierauf auf den freiliegenden Oberflächenabschnitten des Substrats zweite Überzüge zur Abschirmung von geladenen Teilchen vorgesehen werden, daß eine zweite Art geladener Teilchen
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in diejenigen Bereiche der freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats injiziert werden, auf denen die zweiten Überzüge nicht ausgebildet sind, um im Substrat zweite Injektionsbereiche auszubilden, daß anschließend die zweiten Überzüge von der Substratoberfläche entfernt werden, daß das Substrat in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um eine zweite Oxidisolierung auf der Substratoberfläche, einschließlich der mit den zweiten geladenen Teilchen injizierten .Bereiche, zu bilden, daß die zweite Oxidisolierung selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, so daß die Substratoberfläche teilweise freigelegt wird, und daß eine zweite Leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die nunmehr freigelegten Oberflächenabschnitte des Substrats eindiffundiert werden, um im Substrat zweite Diffusionsbereiche zwischen den ersten und den zweiten Diffusions be reichen derart herzustellen, daß die Enden der Übergänge von den in das Substrat eingebetteten Abschnitten der zweiten Oxidisolierung umschlossen sind.
In vorteilhafter Y/eiterbildung ist die Erfindung dadurch gekennaeichnet, daß auf einer Oberfläche eines Substrats aus einem Halbleitermaterial mit einem ersten Leittyp sowohl eine Schicht aus einen Halbleitermaterial eines zweiten Leittyps in Form eines Einkristalls als auch eine Schicht aus einem mehr kristallinen Halbleitermaterial angeoi'dnet werden, daß beschleunigte, geladene Teilchen in die Schicht aus mehrkristallinem Halbleitermaterial injiziert werden und daß die letzt-genannte, mit den geladenen Teilchen injizierte Schicht in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um das Halbleitermaterial der mehrkristallinen Schicht in eine Oxidisolierung umzuwandeln.
Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche eines
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Substrats aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeit sty ps ein isolierender Oxidfilm ausgebildet wird, daß dieser Oxidfilm selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, um ausgewählte Abschnitte der Substratoberfläche freizulegen, daß eine zweite Leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die freiliegenden Abschnitte der Substratoberfläche eindiffundiert werden, um im Substrat Diffusionsbereiche zu bilden, daß durch epitaxiales Wachstum kristallines Halbleitermaterial gebildet wird, so daß auf jedem Diffusionsbereiche eine Schicht aus Halbleitermaterial in Form eines Einkristalls hergestellt wird, während auf dem isolierenden Oxidfilm eine Schicht des mehrkristallinen Halbleitermaterials gebildet wird, daß auf den Schichten des Halbleitermaterials in Form des Einkristalls Überzüge zur Abschirmung von geladenen Teilchen gebildet werden, daß die Oberfläche des Substrats mit beschleunigten geladenen !Teilchen bestrahlt wird, um die geladenen Teilchen in die Schicht aus mehrkristallinem Halbleitermaterial zu injizieren, und daß die mit den geladenen Teilchen injizierte Schicht des mehrkristallinen Halbleitermaterials erhitzt wird, um das Halbleitermaterial der mehrkristallinen Schicht in eine Oxidisolierung umzuwandeln.
Ein vorteilhaftes Merkmal der vorstehend beschriebenen Verfahren besteht darin, daß der Überzug zur Abschirmung der geladenen Teilchen aus einem Film aus einem Material wie Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Molybdän, Wolfram und Gemischen davon hergestellt wird.
Ein anderes Merkmal besteht noch darin, daß das Substrat aus Silizium in Form eines Einkristalls gebildet wird und daß die geladenen Teilchen aus Ionen eines Elements wie Indium, Gallium, Antimon, Zinn und Arsen bestehen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Pig. 1a, 1b und 1c schematische Längsschnittansichten zur Darstellung des sogenannten PLANOX- oder ISOPLANAR-Verfahrens zur selektiven Ausbildung von Oxidbereichen auf einem Substrat aus Halbleitermaterial in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten, wobei in diesen Figuren der Idealfall veranschaulicht ist,
Figo 2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt des Substrats nach der Ausbildung der Oxidbereiche nach dem Verfahren gemäß Figo 1,
Pig. 3a bis 3d den Fig« 1a bis 1c ähnelnde Ansichten, welche jedoch eine Abwandlung des Verfahrens gemäß den Figo 1a bis 1c veranschaulichen,
Pig. 4a bis 4e Teil-Längsschnittansichten eines Substrats aus Halbleitermaterial, das in verschiedenen Arbeitsschritten zur Herstellung eines Halbleiterelements mit Merkmalen nach der Erfindung bearbeitet wird,
Figo 5a bis 5m. Teil-Längsschnitte durch ein Substrat aus Halbleitermaterial, das zur Herstellung von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten behandelt wird,
Pig«, 5n eine Teilaufsicht auf die Anordnung gemäß Pigo 5m,
Figo 6A bis 6E der Pige 5 ähnelnde Ansichten, welche jedoch eine Abwandlung des Verfahrens gemäß Pige 5 veranschaulichen, und
Pig. 7a bis 7j Teil-Längsschnitte zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines sogenannten integrierten Large-Scale-Schaltkreises gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung in der Reihenfolge der Fertigungsschritte O
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In den I1Ig. 1a Ms 1c ist das vorher genannte, bekannte Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen insbesondere anhand der Yerfahrensschritte zur selektiven Oxydierung einer Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial in der Reihenfolge der Fertigungssehritte dargestellt. Gemäß !ig, 1a weist ein Siliziumsubstrat 10 eine Oberfläche 12 und einen Überzug 14 aus Siliziumnitrid (SiJSL) auf, welcher auf die Oberfläche 12 aufgetragen ist. Ersichtlicherweise können mehrere Überzüge aus Siliziumnitrid, wie der Überzug 14> selektiv in einem vorbestimmten Muster oder Schema auf der Oberfläche 12 des Substrats 10 angeordnet sein. Wenn das Substrat 10 gemäß Mg. 1a bei erhöhter Temperatur in einer oxydierenden Atmosphäre oxydiert wird, ergibt sich das Gebilde gemäß Hg, 1b. Gemäß Mg0 1b ist der nicht mit dem Überzug 14 versehene Abschnitt der Oberfläche des Substrats 10 unter Bildung eines Films 16 aus Siliziumdioxid (SiOp) oxydierte Gleichzeitig ist dabei der überzug 14 unter Bildung einer Oberflächenschicht 18 aus Siliziumdioxid teilweise oxydiert worden. Anschließend werden verdünnte Fluorwasserstoffsäure und heiße Phosphorsäure nacheinander angewandt, um die SiIiziumdioxidschicht 18 bzw. den Siliziumnitrid-Überzug 14 zu entfernen, so daß das Gebilde gemäß Fig. 1c erhalten wird«, Dabei besitzt das Substrat 10 auf seiner Oberfläche 12 selektiv ausgebildete Filme aus Siliziumdioxid, obgleich in der Zeichnung nur ein Siliziumdicxid-Film 20 dargestellt ist.
Beim Abtragen der Schicht 18 und des Überzugs 14 wird gleichzeitig der Oberflächenabschnitt des vorher auf der Substrat-Oberfläche 12 ausgebildeten Oxydfilms 16 entfernt, so daß der resultierende Oxidfilm dünner wird und seine Oberfläche gegenüber der freiliegenden Oberfläche 12 des Substrats 10 nur geringfügig höher liegt. In der Zeichnung ist dieser Höhenunterschied jedoch zur deutlicheren Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt, -beim nächsten Verfahrensschritt wird über
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die nunmehr freiliegenden Abschnitte der Oberfläche 12 ein dem Substrat leitfähigkeit verleihender Störstoff bzw. ein Fremdatom eindiffundiert, wodurch nicht dargestellte aktivierte Regionen gebildet werden.
Bei Anwendung dieses Verfahrens kann der Höhenunterschied zwischen der Oberfläche des Substrats und der Oberfläche des darauf aufgebrachten Siliziumdioxid-IPilms verkleinert werden, so daß die Bruchtendenz eines später auf das Substrat aufgebrachten Aluminium-Leitungszugs verringert wird.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Idealbedingungen beim genannten, bekannten Verfahren. Tatsächlich kann jedoch ein Oxydationsmittel, wie Sauerstoff oder Dampf, seitlich in den Teil des Substrats hineindiffundieren, der unmittelbar unter dem ITi tri düber zug 14 an der Grenzfläche der Substrat-Oberfläche zwischen dem Oberflächenabschnitt, auf den der ITitridüberzug aufgebracht ist, und dem Oberflächenabschnitt, auf welchem kein derartiger Überzug vorhanden ist, liegt. Der Diffusionsabschnitt wird unter Volumenvergrößerung oxydiert, so daß sich gemäß Fig. 2 auf der Oberfläche des Oxidfilms 16 an der Grenzfläche ein Vorsprung 22 ergibt. Infolge des auf diese Weise gebildeten Vorsprungs kann ein später quer darüber angeordneter Aluminium-Leitungszug möglicherweise brechen. Die Vorteile des bekannten Verfahrens lassen sich mithin nicht sicher erreichen.
Da zudem der Siliziumnitrid-Überzug 14 unmittelbar auf die Oberfläche 12 des Substrats 10 aufgetragen wird, können sich große G-itterschäden und hohe Beanspruchungen an dem Abschnitt der Substrat-Oberfläche 12 ergeben, welche1 mit dem Nitrid-Überzug 14 in Berührung steht, was auf den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Werkstoffen des Überzugs 14 und des Substrats 10 zurückzuführen ist. Dies ist
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im Hinblick
jedoch/auf die Eigenschaften des fertigen Hal'bleiterelements unerwünscht.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung der genannten Gitterschäden und Beanspruchungen besteht darin, eine Fläche eines Halbleitersubstrats gemäß Mg. 3, in welcher den Teilen von Mg. entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind, mit einem Siliziumnitrid-Überzug über einen dazwischengefügten Siliziumdioxid-Film zu beschichten.
