DE2458680B2 - Verfahren zur Herstellung von dielektrisch isolierten Substraten geringer Durchbiegung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von dielektrisch isolierten Substraten geringer Durchbiegung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen

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Description

!rj Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für dielektrisch isolierte Substrate geringer Durchbiegung, die für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen gebraucht werden.
Unter monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen versteht man Schaltkreise, bei denen die verschiedenen Schaltungsbestandteile wie beispielsweise Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren in mehreren Halbleiter-Einkristallen eingebracht sind, die zwar mechanisch verbunden, jedoch elektrisch vonein-
2r> ander isoliert sind, wobei die entsprechenden Schaltungsbestandteile zur Erzeugung der jeweils beabsichtigten Schaltung elektrisch verbunden sind.
Als Verfahren zur Isolierung der betreffenden Halbleiter-Einkristalle voneinander durch Isolieren der
JO betreffenden Halbleiter-Einkristalle vom Trägersubstrat gibt es das sogenannte PN-Übergangs-Isolationsverfahren, bei dem als Isolatoren durch PN-übergang gebildete Sperrschichten verwendet werden, die beispielsweise durch Diffusion von Verunreinigungen in ein
):> Halbleiter-Einkristallplättchen erzeugt werden, sowie das dielektrische Isolationsverfahren, bei dem ein Halbleiterpolykristall mit den entsprechenden Halbleitereinkristallen durch einen dielektrischen Film wie beispielsweise einen Siliciumoxidfilm »eingelegt« wird.
4(1 Das dielektrische Isolationsverfahren ist dem PN-Übergangs-Isolationsverfahren hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften überlegen, und nach dem dielektrischen Isolationsverfahren hergestellte integrierte Halbleiterschaltungen erlauben hohe Geschwindigkeiten, besitzen hohe Durchschlagsfestigkeit, niedrigen Leckstrom und hohen Strahlungswiderstand und können überall dort eingesetzt werden, wo είη·ϊ Integration verschiedener Bestandteile erforderlich ist.
Im folgenden wird ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines dielektrisch isolierten Substrats auf der Grundlage der sogenannten »basic single-poly method« beschrieben.
Auf der einen Hauptfläche eines N-leitenden Siliciumeinkristallscheibchens werden zunächst durch
" selektives Ätzen gitterförmige Vertiefungen erzeugt; auf der so behandelten Hauptfiäche wird anschließend beispielsweise durch thermische Oxydation des Scheibchens ein Siliciumoxidfilm gebildet und anschließend polykristallines Silicium auf dem Siliciumoxidfilm
h0 aufwachsen gelassen, das durch Dampfphasenreduktion eines Siliciumchlorids, wie Trichlorsilan, mit Wasserstoffgas erzeugt wird. Das aus polykristallinem Silicium und einem Siliciumeinkristallscheibchen bestehende Täfelchen, dessen Siliciurnteile durch einen Silicium-
('r' oxidfilm getrennt sind, wird bis zu einer bestimmten Dicke des polykristallinen Siliciums sowie bis auf die Bodenflächc der Vertiefungen geschliffen und poliert, wodurch der Siliciumoxidfilm in bezug auf das
Siliciumeinkristallscheibchen hervortritt und ein dielektrisch isoliertes Substrat erhalten wird, bei dem das polykristalline Silicium viele Siiiciumeinkristallinseln in einem Siliciumoxidfilm eingelegt enthält
Das polykristalline Silicium besitzt einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Siliciumeinkristall. Das Substrat biegt sich infolgedessen beim Abkühlen nach dem Aufwachsen aus der Dampfphase in der Weise, daß die Seite des Siliciumeinkristallstheibchens konvex wird.
Beim erwähnten Schleif- und Poliervorgang wird allerdings die Dicke der entsprechend getrennten Siliciumeinkristalle nicht gleichmäßig und die Haftung der Photowiderstancismaske aufgrund selektiver Diffusion schlecht Schaltungsbestandteile mit festen, definierten Eigenschaften können auf diese Weise nicht erhalten werden.