Gemäß Mg. 3a weist ein aus Halbleiter-Silizium bestehendes Substrat 10 einen auf seine Oberfläche 12 über einen dünnen Mim 24 aus Siliziumdioxid aufgebrachten Siliziumnitrid-Überzug 14 auf. Ersichtlicherweise sind dabei mehrere derartige Überzüge 14 über jeweils zugeordnete, dünne Oxidfilme 24 selektiv auf der Oberfläche 12 des Substrats 10 angeordnet. Durch anschließendes Oxydieren des Substrats 10 mit dem überzug 12 und dem Mim 24 auf die vorher in Verbindung mit Mg.1 beschriebene Weise wird dann gemäß Mg. 3b ein Siliziumdioxid-Mlm 16 auf dem Abschnitt der Substrat-Oberfläche 12 ausgebildet, auf welchen der Nitrid-Überzug nicht aufgetragen ist. Wie in Verbindung mit Mg. 2 beschrieben, kann dabei ein Oxydationsmittel, wie Sauerstoff oder Dampf, seitlich in das Substrat hineindiffundieren und den unmittelbar unter dem Endabschnitt des Überzugs 14 an der Grenzfläche desselben liegenden Abschnitt des Substrats 10 oxydieren.
Anschließend wird zunächst heiße Phosphorsäure o.dgl. benutzt, um den Siliziumnitrid-Überzug 14 abzutragen, worauf verdünnte Fluorwasserstoffsäure angewandt wird, um den dünnen Mim 24 aus Siliziumdioxid zu entfernen, bis die Oberfläche 12 des Substrats in einem vorbestimmten Muster oder Schema freiliegt. Während der Abtragung des Siliziumdioxid-Mlms ätzt die Fluorwasserstoffsäure das Siliziumdioxid in wesentlich stärkerem
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Ausmaß als das das Substrat 10 bildende Silizium. Infolgedessen wird auf der Substrat-Oberfläche 12 gemäß J1Xg0 3c an einem Randabschnitt eines dicken Films 20 aus Siliziumdioxid eine Ausnehmung bzw. Nut 26 gebildet. Wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1c ist die Abtragung des dünnen Siliziumdioxid-Films 24 von einer gleichzeitigen Abtragung der Oberfläche des Oxidfilms 16 begleitet, so daß ein Siliziumdioxid-Film 20 zurückbleibt, der etwas dünner ist als der ursprüngliche Film 20.
Anschließend kann über die freiliegenden Abschnitte der Oberfläche 12 ein dem Substrat 10 Leitfähigkeit verleihendes Fremdatom in das Substrat eindiffundiert werden, wodurch in letzterem nicht dargestellte, aktivierte Regionen gebildet werden. Anschließend kann ein aus Aluminium bestehender Lei— tungszug 28 so angeordnet werden, daß er gemäß Figo 3d den Oxidfilm 20 und die freiliegende Oberfläche 12 überbrückt. In Fig. 3d ist ein Hohlraum 30 dargestellt, welcher durch den Leitungszug 28, den Endabschnitt des Films 20 und den benachbarten Abschnitt der Substrat-Oberfläche 12 festgelegt wird. Dieser Hohlraum 30 kann zu einem Bruch des aus Aluminium bestehenden Leitungszugs 28 führen. Folglich lassen sich die Vorteile des bekannten Verfahrens nicht zufriedenstellend realisieren.
Außerdem sind die beiden, vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren bezüglich ihrer Behandlungsweise im Vergleich mit der Verwendung von Siliziumdioxid kompliziert, weil die Siliziumnitrid-Überzüge selektiv auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden«
Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß beim vorher beschriebenen, bekannten Verfahren elektrisch isolierende Elemente ausgebildet werden, die selektiv in einen Oberflä-
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ehenabschnitt eines Halbleitersubstrats eingebettet sind, so daß die Abschnitte der Substrat-Oberfläche, an welchen keine isolierenden Elemente vorgesehen werden, um später aktivierte Regionen zu bilden, und die Oberflächen der isolierenden Elemente zumindest über die eingebetteten Abschnitte hinweg plan ausgebildet werden können. Dies gewährleistet eine verringerte Bruchtendenz für die Aluminiumleitungszüge. Die genannten Verfahren sind jedoch bezüglich ihrer Behandlungsschritte kompliziert, und sie vermögen einen Bruch von Leitungszügen aus Aluminium nicht vollständig zu verhindern.
Die Erfindung beruht auf der Peststellung, daß aufgeladene Teilchen in ein Halbleitersubstrat injiziert werden können, um die Oxydationsgeschwindigkeit im Vergleich zu dem Abschnitt des Substrats zu erhöhen, in welchen keine aufgeladenen Teilchen injiziert worden sind. Die Erfindung strebt dergestalt die Ausschaltung der dem bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile an.
In den Fig. 4a bis 4e ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das in Mg0 4a dargestellte Substrat aus einem beliebigen Halbleitermaterial, wie Silizium, weist eine Oberfläche 12 auf, mit der ein Photowiderstands-Überzug 40 verbunden ist. In der Praxis ist eine Vielzahl derartiger Überzüge 40 selektiv in einem vorbestimmten Muster oder Schema auf der Oberfläche 12 des Substrats 10 angeordnet. Die Photowiderstands-Überzüge 40 können auf sie auftreffende, beschleunigte geladene Teilchen auffangen oder blockieren. Bevorzugte Beispiele für Werkstoffe des Überzugs 40 sind neben den üblichen Photo-widerstands-Materialien Siliziumnitrid (Si-JSL), Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (AIpO^) sowie Metalle, welche Ionen zu blockieren vermögen und welche leicht maschinell zu bear-
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beiten sind, beispielsweise Aluminium (Al), Molybdän (Mo), Wolfram (W) usw. Der Überzug 40 kann aus einer Schicht einer beliebigen der vorstehend genannten Verbindungen und Metalle oder aus einer Anzahl von derartigen, übereinander liegenden Schichten bestehen. Der Werkstoff des Überzugs 40 braucht lediglich die auf ihn auftreffenden, beschleunigten geladenen Teilchen aufzufangen, und er kann selektiv auf beliebige Weise auf der Substrat-Oberfläche 12 ausgebildet sein.
In die Oberfläche 12 des Substrats 10 werden geladene Teilchen injiziert, beispielsweise Ionen eines zweckmäßigen Elements, wie Zinn (Sn), nachdem sie auf die in lig. 4b durch die Pfeile 42 angedeutete Weise beschleunigt worden sind. Hierbei werden auf der Oberfläche 12 in einem vorbestimmten Muster Injektionsbereiche 44 ausgebildet, während gleichzeitig gemäß Fig. 4b auf der Oberfläche des Überzugs 40 ein Injektionsbereich 46 gebildet wird. Diese Ionen können wirksam aus Ionen eines Elements mit gegenüber dem das Substrat bildenden Halbleitermaterial hohem Atomgewicht bestehen., \Yenn das Substrat 10 beispielsweise aus Silizium (Si) besteht, können die Ionen von Indium (In), Gallium (Ga), Antimon (Sb), Zinn (Sn) oder Arsen (As) verwendet werden.
In der folgenden Beschreibung wird nunmehr auf Ionen von Zinn .Bezug genommen, die beschleunigt und in das Substrat injiziert werden, doch ist dabei zu beachten, daß die Erfindung gleichermaßen auch auf andere Elemente als Zinn anwendbar ist.
Die Photowiderstands-Überzüge 40 werden vom Substrat 10 auf bekannte Weise unter Verwendung von beispielsweise heißer Schwefelsäure abgetragen, um die ausgewählten Abschnitte der Substrat-Oberfläche freizulegen, während die Injektionsbereiche 44 in dem betreffenden Oberflächenabschnitt des Substrats
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10 praktisch eben bzw. bündig mit der freiliegenden Substrat-Oberfläche abschließen. Das resultierende Gebilde ist in Mg. 4c veranschaulicht.
Danach wird das auf diese Weise behandelte Substrat 10 in
einer oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise Sauerstoff
oder Dampf, erhitzt. Während dieser Wärmebehandlung werden diejenigen Abschnitte der Substrat-Oberfläche 12, in denen die Injektionsbereiche 44 ausgebildet wurden, beschleunigt oxydiert, so daß sich dicke filme 46 aus Siliziumdioxid bilden, während diejenigen Abschnitte der Oberfläche 12, in
welche keine Ionen injiziert worden sind, gemäß Mgo 4d einen dünnen PiIm 48 aus Siliziumdioxid bilden. Obgleich der Mechanismus, nach welchem die Injektionsbereiche mit höherer Geschwindigkeit oxydiert werden, derzeit noch nicht völlig bekannt ist, wird angenommen, daß das kristallographisehe Gefüge durch die in diese Bereiche injizierten, beschleunigten geladenen Teilchen in der Weise verändert wird, daß die Injektionsbereiche während der gleichen Oxydationszeit stärker oxydiert werden als die restlichen Bereiche der Oberfläche des Substrats 10.
In Mg. 4d bezeichnet die gestrichelte Linie die Oberfläche des Substrats 10 gemäß fig« 4a oder 4d, während mit 50 die nunmehr unmittelbar unter der dünnen Schicht 48 aus Siliziumdioxid gebildete Oberfläche des Substrats angedeutet ist.
Ersichtlicherweise schreitet die Oxydation etwas längs der Oberfläche des Substrats fort, so daß die Oberfläche 50 etwas kleiner ist als die durch den gegenüberliegenden Abschnitt des Injektionsbereichs 44 festgelegte fläche.
Anschließend wird der dünne MIm 48 aus Siliziumdioxid beispielsweise durch verdünnte Fluorwasserstoffsäure vom Substrat
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10 abgetragen. Zu diesem Zeitpunkt wird gleichzeitig ein Abschnitt des dicken Films 46 vom Substrat 10 entfernt. Die Siliziumdioxidabtragung wird fortgesetzt, bis der unmittelbar unter jedem dünnen Siliziumdioxid-I1Um 48 befindliche Abschnitt der Substrat-Oberfläche 50 freigelegt isto Das resultierende Gebilde ist in Fig. 4e dargestellt. Gemäß Fig. 4e ist der dicke Film 44 teilweise entfernt worden, so daß ein Film 52 aus Siliziumdioxid gebildet worden ist, dessen Oberfläche nur geringfügig über der freiliegenden Oberfläche 50 des Substrats 10 liegt»
nächsten Arbeitsschritt werden auf die vorher in Verbindung mit den ^ig. 1 und 3 beschriebene Weise nicht dargestellte aktivierte .Bereiche in den Oberflächenabschnitten des Substrats 10 ausgebildet. Sodann kann ein Leitungszug aus Aluminium auf das Substrat 10 aufgetragen werden» Dabei kann ein Teil des Leitungszugs die Siliziumelioxid-Filme 52 und die angrenzenden Abschnitte der freiliegenden Substrat-Oberfläche 50 überbrücken. Infolge des beschriebenen geringen Höhenunterschieds zwischen den beiden Oberflächen kann, die Gefahr für einen Bruch des Aluminium-Leitungszugs vermindert werden.
Yfenn die I'remdatomkonzentration des unmittelbar unter jedem Siliziumdioxid-Film 52 gelegenen Abschnitts des Substrats erhöht werden soll, können die geladenen Seilchen für die P-Dotierung aus einem Element der III. Gruppe des Periodischen Systems, wie Indium, und für die N-Dotierung aus einem Element der V0 Gruppe des Periodischen Systems, wie Antimon, bestehen. Die Verwendung von geladenen Teilchen aus Zinnionen ist insofern vorteilhaft, als dadurch Gitterschäden und Beanspruchungen im Injektionsbereich vermindert werden können, so daß der unmittelbar unter den Filmen 52 befindliche Abschnitt des Substrats daran gehindert wird, auf eine N-Lei-
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tung überzugehen<
Die Erfindung ist vorstehend in Verbindung mit der Anwendung von Photowiderstands-Überzügen beschrieben, die selektiv in der Weise auf das Substrat aufgebracht sind, daß auf letzterem selektiv Injektionsbereiche gebildet werden, worauf der Werkstoff der Injektionsbereiche in ein elektrisch isolierendes Material umgewandelt wird. Innerhalb des Rahmens der Erfindung kann jedoch auch ein Strahl geladener Teilchen bei weggelassenen Photowiderstands-Überzügen selektiv in das Substrat injiziert werden. Obgleich vorstehend angegeben ist, daß die Oxydation nach dem Entfernen der Photowiderstands-Überzüge erfolgt, kann dieser Behandlungsschritt gewünschtenfalls durchgeführt werden, während sich die Siliziumnitrid-Überzüge noch auf dem Substrat befinden.
Um eine tiefer in das Innere des Substrats hineinreichende isolierende Oxidschicht zu bilden, können vergleichsweise leichte Ionen, wie Protonen oder Heliumionen, in das Substrat injiziert werden, worauf geladene Teilchen, deren Atomgewicht größer ist als dasjenige der das Substrat bildenden Atome, in das Substrat injiziert werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Oxidisolationen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und einfach in einem vorbestimmten Muster bzw. Schema im Substrat ausgebildet werden können, ohne daß die bisher erforderlichen komplizierten Verfahrensschritte angewandt zu werden brauchen. Auf diese Weise können Halbleiterelemente hergestellt werden, welche die gewünschten Eigenschaften besitzen und welche im Betrieb sehr zuverlässig sind.
In den !"ig* 5a bis 5m» in. denen den Teilen von !ig. 4 ent-
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sprechende Teile mit den gleichen ±>ezugsziffern bezeichnet sind, ist ein Verfahren zur Herstellung von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung in der Reihenfolge der Verarbeitungs- bzw. Fertigungsschritte dargestellt.
Beim Verfahren gemäß Fig. 4 wurde zur !Beschleunigung der Oxydation ein Strahl von Ionen als beschleunigte geladene Teilchen verwendet. Dabei ist zu beachten, daß nach Belieben ein Strahl von Elektronen, ein Neutronenfluß, radioaktive Strahlung und dgl. für denselben Zweck angewandt werden kann. Von diesen Möglichkeiten besitzen jedoch Ionenstrahlen die größte Vielfältigkeit, weshalb die Erfindung im folgenden typischerweise in Verbindung mit der Verwendung eines Ionenstrahls beschrieben ist.
Gemäß Fig. 5a wird zunächst ein Überzug 40' aus einem einen Ionenstrahl blockierenden bzw. abschirmenden Material, wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, einem Photowiderstand ο.dgl., auf die Oberfläche 12 eines Silizium-Substrats 10 aufgebracht. Wie erwähnt, sind Beispiele für ein abschirmendes Materials Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Photowiderstandsmaterial und dglo. Obgleich in Fig. 5a nur ein einziger Überzug 40 dargestellt ist, werden in der Praxis mehrere derartige Überzüge 40 in vorbestimmtem Muster auf dem Substrat 10 ausgebildet, indem beispielsweise ein bekanntes selekt-ives Ätzverfahren, ein chemisches Ätzverfahren, ein Rückstreuverfahren oder ein Plasma-Ätzverfahren sowie ein ebenfalls an sich bekanntes Photolithographieverfahren angewandt werden. Lediglich aus Gründen der Erläuterung ist das Substrat als nur einen einzigen Überzug 40' aufweisend dargestellt. Die Dicke des Abschirm-überzugs 40' hängt dabei von der angewandten Beschleunigungsspannung für den Ionenstrahl und von der Art des Überzugsmaterials ab. Im Falle eines aus Siliziumdioxid bestehenden Überzugs hat es sich gezeigt, daß seine Dicke bei einer
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Beschleunigungsspannung von 100 kV zufriedenstellend im Bereich von 500 bis 700 £ und bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV im Bereich von 1000 "bis 15OO % liegt. Im Pail von Überzügen aus Photowiderstandsmaterial müssen 'diese die doppelte Dicke besitzen wie ein Siliziumdioxid-Überzug. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Überzug 40' aus einem Photowiderstandsmaterial in quadratischer lorm ausgebildet worden.»
Gemäß Pig. 5b wird die Oberfläche 12 des Substrats 10 mit einem Ionenstrahl 42 bestrahlt, wodurch schnell oxydierende Bereiche 44 gebildet werden. Die Ionenquelle besteht vorzugsweise aus einem Element, das schwerer ist als das Element, welches das Substrat 10 bildet, nämlich Silizium. Wie in Verbindung mit I1Ig0 4b beschrieben, können für diesen Zweck beispielsweise Indium, Gallium, Antimon, Zinn oder Arsen verwendet werden, obgleich sich auch andere Elemente als lonenlieferant eignen.
Sodann wird der abschirmende Überzug 40' nach einem bekannten, vorstehend erwähnten selektiven Ätzverfahren vom Substrat abgetragen. Danach wird die Oberfläche 12 des Substrats 10 in einem Hochtemperatur-Oxydationsofen oxydiert, der eine zweckmäßige Oxydationsatmosphäre, wie Sauerstoff oder Dampf, bei einer Temperatur von mehr als 900°0 enthält. Während dieses Oxydationsvorganges v/erden die mit dem Ionenstrahl 40 bestrahlten Bereiche 44 im Vergleich zu den restlichen Abschnitten der Substrat-Oberfläche 12 oder dem vorher mit dem abschirmenden Überzug 40! versehenen Abschnitt des Substrats schneller oxydiert. Durch entsprechende Auswahl der Art des Ionenstrahlsj eines lonenstroms, einer Besohleunigungsspannung für den Ionenstrahl, der Bedingungen für die thermische Oxydation nach, der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl, beispielsweise der Art der Oxydationsatmosphäre, der Oxydationstempe-
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ratur, der Oxydationszeit usw., kann das Verhältnis der Oxydationsgesohwindigkeit zwischen den Bereichen 44 und den restlichen Abschnitten der Substrat-Oberfläche beliebig gewählt werden.
Fig. 5c veranschaulicht das entstandene Gebilde nach der Oxydation mit dem gewünschten Verhältnis der Oxydationsges c hwi ndi gkei t.