Bei der Herstellung des Substrats ist es entsprechend erforderlich, daß die Biegung so gering wie möglich ist; vorzugsweise werden mehrere Siliciumoxidschichten in das poiykristallinc Silicium eingebettet, die einen hinreichend kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das polykristalline Silicium besitzen.
Zur Herstellung von Siliciumoxidfilmen gibt es bisher das Verfahren der thermischen Siliciumoxydation sowie das Verfahren der Dampfphasenreaktion eines Monosilans mit einem Reaktionsgas, das bei niedrigen Temperaturen (400—8000C) arbeitet. Die thermisch : Siliciumoxydation erfordert ein mehrmaliges Überführen des Substrats vom Ofen, in dem das Wachstum des polykristallinen Siliciums stattfindet, zum Ofen für die Oxylr.tion. Ein derartiges Verfahren erfordert entsprechend hohen Zeit- und Arbeitsaufwand und ist für eine praktische Anwendung nicht geeignet. Auf der anderen Seite ist die Temperaturkontrolle bei dem bei niedriger Temperatur durchgeführten Dampfphasen-Reaktionsverfahren mit einem Monosilan aufgrund der großen Differenz zwischen der Reaktionstemperatur für polykristailines Silicium und der Temperatur für den Siliciumoxidfilm nicht einfach durchführbar, obwohl derselbe für das Aufwachsen durch Dampfphasenreaktion verwendete Ofen eingesetzt werden kann; es sind dabei lediglich ein Rohrsystem für das Ausgangs- bzw. Trägergas, das Sauerstoffgas zur Reaktion mit dem Monosilangas bei hoher Temperatur abzugeben vermag, sowie ein Rohrsystem für das zum Aufwachsen von polykristallinem Silicium erforderliche Gas vorzusehen.
In der DE-OS 20 50 474 ist ein Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Halbleiterscheiben angegeben, deren Dicke einwandfrei feststellbar ist, wobei die sogenannte »floatingw-Kapazität zwischen den einkristallinen Siliciuminseln verringert werden soll. Nach diesem Verfahren wird ein alternierendes Laminat aus polykristallinen Siliciumschichten bzw. Siliciumoxidfilmen auf einer mit Vertiefungen versehenen Seite eines Trägers aus einkristallinem Silicium aufgebracht.
Auf der nicht mit Vertiefungen versehenen Seite der so zusammengesetzten Halbleiterscheibe wird anschließend eine Materialschicht abgetragen, um zumindest eine der ersten und zweiten Schicht anzuschneiden. Auf diese Weise kann die Dicke der Inselbereiche mit einfachen Mitteln, nämlich durch einfaches Abzählen der angeschliffenen isolierenden (und ggf. dazwischenliegenden leitenden) Schichten festgestellt werden.
Die Laminatbildung aus alternierenden Schichten dient also, wie der angegebenen Aufgabe entspricht, lediglich der Schaffung einer einfachen Möglichkeit zur Schichtdickenbestimmung.
In der DE-OS 20 50 474 findet sich jedoch keinerlei Verfahrensangabe zur Hersteiiung der beanspruchten Schichtstruktur, insbesondere keineriei Angabe, wie das alternierende Laminat aus polykristallinen Siliciumschichten und Siliciumoxidfilmen ohne Erzeugung von Kristaildefekten in der Siliciumeinkristallschicht erzeugt werden kann.
Zur Dickenbestimmung ist es hierbei erforderlich, daß ι» sich die Schichtabfolge in den Vertiefungen zeigt, also nach dem Abtragevorgang notwendig nicht über das gesamte Material hin erstreckt Eine Durchbiegung kann entsprechend auf diese Weise nicht verhindert werden.