Gemäß Figo 5c besitzt ein im bestrahlten i3ereich 44 ausgebildeter Siliziumdioxid-Film 46 eine andere, d.h. größere Dicke als ein Siliziumdioxid-Film 48, der auf dem Abschnitt der Substrat-Oberfläche gebildet worden ist, welche nach dem Abtragen der zugeordneten, abschirmenden Überzüge 40' gebildet worden ist. Der Film 48 ist dabei mit einer dem Halbleitermaterial des Substrats 10 eigenen Oxydationsgeschwindigkeit ausgebildet worden. Infolgedessen befindet sich die Grenzfläche zwisehen dem Film 46 und dem angrenzenden Abschnitt des Substrats 10 dichter ander gegenüberliegenden bzw. -ßodenflache des Substrats 10 als die Grenzfläche zwischen dem Film 48 und dem benachbarten Abschnitt des Substrats 10, so daß zumindest ein Teil des Siliziumdioxid-Films 46 in das Substrat 10 eingebettet ist. Außerdem weist der Abschnitt des Films 46, welcher sich dichter an der Bodenfläche des Substrats 10 befindet als die Grenzfläche zwischen dem Film 48 und dem benachbarten Abschnitt des Substrats, eine einwärts^erichtete Erweiterung auf, die dazwischen einen -Bereich aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial, d.h. Silizium, festlegt. Dieser bereich besitzt gemäß Fig. 5c eine Länge L', die kleiner ist als diejenige der freiliegenden Oberfläche des Films 48 entsprechend der Länge L1 des zugeordneten Überzugs 40' gemäß Figo 5a. Diese Erweiterung ergibt sich sowohl aus einem Unterschied zwischen den Oxydationsgeschwindigkeiten der Filme 46 und 48 als auch dadurch,
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daß die Oxydation des Halbleitermaterials bzw. Siliziums in waagerechter Hichtung einwärts längs der Grenzfläche zwischen dem PiIm 48 und dem benachbarten Abschnitt des Substrats 10 fortschreitet, was auf den Mechanismus zurückzuführen ist, durch den das Substrat oxydiert wird. Diese Erweiterung ist in 3?igc 5c lediglich zur deutlicheren Veranschaulichung übertrieben groß eingezeichnet.
Anschließend werden nach einem an sich bekannten Ätzverfahren der vorher genannten Art Teile der Filme 46 abgetragen und der Film 48 entfernt, bis die Grenzflache zwischen dem Film 48 und dem angrenzenden Teil des Substrats 10 freigelegt ist, so daß gemäß Fig. 5d ein Fenster 54 für die -Basisdiffusion gebildet wird. Die Länge L' des Fensters 54 ist kleiner als die Länge. L1 des abschirmenden Überzugs 40'. Wenn der Film 46 beispielsweise eine Dicke D und sein unterhalb der Oberfläche des Substrats 10 liegender Abschnitt eine Dicke D1 besitzt, können der Dickenunterschied D-D1 sowie der längenunterschied Jj^-Ii* durch entsprechende Auswahl des Verhältnisses der Oxydationsgeschwindigkeit zwischen den Filmen 46 und 48 oder der Bedingungen für die Bestrahlung mit einem Ionenstrahl und für die Oxydation nach der Bestrahlung auf einen beliebigen gewünschten Wert eingestellt werden.
Räch der Ausbildung des Fensters 54 wird ein an sich bekanntes selektives Diffusionsverfahren zur Bildung von Basisdiffusionsbereichen 56 mit einer Dicke von X .-o in den unmittelbar unter den Fenstern 54 befindlichen Abschnitten des Substrats angewandt, . um auf diese Weise einen Basisübergang "bzw. eine Basisgrenzfläche zu bilden. Hierauf wird ein nicht dargestellter, im Fenster 54 gewachsener Siliziumdioxid-Film chemisch weggeätzt. Das dabei erhaltene Gebilde ist in Fig· 5e dargestellt. Gleichzeitig mit dem Abtragen des im Fenster angewachsenen Films werden die Siliziumdioxid-Filme 46 teilweise weggeätzt, um die Gesamtdicke D zu ver-
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kleinem. Die Effektivdicke D der Siliziumdioxid-Pilme 46 kann groß sein, während die Dicke D-D1 des über der Oberfläche des Substrats liegenden Abschnitts des Films 46 auf einem mit der entsprechenden Dicke bei nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Halbleiterelementen vergleichbaren Wert gehalten wird.
Hierauf wird ein Überzug 58 einer vorbestimmten Form zur Abschirmung eines Ionenstrahls an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen auf der Oberseite des -öasisdiffusionsbereichs 56 im Substrat 10 auf die vorher in Verbindung mit Pig. 5a beschriebene Weise aufgetragen. Gemäß Hg0 5f weist der Abschirmüberzug 58 drei auf Abstände stehende, parallele Abschnitte mit -Breiten von L?, L~ bzw. Lp auf. Der Überzug 58 kann für die spätere Ausbildung von Penstern für eine -Basiselektrode, für die Emitterdiffusion und eine Emitterelektrode herangezogen werden.
nächsten Verfahrens schritt wird die Oberfläche des Gebildes gemäß Pig. 5f mit einem Ionenstrahl 42 bestrahlt, um auf die vorher in Verbindung mit Pig. 5b beschriebene Weise einen Bereich 60 mit hoher Oxydationsfähigkeit auszubilden. Die auf diese Weise erzielte Konstruktion ist in Pig. 5g dargestellt.
Die Dicke des .Bereichs 60 kann ohne weiteres durch Auswahl der bedingungen für den Ionenstrahl 42, der -Beschleunigungsspannung für diesen und anderer Paktoren gesteuert werden. Genauer gesagt, kann die Dicke des -Bereichs 60 jede beliebige Größe besitzen, bei welcher eine Emitterdiffusion erreicht und eine ausreichende -breite eines Emitterstreifens erzielt wird, welche den Hochfrequenzeigenschaften des resultierenden Halbleiterelements Rechnung trägt, ohne daß die beim Verfahrensschritt gemäß Pigo 5e gebildeten Basisübergänge zusammenbrechen.
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Sodann wird der in Verbindung mit Pig. 5c beschriebene Verfahrensschritt wiederholt, um auf dem -üasisdiffusionsbereich 56 einen schnell oxydierten, teilweise in den .bereich 56 eingebetteten film 62 und einen normal oxydierten Film wachsen zu lassen. Die dabei gebildete Konstruktion ist in Fig. 5h veranschaulicht. Wie bei dem Gebilde gemäß Figo 5c sind die eingebetteten, parallelen Abschnitte des Films 60 mit ihren Unterseiten dichter an der .basis-Kollektor-Übergangsflache angeordnet als die Unterseite des normal oxydierten Films, welcher in den Abschnitten des Substrats ausgebildet worden ist, auf die vorher der Abschirmüberzug 58 aufgetragen wurde. Außerdem sind zwischen die eingebetteten, parallelen Abschnitte des Films 58 Siliziumbereiche eingeschichtet, deren längen M, Li und LA kleiner sind als die Längen Lp, L^ und Lp der beim Verfahrensschritt gemäß Fig. 5f abgeschirmten Bereiche.
Durch Ausnutzung des Mechanismus, durch den der schnell oxydierte Film gebildet wird, ist es möglich, die Größe eines vorher gebildeten Fensters für die Emitterdiffusion auf die durch die Photolithographieverfahren bestimmte Größe zu reduzieren, während das Verhältnis zwisehen dem Umfang und der Fläche eines Emitters wesentlich vergrößert wird» Hieraus ergeben sich sehr wirksame Möglichkeiten zur Herstellung von Halbleiterelementen und insbesondere von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen.
Zur selektiven Ätzung des Siliziumdioxid-Films zwecks Ausbildung eines Fensters für die Emitterdiffusion wird dann ein bekanntes Photolithographieverfahren angewandt. Dabei wird ein Überzug 64 für die selektive Ätzung des Siliziumdioxid-Films 46, beispielsweise ein Photowiderstands-Überzug, auf die Oberfläche der Konstruktion gemäß Fig» 5h aufgebracht, jedoch mit Ausnahme des Abschnitts, an welchem das Fenster
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für die Emitterdiffusion gebildet werden soll. Die dabei erhaltene Konstruktion ist in Pig« 5i dargestellt, bei welcher eine zentrale Ausnehmung zwischen den Abschnitten des Films 62 als Fenster dargestellt ist, durch welches hindurch die Emitterdiffusion durchgeführt wird.
Im Anschluß hieran wird nach einem zweckmäßigen Photoätzverfahren der überzug 64 zusammen mit dem für das Emitterfenster vorgesehenen Abschnitt des Siliziumdioxid-Films chemisch geätzt, so daß gemäß Pig. 5D ein Fenster 66 für die Emitterdiffusion gebildet wird.
Daraufhin wird über das Fenster 66 ein gewünschtes Sremdatom für die Emitterdiffusion in das Substrat bzw. den -Basisdiffusionsbereich 56 diffundiert, um einen Emitterdiffusionsbereich 68 mit einem Emitterübergang zwischen beiden -Bereichen 68 und 56 auszubilden. Das resultierende Gebilde ist in Fige 5& dargestellt. Y/ährend dieser Emitterdiffusion ist darauf zu achten, daß die Diffusionslänge bzw. -tiefe Σ.-ρ nicht die Dicke Dp (Fig. 5ö) der unter der freiliegenden Oberfläche des Fensters 66 gelegenen Abschnitte des Films überschreiten darf. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der resultierende Übergang bzw. Grenzfläche keine Krümmung besitzt und außerdem der Smitter-Kollektor-Übergang im Vergleich zu den nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Übergängen einer sehr viel höheren Spannung zu widerstehen vermag.
Außerdem ist die in einer solchen Atmosphäre, daß ein Siliziumdioxid-Film 70 im Emitterfenster 66 gebildet wird, durchgeführte Diffusion für den nachfolgenden Verfahrensschritt der Anordnung von Fenstern für Emitter- und Basiselektroden im Siliziumdioxid-Film von -Bedeutung.
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51 veranschaulicht die Konstruktion, nachdem Fenster 72 und 74 für Emitter- und Basiselektroden im Siliziumdioxid-MIm 62 ausgebildet worden sind. Dabei ist es möglich, diese Fenster gleichzeitig zwischen den Filmabschnitten 60 anzuordnen, indem das Substrat 10 in eine Lösung zum Ätzen des Siliziumdioxid—Films, beispielsweise in eine Lösung aus Ammoniumfluorid eingetaucht wird, um den Siliziumdioxid-Film auf dem Substrat 10 gleichmäßig über seine gesamte Oberfläche hinweg zu ätzen, ohne bei der Photolithographiebehandlung den Siliziumdioxid-Film, der in dem vorher mit dem Abschirmüberzug 58 (Fig. 5f) versehenen Abschnitt des Substrats angewachsen ist, und den während der Emitterdiffusion (Fig. 5k) im Fenster 66 angewachsenen Siliziumdioxid-Film 68 zu beeinflussen. Der chemische Ä'tzvorgang ist beendet, wenn die Oberfläche des Substrats 10 durch beide Fenster 72 und 74 hindurch sichtbar ist.
Bei der Konstruktion gemäß Figo 51 besitzen die Übergänge für die Emitter- und Basis diffusions be reiche jeweils TJmfangsränder, welche von den schnell oxydierten Filmen 62 und 46 umschlossen sind. Die Enden der Übergänge werden folglich daran gehindert, die Hauptflächen 54 bzw» 66 der Diffusionsbereiche 56 bzwο 68 zu erreichen, wie dies bei den Diffusionsbereichen bei den bisherigen Halbleiterelementen der Fall ist. Auch wenn die in den Elektrodenfenstern befindlichen Siliziumdioxid-Filme auf chemischem Wege etwas zu stark geätzt werden, wird dabei verhindert, daß die Enden der Übergänge unmittelbar zur Oberseite des Substrats hin frei liegen. Vielmehr wird durch unzureichendes chemisches Ätzen des Siliziumdioxid-FiIms zwecks Freilegung der Bodenfläche des Emitterbereichs gewährleistet, daß die effektive Kontaktfläche mit einer Elektrode vergrößert werden kann. Hierdurch wird die Möglichkeit einer Steuerung des Oxydätz-Schritts zur Bildung der Fenster für die Emitter- und Basiselektroden
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verbessert, was zur Stabilität dieses Verfahrensschritts beiträgt.
Danach wird ein zur Verwendung als Elektrode für Halbleiterelemente geeignetes Metall in an sich bekannter Weise auf die Oberfläche des Elements gemäß Pig. 51 aufgetragen. Pur diesen Zweck kann ein bekanntes Vakuumverdampfungs-, Aufsprühverfahren o. dgl« angewandt werden, während das auf die Oberfläche des Elements gemäß Figo 51 aufzutragende Metall aus Aluminium oder einer Kombination einer Vielzahl von Metallen, beispielsweise aus einer Kombination aus Platinsilizid, Titan, Molybdän und Gold in Porm von übereinanderliegenden Schichten O0dgl. bestehen kann. Sodann wird nach einem bekannten Photoätzverfahren das aufgetragene Metall weggeätzt, so daß die Metallabschnitte in den gewünschten Positionen auf der Oberfläche des Elements zurückbleiben. Hierbei werden gemäß I1Ig0 5m eine Emitterelektrode 76 und eine Basiselektrode 78 ausgebildet.
Nachdem die Konfiguration der Elektroden nach einem Photolithographieverfahren festgelegt worden ist, wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die Haftung bzwo Adhäsion des Metalls für die Elektroden am Siliziumdioxid-Pilm zu ver-^ bessern und das Metall mit niedrigem Widerstand mit dem Silizium-Substrat zu kontaktieren. Während dieser Wärmebehandlung kann das Metall in jfο Ige der Reaktion des Elektrodenmetalls auf dem das Substrat bildenden Silizium in das Substrat in Richtung seiner Tiefe eindringen. Alternativ kann das Metall seitlich in die Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Substrat eintreten. Dies kann die Gefahr hervorrufen, daß die Übergänge und speziell der Emitterübergang weggebrochen werden. Zur -Begrenzung dieser Reaktion in Richtung der Tiefe des Substrats sind bereits zahlreiche Maßnahmen vorgeschlagen
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worden, beispielsweise die Verwendung von Metallsiliziden, die Verwendung von mehrschichtigen Elektroden und dglo. Der Durchbruch infolge der Reaktion hat jedoch einen Einfluß auf die Steuerung des Verfahrensschritts der chemischen Ätzung der Fenster, in denen die aufgelegten/Elektroden angeordnet sind. Bei den herkömmlichen Verfahren war es schwierig, diesen Durchbruch völlig zu vermeiden.
Im Gegensatz dazu ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, daß der Umfang des inneren Übergangs für den Emitterbereich vollständig vom angrenzenden Siliziumdioxid-Film umschlossen ist, so daß seine Enden innerhalb des Substrats liegen. Infolgedessen kann ein Durchbruch infolge der Reaktion des Elektrodenmetalls auf dem Silizium vollständig verhindert werden, was eines der kennzeichnenden Merkmale der Erfindung darstellt ο
Hg, 5η. ist eine Aufsicht auf die Konstruktion, bei welcher die -Basiselektrode 76 U-Form besitzt, während die Emitterelektrode 74 zwischen den Schenkeln des "U" angeordnet ist. Gemäß Pig, 5m ragen die Emitterelektrode 76 und die Basiselektrode 78 unter Bildung einer überstehenden/Anordnung über die Oberfläche des Siliziumdioxid-Films 46 hinaus, so daß zwischen jeder dieser Elektroden und dem Kollektorbereich eine zusätzlich Kapazität vorhanden ist. Diese zusätzlichen Kapazitäten lassen sich jedoch durch Verkleinerung der Dicke des Siliziumdioxid-films 46 herabsetzen. Bei den herkömmlichen Verfahren führte dagegen eine Vergrößerung der Dicke des Siliziumdioxid-Films 46 zu einem vergrößerten Höhenunterschied zwischen dem Substrat 10 und dem Siliziumdioxid-Film, wodurch Brüche Äfec Verbindungen mit den Elektroden hervorgerufen wurden. Infolgedessen durfte dieser IiIm nicht sehr dick sein»
Mit dem Verfahren gemäß Figo 5 kann zudem die Produktions-
+) und ++) oder Overlay-
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- 50 leistung wesentlich erhöht werden.
Das vorstehend in Verbindung mit Figo 5a bis 5n beschriebene Verfahren läßt sich auf die in Figo 6k bis 6S, in denen den vorher beschriebenen bauteilen entsprechende !Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind,/weiter abwandeln
diesem abgewandelten Verfahren werden die Verfahrensschritte gemäß den Pig. 5a bis 5e wiederholt, so daß im folgenden die anschließenden Verfahrensschritte anhand der Fig. 6k bis 6E erläutert werden.
Ein Silizium-Substrat 10 mit dem Aufbau gemäß Pig. 5e weist einen Abschirm-Überzug 58 an einer vorbestimmten Stelle der Oberseite eines Basisdiffusionsbereichs 56 auf, der vorher auf die in Verbindung mit Pig. 5a beschriebene Weise im Substrat ausgebildet worden ist. Der Überzug 58 dient zur Abschirmung eines Ionenstrahls und kann zur Ausbildung von Penstern für die Emitterdiffusion und später für eine Emitterelektrode verwendet werden.
Gemäß Pigo β-ü wird die Oberseite des in Figo oA dargestellten Gebildes mit einem Ionenstrahl 42 bestrahlt, um einen Bereich 60 mit einer Dicke zu bilden, welche durch die vorher in Verbindung mit Pigo 5g beschriebenen Erfordernisse bestimmt wirdo Der Bereich 60 besitzt dabei schnelle Oxydationsfähigkeit.
Anschließend wird das Substrat 10 auf vorher in Verbindung mit Pig. 5c erläuterte Weise einer Hochtemperatur-Oxydationsbehandlung in einer zweckmäßigen Atmosphäre unterworfen, so daß auf dem und im .Basisdiffusionsbereich 56 ein schnell oxydierter Bereich 62 gebildet wird. Hierbei ist zu beachten, daß der ■Bereich 62 wiederum das charakteristische Merkmal besitzt, daß ein später auf dem Basisdiffusionsbereich 56 gebildetes Fenster für die Emitterdiffusion eine kleinere Breite besitzt, als sie
+) dargestellte Weise
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nach dem Photolithographieverfahren erzielt werden kann. Die resultierende Konstruktion ist in lig. 60 dargestellt.
Sodann wird unter Ausnutzung des Dickenunterschieds zwi-
• / auf
sehen einem/dem für einen Emitterdifiusionsbereich vorgesehenen Anschnitt des Substrats gebildeten Siliziumdioxid-PiIm und dem um diesen Emitterdiffusionsbereich herum£elegenen, schnell oxydierten Bereich die gesamte Fläche des Siliziumdioxid-Films auf der Oberseite des Substrats 10 mit einer geeigneten Ätzlösung der vorstehend in Verbindung mit Fig. 51 beschriebenen Art gleichmäßig geätzt, um gemäß Figo 6D ein Fenster 66 für die Emitterdiffusion auszubilden.» Dabei ist zu beachten, daß kein Photolithographieverfahren erforderlich ist«
Bei der Konstruktion gemäß Fig. 6D erfolgt die Emitterdiffusion auf die vorher im Zusammenhang mit Fig. 5k beschriebene Weise, worauf nach einem an sich bekannten Photoätzverfahren Fenster 72 und 74- für Emitter- und Basiselektroden ausgebildet werden. Die dabei erhaltene Konstruktion ist in Fig. 6E veranschaulicht. Ein Emitterübergang endet dabei an dem angrenzenden, schnell oxydierten Bereich, ohne mit der Oberfläche des Emitterdiffusionsbereichs zusammenzufallen. Das eben beschriebene Verfahren gewährleistet somit wiederum die beiden charakteristischen Merkmale, nämlich einmal eine Kapazitätserniedrigung infolge, der Querfläche des schnell oxydierten Films und zum anderen der Verbesserung der Durchführung des chemischen Ätzvorganges zum Abtragen des Siliziumdioxid-Films im Tftni tterfenster beim Entfernen des Siliziumdioxid-Films in einem Fenster für eine Emitterelektrode.