Ii Nach der DE-OS 20 50 474 wird die Erzeugung der zur Tiefenanzeige dienenden Schichtabfolge und die Erzeugung der polykristallinen Silicium-Trägerschicht ferner separat durchgeführt, wobei gleichzeitig die Gefahr der Erzeugung von Kristalldefekten im Silicium- -1U einkristallplättchen gegeben ist
In der DE-AS 12 98 189 ist ein Verfahren zur Hersteilung isolierter Bereiche in integrierten Halbleiterschaltungen angegeben, bei dem eine einkristaliine Halbleiterschicht eines Leitungstyps an durch öffnun- >r> gen einer Maskenschicht örtlich definierten Bereichen auf einem Halbleiterträger epitaktisch aufgebracht wird; das Verfahren beruht darauf, daß nach Herstellung einer zweiten Maskenschicht auf der ersten sowie der epitaxialen Schicht durch beide Maskenschichten i" durchstoßende Öffnungen eine zweite Halbleiterschicht von entgegengesetztem Leitertyp epitaktisch abgeschieden wird, worauf eine dritte Maskenschicht auf der zweiten Epitaxialschicht und der sie umgebenden Maskenschicht erzeugt und auf ihr eine Trägerschicht !"' abgelagert und danach der Träger entfernt wird. Dabei ist beschrieben, daß die polykristalline Schicht ohne Entfernung der Anordnung aus dem Reaktionsofen nach der Erzeugung des Siliciumoxidfilms aufgebracht werden kann.
i" Die dort angegebenen Temperaturen von 700 bis UOO0C beziehen sich auf den speziellen Fall der Reaktion H2-I-O2-HSiCU, der Bereich von 1100 bis 13000C auf den besonderen Fall der Reaktion SiCI4 + CO, und die Temperaturangabe 115O0C auf die ■'"' Reaktion mit H2O-I-O2. Abgesehen davon, daß die DE-AS 12 98 189 Siliciumtetrachlorid als Siliciumquelle verwendet, bezieht sich die Angabe 700 bis 1300°C auf den Fall der SiO2-Erzeugung (Maskenschicht). Die Beseitigung oder Unterdrückung von Kristalldefekten ">" ist dabei nicht erwähnt.
Die DE-AS 12 98 189 gibt zwar an, daß auf einem Siliciumoxidfilm eine polykristalline Siliciumschicht erzeugt wird, lehrt jedoch nicht, daß darauf weiterhin eine Siliciumoxidschicht aufwachsen gelassen wird und v> ein alternierendes Laminat von Siliciumoxidfilmen und polykristallinen Siliciumschichten erzeugt werden kann.
Entsprechend findet sich keinerlei Erwähnung, daß
durch eine derartige Erzeugung eines alternierenden Laminats die Verbiegung derartiger dielektrisch isolier-
11(1 ter Substrate in irgendeiner Weise verhindert werden kann.
Der DE-AS 12 98 189 kann dagegen entnommen werden, daß Siliciunioxidfilme und polykristalline Siliciumschichten in einem Reaktionsofen kontinuierlich h ' aufgedampft werden können, nicht jedoch eine allernie rende l.uminuicr/.cugung bei derselben Temperatur.