Hierauf können in den Fenstern 72 und 74 Elektroden angeordnet werden, und die Verbindung zu den Elektroden zwecks Fertigstellung des Halbleiterelements kann in an sich bekannter
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Weise geschehen, -Bei diesem Halbleiterelement liegt das -Basisfenster 74 praktisch auf einer Ebene mit der Unterseite des Films 68 (Figo 6E), so daß der Höhenunterschied zwischen dem xSasisfenster 74 und der -^odenflache des Emitterdiffusionsbereichs 66 kleiner ist als beim Verfahren gemäß Fig. 5. Auf diese V/eise kann der Ba sis streuwiderstand wirksam herabgesetzt werden.
der Herstellung von Halbleiterelementen unter Ausnutzung des vorher beschriebenen, schnell oxydierten Films lassen sich folgende Vorteile erzielen;
(1) Die Gesamtdicke eines Siliziumdioxid-Films - im folgenden als Oxidfilm bezeichnet - kann vergrößert werden, ohne die Dicke des auf der Oberfläche eines Halbleiter-Substrats befindlichen Abschnitts des Films su vergrößern,,
Bei Halbleiterelementen, die so ausgebildet sind, daß auf dem Oxidfilm aufgetragene bzw. überstehende/ülektroden angeordnet sind, kann daher eine zusätzliche Kapazität infolge des zwischen jeder Basis- und Emitterelektrode sowie dem Kollektor befindlichen Abschnitts des Oxidfilms vermindert werden, ohne die Verbindungen zu den Elektroden zu unterbrechen. Mit anderen Worten: Durch entsprechende Auswahl der Bedingungen für die -Bestrahlung mit einem Ionenstrahl, einem Elektronenstrahl, einem Neutronenfluß, radioaktiver Strahlung und dgl. sowie der -Bedingungen für die Wärmebehandlung nach dieser Bestrahlung kann der erfindungsgemäß ausgebildete Oxidfilm derart gesteuert werden, daß die Gesamtdicke dieses Films groß gehalten wird, während der auf der Oberfläche des Substrats befindliche Teil des Films auf eine zweckmäßige Dicke eingestellt werden kanno
(2) Hierbei kann auf einem Halbleiterelement jedes beliebige Muster ausgebildet werden, das feiner ist als das Muster,
+) oder Overlay- 4Q984U/0841
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welches nach dem herkömmlichen Photolithographieverfahren unter Verwendung eines optischen Systems erzielt wird.
Indem erfindungsgemäß zunächst ein Oxidfilm und sodann ein Muster bzw. Schema gebildet wird, läßt sich ein beliebiges feines Muster mit einer kleinsten zulässigen Streifenbreite von 1,0 μ oder weniger erzielen. Genauer gesagt, wird zunächst ein Material in der form eines Überzugs, welcher einen Ionenstrahl, einen Elektronenstrahl o.dglo abzuschirmen vermag, auf diejenige !lache eines Halbleiter-Substrats aufgetragen, auf welcher ein Muster in der gewünschten Konfiguration ausgebildet werden soll. Wie erwähnt, kann es sich bei dem Abschirmmaterial um Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein Photowiderstandsmaterial und dgl« handeln. Sodann wird ein an sich bekanntes Photolithographieverfahren angewandt, um auf dem Überzug ein feines Muster mit der gewünschten Streifenbreite L auszubilden. Hierauf wird die das Muster tragende Oberfläche des Substrats mit einem Ionenstrahl, einem Elektronenstrahl Oodgl. bestrahlt, um den ±sereichen der Substrat-Oberfläche, auf welche der Abschirm-Überzug nicht aufgetragen worden ist, die gewünschte schnelle Oxydationsfähigkeit zu verleihen. Nach der üestrahlung wird der Abschirm-Überzug auf passende Weise vom Substrat entfernt, worauf letzteres in einer zweckmäßigen oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise einer Atmosphäre aus feuchtem Sauerstoff, bei 9000G oder mehr während einer für die Oxydation der Substrat-Oberfläche ausreichenden Zeitspanne erhitzt wird. Hierbei wird ein Muster erhalten, dessen Konfiguration derjenigen des ursprünglichen feinen Musters entspricht, das jedoch geringere Streifenbreite als dieses ursprüngliche Muster besitzt und welches durch den in das Substrat eingebetteten 'Abschnitt des schnell oxydierten Bereichs gebildet wird. Die resultierende Breite L' ist hiex-bei kleiner als die ursprüngliche Breite L0
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Im Anschluß daran wird der auf dem nicht bestrahlten Bereich der Substrat-Oberfläche gebildete Oxidfilm mittels einer zweckmäßigen chemischen Ätzlösung, z.B. Fluorwasserstoffsäure, weggeätat. Hierbei werden die gewünschten fenster mit der Streifenbreite L1, die kleiner ist als die ursprüngliche Breite L, in dem Oxidfilm auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet.
(3) Die schnelle Oxydation wird dazu ausgenutzt, einen elektrisch isolierenden Oxidfilm zu bilden, der mindestens einen in das Substrat eingebetteten Abschnitt aufweist. Infolgedessen weist der isolierende Film einen dicken Abschnitt auf. Unter Verwendung dieses Isolierfilms als Diffusionsabschirmungsfilm wird dann die Diffusion durchgeführt, um einen von dem in das Substrat eingebetteten Abschnitt des Isolierfilms umschlossenen Übergang auszubilden. Der dabei erhaltene Übergang weist Enden auf, welche nicht mit der Hauptfläche des Diffusionsbereichs zusammenfallen. Der übergang vermag daher einer höheren Spannung zu widerstehen als dies bisher möglich war.
Wenn der Übergang im Substrat mit einer kleineren Tiefe als der Dicke des in das Substrat eingebetteten schnell oxydierten Films ausgebildet wird, wodurch verhindert wird, daß der Übergang eine Krümmung erhält, kann dieser Übergang noch höheren Spannungen widerstehen. Wie erwähnt, verringert ein krümmungsfreier, mit einem Diffusionsbereich verbundener Übergang eine vom Diffusionsbereich herrührende zusätzliche Kapazität, die bei mit ultrahoher Frequenz arbeitender Halbleiterelementen nicht vernachlässigbar niedrig ist. Genauer gesagt, kann der schnell oxydierte Film zur Bildung eines Diffusionsbereichs mit einem krümmungsfreien Übergang in Form eines feinen Musters benutzt werden, dessen Streifenbreite • z.B. in den Emitterbereichen des mit ultrahoher Frequenz
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arbeitenden Halbleiterelements im Bereich von 1,0 Ms 1,5 P-liegen kann. Der auf diese Weise ausgeMlde Diffusionsbereich besitzt eine zusätzliche Kapazität, die nur aus einer zwischen seiner Unterseite und dem zugeordneten Kollektorbereich auftretenden Kapazität besteht. Die zusätzliche Kapazität kann daher um die an der Querfläche des Diffusionsbereichs auftretende Kapazität verringert werden.
(4) Durch die Anordnung der fenster für die Elektroden im Oxidfilm wird der PhotoätzVorgang, insbesondere für die Emitterelektrode von mit ultrahoher frequenz arbeitenden Halbleiterelementen, erleichtert.
Wie erwähnt, liegt die Oberfläche des unter Ausnutzung des schnell oxydierten films gebildeten Diffusionsbereichs nicht in einer Ebene mit den Enden des zugeordneten Übergangs. Selbst wenn daher der Oxidfilm auf chemischem Wege etwas zu stark angeätzt wird, wird hierdurch sichergestellt, daß der Übergang nicht am Ende oder an den Enden der Hauptfläche des Halbleiter-Substrats freiliegt.
In den I1Xg0 7a bis 73 ist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten large-Scale-Schaltkreises gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung dargestellt, bei welchem die Erscheinung ausgenutzt wird, daß mehrkristallines Silizium eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit besitzt als Silizium in ^orm eines Einkristalls. Daneben wird auch aus der vorher beschriebenen feststellung Nutzen gezogen, daß mit einem Ionenstrahl ο„dgl· bestrahltes kristallines Silizium eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit besitzt als unbestrahltes Silizium.
Gemäß fig. 7a wird die Oberfläche eines Substrats 100 aus einem Einkristall aus Silizium mit einem bestimmten Leitungstyp, beispielsweise vom P-Leittyp, mit einem Ionenstrahl be-
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strahlt, mit welchem in das Substrat Fremdatome desselben Leittyps wie das Substrat injiziert werden. Die beschleunigten Ionen werden hierbei in die gesamte Haupt- bzw. Oberfläche des Substrats injiziert, wie dies durch die Pfeile in Pig. 7a dargestellt ist. Beispiele für derartige Fremdatome sind Bor, Gallium, Indium usw., und das Fremdatom wird vorzugsweise in das Substrat mit einer Oberflächen-Fremd-rfccnkonzentration von etwa 101^ Atmosphären-cm (Atomen/cm. ) injiziert.
Die Injektion der Fremdatomionen soll das Auftreten der sogenannten Kanalerscheinung ( oder Kanalbildung..) verhindern, daß nämlich die Hauptfläche des Substrats beim nächsten Verfahrensschritt teilweise auf den entgegengesetzten Leittyp übergeht. Wenn unter Verhinderung der genannten Erscheinung ein Siliziumdioxid-Film auf der Hauptfläche des Substrats ausgebildet werden kann, dann kann auf die Injektion der Fremdatomionen verzichtet werden.
Anschließend wird auf der Hauptfläche des Substrats 100, in welche die Ionen injiziert worden sind, auf zweckmäßige "/eise eine Siliziumdioxid-Schicht 104 angeordnet, worauf nach einem an sich bekannten Photoätzverfahreη die Schicht 104 teilweise abgetragen wird und Öffnungen 106 ausgebildet werden, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist. Sodann wird ein zweckmäßiges Fremdatom, welches die dem Substrat entgegengesetzte Leitfähigkeit verleiht, wie z.B. Arsen, Phosphor o.dgl., über die Öffnungen 106 selektiv in das Substrat 100 eindiffundiert, um in das Substrat 100 eingebettete N+-3?yp-Schichten 108 zu bilden. Die auf diese Weise erhaltene Konstruktion ist in Fig. 7b veranschaulicht.
Im Anschluß hieran wird nach einem an sich bekannten Epitaxial-Wachstumsverfahren Silizium auf der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebaut. Hierauf wird auf der eingebetteten N+- SchiGht 108 N-Typ-Silizium in ^orm eines Einkristalls unter
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Bildung einer U-Typ-Scnicht 110 auf der Schicht 108 aufgebaut, während gemäß Figo 7c auf der Siliziumdioxidschicht 104 eine mehrkristalline Siliziumschicht 112 zum Wachsen gebracht wird ο
Hierauf wird gemäß Pig. 7d ein Überzug 114 aus Siliziumnitrid (Si,U.) auf beiden Siliziumschichten 110 und 112 angeordnet, wonach der auf der mehrkristallinen Siliziumschicht 112 befindliche Abschnitt dieses Überzugs 114 nach einem Pliotoätzverfahren abgetragen wirdo Die dabei erhaltene Konstruktion ist in I1Ig0 7e dargestellte Um ein Atzen des auf der I-Typ-Schicht 110 befindlichen Abschnitts des Silizium-Überzugs 114 zu verhindern, werden Masken 116, z.B. aus einem Photowiderstandsfilm, einem Siliziumdioxid-Film oder einem G-emisch daraus, auf die . epitaxial gewachsenen Schichten 110 aufgebracht.
Die mehrkristalline Siliziumschicht 112 wird dann zur Verringerung ihrer Dicke selektiv geätzt, während sich die Maske 116 noch auf den Schichten 110 befindete Es hat sich herausgestellt, daß die endgültige Dicke der Schicht 112 vorzugsweise etwa gleich dem Dickenunterschied zwischen der mehrkristallinen Schicht 112 und dem Siliziumdioxidfilm 104, dividiert durch einen faktor von 2 bis 2,5 sein sollte. Wenn die gewachsene N-Typ-Schicht 110 eine Dicke von 2 ax oder weniger besitzt, kann die Dicke der Schicht 112 nach dem Ätzen etwa derjenigen des Siliziumdioxid-IPilms 106 entsprechen. Falls jedoch keine Gefahr für einen Bruch der Verbindungen zwischen den Elementen im endgültig^integrierten Schaltkreis besteht, kann der eben beschriebene Verfahrensschritt auch weggelassen werden. Kurz gesagt, stellt der Verfahrensschritt der Dickenreduzierung der mehrkristallinen Siliziumschicht keinen wesentlichen Teil der Erfindung dar, so daß er durchgeführt werden kann, wenn dies erforderlich erscheint.
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Im Anschluß hieran wird gemäß Pig» 7g das Silizium-Substrat des Aufbaus gemäß Mg0 7f mit beschleunigten, geladenen Teilchen, wie Ionen eines zweckmäßigen Elements, z.B. Zinnionen, bombardierte Hierbei werden die beschleunigten, geladenen Teilchen nur in die mehrkristalline Siliziumschicht 112 injiziert, da diese Schicht 112 nicht mit dem Siliziumnitrid-Überzug 114 oder der Maske 116 versehen ist, welche zur Verhinderung eines Eindringens von Ionen in diese Schicht dienen» Wenn zum J3eschie-ßen des Silizium-Substrats ein Element mit größerem Atomgewicht als Silizium verwendet wird, werden günstigere Ergebnisse erzielt. Die für das Beschießen mit Ionen erforderliche elektrische Energie beträgt vorzugsweise mindestens 200 kV. Pur den gleichen Zweck können auch Ionen von Argon, Xenon o.dgl» angewandt werden0
ITach dem Ionenbeschuß werden die Masken 116 vom Substrat entfernt, worauf das Substrat mit der in I1Ig0 Th. dargestellten Konfiguration einer Wärmebehandlung in oxydierender Atmosphäre bei hoher Temperatur ausgesetzt wird. Hierbei wird das,die Schicht 112 bildende mehrkristalline Silizium in Siliziumdicxid umgewandelt, so daß es eine Siliziumdioxidschicht 120 vergrößerter Dicke bildet, während die Schicht 110 aus dem IT-Typ-Silizium in Porm eines Einkristalls infolge des Vorhandenseins des Siliziumnitrid-Überzugs 114, welcher die oxydierende Atmosphäre abzuschirmen vermag, nidit oxydiert wird.
Das besondere Merkmal der Erfindung besteht sowohl in der Ausnutzung der Peststellung, daß die mit Ionen injizierte Siliziumschicht eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit besitzt als eine Siliziumschicht, in welche keine Ionen injiziert worden sind, sowie der Erscheinung, daß mehrkristallines Silizium eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit besitzt als Silizium in Porm eines Einkristalls.
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Beispielsweise sei angenommen, daß die epitaxial gewachsene Schicht 110 aus Silizium in Form eines Einkristalls 2 μ dick ist, während die Siliziumdioxidschicht 104 eine Dicke von 1 μ besitzt und die mehrkristalline Siliziumschicht 112 mit den injizierten Ionen auf eine Dicke von 0,4 M geätzt wird. Unter den angenommenen Bedingungen bewirkt eine bei einer Temperatur von 11000O vorgenommene Y/ärmebehandlung in einer Atmosphäre aus feuchtem Sauerstoff während einer Erwärmungszeit von etwa 40 min eine Veränderung der mehrkristallinen Siliziumschicht 112 in die Siliziumdioxidschicht 120, so daß sich das Gebilde gemäß Fig. 7i ergibt.
Im Fall der aus Silizium in Form eines Einkristalls bestehenden Schicht 110, in welche keine Ionen injiziert worden sind, muß dagegen bei anderweitig gleichbleibenden Wärmebehandlungsbedingungen eine 170 min lange Wärmebehandlung vorgenommen werden, um ein Gebilde der in Fig. 7i dargestellten Art zu bilden. Mit anderen Worten: Die Oxydationszeit für die mit Ionen injizierte mehrkristalline Siliziumschicht kann auf etwa ein Viertel des T/erts herabgesetzt werden, der für die einkristalline Siliziumschicht ohne injizierte Ionen erforderlich ist. Infolge dieser Verkürzung der Oxydationszeit kann die Diffusion vom eingebetteten Bereich 108 in die darunter liegende EiTyp-Schicht 110 während der Yfärmebehandlung auf etwa die Hälfte oder weniger verringert werden. Auf diese Weise kann eine Verringerung der Dicke der effektiven epitaxialen Schicht, die für die Bildung eines aktiven oder eines reaktiven Bereichs zur Verfügung steht/ so daß bei den Transistoren im endgültigen integrierten Schaltkreis eine Erniedrigung der Spannung vermieden werden kann, welcher der zugeordnete Basis-Kollektor-Übergang zu widerstehen vermag.
Im Anschluß an die genannten Verfahrens schritte wird der Siliziumnitrid-Überzug 114 weggeätzt, worauf nach einem bekannten Planar-Verfahren nacheinander ein P-Typ-Basisbereich
+) verhindert werden,
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122 in der N-Typ-Schicht 110 und ein H-Typ-Emitter-Bereich 124 im Basisbereich 122 bei gleichzeitiger Aufbringung einer Siliziumdioxidschicht 126 auf die Oberflächen der Schichten 110 und 1.12 sowie der Bereiche 122 und 124 ausgebildet werden. Die fertige Konstruktion ist in Fig. 7j dargestellt.
Die in Fig. 70 dargestellte, die aktiven und/oder reaktiven Elemente enthaltende Konstruktion wird in ihrer Siliziumdioxidschicht 126 mit Öffnung für die Elektroden versehen," worauf zur Fertigstellung des integrierten Schaltkreises die Verbindungen zwischen den Elementen hergestellt werden. In der Zeichnung sind jedoch die Öffnungen, Elektroden und dgl. nicht dargestellt.
Wie erwähnt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises unter Ausnutzung einer Erhöhung der Oxydationsgeschwindigkeit des mit Ionen injizierten, mehrkristallinen Siliziums die Zeitspanne der Hochtemperatur~V/ärmebehandlung zur Ausbildung von I'rennungsbereichen zwischen den Elementen verkürzt werden. Hierdurch wird die vorher im Sifcstrat gebildete Fremdatomverteilung an einer Änderung gehindert, und insbesondere werden dabei die Fremdatome im eingebetteten Bereich an einer Diffusion zum zugeordneten Basis-Kollektor gehindert, wodurch eine Herabsetzung der Spannung vermieden wird, welcher dieser Übergang zu widerstehen vermag. Auf diese Weise können ohne weiteres integrierte Schaltkreise entworfen v/erden. Da außerdem die Abweichung der Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs zwischen einzelnen Halbleiterelementen verringert werden kann, können die Verfahrensschritte der Hervorbringung der Emitterdiffusion, der Steuerung eines Stromverstärkungsgrads usv/. stabilisiert werden. Wegen der Verkürzung der Zeitspanne der Hochtemperatur behandlung ist es außerdem möglich, die in Silizium in Form eines Einkristalls entwickelten Spannungen und
+) -Übergang
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Beanspruchungen zu vermeiden, die bei dieser Wärmebehandlung infolge eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Siliziumnitrid und Silizium hervorgerufen werden. Aus der vorstehenden Beschreibung geht somit hervor, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren integrierte Schaltkreise mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden können.
Bei der Herstellung von integrierten Larvje-Seale-Schaltkreisen kann außerdem zur Bildung von Trennungsbereichen durch Oxydation des mit Ionen injizierten mehrkristallinen Siliziums die Oxydationsgeschwindigkeit infolge der Injektion von Ionen lediglich in Sichtung der Tiefe des Substrats effektiv erhöht werden, während sich die injizierten Ionen in praktisch vernachlässigbarem AusmaiS in Querrichtung des Substrats ausbreiten. Infolgedessen kann der endgültige integrierte Large-Scale-Schaltkreis eine höhere Verteilungsdichte seiner Bauteile besitzen.
Zusammenfassend wird mit der Erfindung somit ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen geschaffen, bei dem ein Siliziumsubstrat selektiv mit Ionen injiziert und in einer oxydierenden Aatmosphäre erhitzt wird. Dabei wird auf dem Substrat ein Oxidfilm gebildet, so daß Teile des 3?ilms, die auf den mit den Ionen injizierten Bereichen gebildet werden, teilweise in das Substrat eingebettet sind. Danach wird der lilm geätzt, bis die Subs_tratoberfläche selektiv freigelegt ist. In die freiliegenden Oberflächenabschnitte werden IPremdatome bzw. ein Störstoff eindiffundiert, um Basisbereiche im Substrat auszubilden, worauf der vorgenannte Verfahrensschritt zur Bildung von Penstern für die Emitterdiffus ion und für Elektroden wiederholt wird. Außerdem wird durch epitaxiales Wachstum auf einem selektiv mit SiOp-lilmen versehenen Siliziumsubstrat Silizium aufgebaut, derart, daß
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Silizium in Form eines Einkristalls auf den freiliegenden Oberflächenabschnitten des Substrats gebildet wird, während auf den SiO?-Fiimen mehrkristallines Silizium durch Wachstum erzeugt wird. Die genannten Schritte werden wiederholt, um das mehrkristalline Silizium in Siliziumdioxid umzuwandeln und die Siliziumbereiche auf den freiliegenden Oberflächenabschnitten voneinander zu trennen.
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Claims (1)

  1. 24H033
    Patentansprüche
    Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, dadurch gekennzeichnet , daß zur Ausbildung selektiver Injektionsbereiche beschleunigte, geladene Teilchen in ausgewählte Abschnitte der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial injiziert werden, und daß das Substrat mit den Injektionsbereichen in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um das Halbleitermaterial der Injektionsbereiche in eine entsprechende Oxidisolierung umzuwandeln.
    Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß auf ausgewählten Abschnitten der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial Überzüge zur Abschirmung von geladenen und beschleunigten Teilchen ausgebildet werden, daß die Oberfläche des Substrats mit beschleunigten, geladenen Teilchen bestrahlt wird, um die geladenen Teilchen in die nicht abgedeckten Bereiche der Substratoberfläche zu injizieren, daß danach die Überzüge von der Substratoberfläche entfernt werden, daß das Substrat in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um auf dieser Oberfläche, einschließlich der mit den geladenen Teilchen injizierten Bereiche, eine Oxidisolation wachsen zu lassen, und daß die Oxidisolation selektiv von deür Substrat oberfläche abgetragen wird, um ausgewählte Abschnitte derselben freizulegen.
    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug zur Abschirmung der geladenen Teilchen aus einem Material wie Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Molybdän, Wolfram und/oder Gemische r? davon hergestellt wirde
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    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium in Form eines Einkristalls hergestellt wird und daß die geladenen Teilchen aus Ionen eines Elements wie Indium, Gallium, Antimon, Zinn und Arsen bestehen.
    5. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Abschnitte einer Oberfläche eines Substrds aus einem Halbleitermaterial mit-beschleunigten, geladenen Teilchen bestrahlt werden, um selektiv Abschnitte oder Bereiche hoher Oxydationsfähigkeit auf den ausgewählten Oberflächenabschnitten zu bilden, daß das Substrat sodann mit die sen Bereichen in einer oxydierenden Atmosphäre erwärmt wird, um auf der Substratoberfläche einen Oxidfilm zu bilden, daß der Oxidfilm danach selektiven den nicht mit den geladenen Teilchen bestrahlten Abschnitten der Substratoberfläche abgetragen wird, so daß die genannten Bereiche der Oberfläche freigelegt werden, und daß eine bestimmte Leitfähigkeit verleihende Fremdatome bzw. ein Störstoff in die freiliegenden Oberflächenbereiche des Substrats eindiffundiert /+ wird, um Übergänge zu bilden, die an den in das Substrat eingebetteten Abschnitten des Oxidfilms enden.
    6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß auf ausgewählten Abschnitten der Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial erste Überzüge zur Abschirmung von geladenen Teilchen ausgebildet werden, daß die Substratoberfläche dann mit beschleunigten, geladenen Teilchen bestrahlt wird, um letztere in diejenigen Bereiche der Substratoberfläche zu indizieren, auf denen die ersten Überzüge nicht ausgebildet worden sind, daß die ersten Überzüge von der Substratoberfläche abgetragen werden, daß das Substrat sodann in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um auf der
    mrdonbz».
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    Substratoberfläche, einschließlich der mit den geladenen Teilchen injizierten Bereiche, eine Oxidisolierung anwachsen zu lassen, daß die Oxidisolierung selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, um die ausgewählten Oberflächenabschnitte des Substrats freizulegen, daß zur Ausbildung erster Diffusionsbereiche eine bestimmte erste Leitfähigkeit verleihende Iremdatome in die freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats eindiffundiert werden, daß hierauf auf den freiliegenden Oberflächenabschnitten des Substrats zweite Überzüge zur Abschirmung von geladenen Teilchen vorgesehen werden, daß eine zweite Art geladener Teilchen in diejenigen Bereiche der freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats injiziert werden, auf denen die zweiten Überzüge nicht ausgebildet sind, um im Substrat zweite Injektionsbereiche auszubilden, daß anschließend die zweiten Überzüge von der Substratoberfläche entfernt werden, daß das Substrat in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um eine zweite Oxidisolierung auf der Substratoberfläche, einschließlich der mit den zweiten geladenen Teilchen injizierten Bereiche, zu bilden, daß die zweite Oxidisolierung selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, so daß die Substratoberfläche teilweise freigelegt wird, und daß eine zweite leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die nunmehr freigelegten Oberflächenabschnitte des Substrats eindiffundiert werden, um im Substrat zweite Diffusionsbereiche zwischen den ersten und den zweiten Diffusionsbereichen derart herzustellen, daß die Enden der Übergänge von den in das Substrat eingebetteten Abschnitten der zweiten Oxidisolierung umschlossen sind.
    7ο Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Überzug zur Abschirmung der geladenen Teilchen zumindest teilweise auf jedem der freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats vorgesehen wird.
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    8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Überzüge zur Abschirmung der geladenen Teilchen aus Filmen aus einem Material wie Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Molybdän, Wolfram oder Gemischen daraus hergestellt v/erden.
    9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß/substrat aus Silizium in Form eines Einkristalls hergestellt wird und daß die geladenen Teilchen aus Ionen eines Elements wie Indium, Gallium, Antimon, Zinn.und Arsen bestehen.
    10. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche eines Substrats aus einem Halbleitermaterial mit einem ersten Leittyp sowohl eine Schicht aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leittyps in Form eines Einkristalls als auch eine Schicht aus einem mehrkristallinen Halbleitermaterial angeordnet werden, daß beschleunigte, geladene Teilchen in die Schicht aus mehrkristallinem Halbleitermaterial injiziert werden und daß die letztgenannte, mit den geladenen Teilchen injizierte Schicht in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, um das Halbleitermaterial der mehrkristallinen Schicht in eine Oxidisolierung umzuwandeln.
    11. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche eines Substrats aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ein isolierender Oxidfilm ausgebildet wird, daß dieser Oxidfilm selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, um ausgewählte Abschnitte der Substratoberfkäche freizulegen, daß eine zweite Leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die freiliegenden Abschnitte der Substratoberfläche eindiffundiert v/erden, um im Substrat Diffusionsbereiche zu bilden, daß durch epitaxiales Wachstum kristallines Halbleitermaterial gebildet wird, so daß auf jedem Diffusionsbereich eine Schicht aus Halbleitermaterial in Form eines Einkristalls hergestellt wird, während auf dem isolierenden Oxidfilm
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    eine Schicht des mehrkristallinen Halbleitermaterials gebildet wird, daß auf den Schichten des Halbleitermaterials in Form des Einkristalls Überzüge zur Abschirmung von geladenen Teilchen gebildet werden, daß die Oberfläche des Substrats mit beschleunigten geladenen Teilchen bestrahlt wird, um die geladenen Teilchen in die Schicht aus mehrkristallinem Halbleitermaterial zu injizieren, und daß die mit den geladenen Teilchen injizierte Schicht des mehrkristallinen Halbleitermaterials erhitzt wird, um das Halbleitermaterial der mehrkristallinen Schicht in eine Oxidisolierung umzuwandeln.
    12o Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug zur Abschirmung der geladenen Teilchen aus einem Film aus einem Material wie Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Molybdän, Wolfram und Gemischen davon hergestellt wird.
    15« Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium in Form eines Einkristalls gebildet wird und daß die geladenen Teilchen aus Ionen eines Elements wie Indium, Gallium, Antimon, Zinn und Arsen bestehen.
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