Die IUPS 15 09 644 bezieht sich auf ein Verfahren /ur Verhinderung des Verbieguns dielektrisch isolierter
Substrate, das darauf beruht, daß zur Abscheidung von polykristallinem Silicium auf einem mit einem Siliciumoxidfilm versehenen monokristallinen Siliciumplättchen einem Gemisch von H2undSiHnXm(mit nundm = Obis 4, wobei η + m = 4 und X eines der chemischen Elemente Cl, Br, I bedeutet) gezielt Verunreinigungssubstanzen zugesetzt werden, um die feinen Siliciumpartikel in der polykristallinen Siliciumschicht zur Bildung einer sozusagen denaturierten Kristallstruktur zu veranlassen und dadurch die Rekristallisationsneigung zu verringern. Hierbei ist also eine Änderung der Kristallstruktur der Siliciumschicht angestrebt. Eine kurze Verfahrensdauer sowie eine Beseitigung von Kristalldefekten sind nicht erzielbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte dielektrisch isolierte Substrate anzugeben, die nur eine geringe Durchbiegung aufweisen und sehr genaues Schleifen, Polieren und Photoätzen erlauben. Dabei soll ein Verfahren angegeben werden, das die Herstellung von dielektrisch isolierten Substraten in einfacher Weise und kurzen Zeiten erlaubt, bei dem das Dampfphasen-Aufwachsen des polykristallinen Siliciums und das des Siliciumoxidfilms abwechselnd im gleichen Reaktionsofen bei der gleichen Temperatur vorgenommen werden und bei dem das Ausgangsgas für das polykristalline Silicium dasselbe ist wie das für den Siliciumoxidfilm, um das Rohrleitungssystem für das Reaktionsgas entsprechend zu vereinfachen und die Handhabung zu erleichtern; zugleich soll beim erfindungsgemäßen Verfahren nur eine geringe Wahrschein- »> lichkeit dafür bestehen, daß Kristalldefekte in den Siliciumeinkristallen verbleiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dielektrisch isolierter Substrate geringer Durchbiegung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen, bei j-, dem auf einer Hauptfläche eines Siliciumeinkristallplättchens ein isolierender Siliciumoxidfilm aufgebracht, auf diesem Isolierfilm durch Erhitzen eines Monosilanderivats der Formel SiHmCln mit m = 0 bis 3 und η — 1 bis 4 in einer Wasserstoffatmosphäre eine Trägerschicht aus 4(1 polykristallinem Silicium abgeschieden und das Siliciumeinkristaliplättchen teilweise entfernt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der polykristallinen Siliciumschicht in abwechselnder Folge weitere Siliciumoxidfilme und polykristalline Siliciumschichten abgeschieden 4-, werden, so daß ein bleibender Träger aus einem alternierenden Laminat von durchlaufenden Schichten entsteht, wobei die weiteren Siliciumoxidfilme durch Erhitzen des genannten Monosilanderivats in einer Atmosphäre aus einem Gemisch von Wasserstoff und ■·,» Sauerstoff im gleichen, zur Abscheidung der polykristallinen Siliciumschichten benutzten Ofen und bei derselben Aufwachstemperatur erzeugt werden.
Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zur Herstellung von Substraten, die durch einen Silicium- « oxidfilm voneinander getrennte Siliciumeinkristallinseln tragen, der als Dielektrikum dient; bei dem Verfahren werden polykristalline Siliciumschichten und Siliciumoxidfilme im gleichen, zur aus der Dampfphase stattfindenden Aufwachsreaktion benutzten Ofen in mi regelmäßigen Intervallen abwechselnd aufwachsen gelassen; auf diese Weise ist ein dielektrisch isoliertes Substrat in kurzen Zeiten und durch einfache Verfahrensweise erhältlich, das aus einem abwechselnden Laminat von polykristallinen Siliciumschichten und u, Siliciumoxidfilmen besteht, das zahlreiche Siliciumkristallinseln gewissermaßen »eingelegt« enthält
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 ein Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Herstellungsschritte für dielektrisch isolierte Substrate nach einem »single-polyw-Verfahren,
Fig.2a-2d Querschnittsdarstellungen dielektrisch isolierter Substrate in verschiedenen Herstellungsstadien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
F i g. 3 einen bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufwachsen aus der Gasphase dienenden Ofen sowie das dazugehörige Gaszuführungssystem,
Fig.4a—4d Querschnittsdarstellungen dielektrisch isolierter Substrate in verschiedenen erfindungsgemäßen Fabrikationsstadien nach einem »double-polyw-Verfahren.
im folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
F i g. 2a zeigt netzartig angeordnete Vertiefungen 2, die in die Planfläche durch bekannte selektive Ätzverfahren enlsprechend Schritt A in F i g. 1 eingebracht wurden, auf einem elektrisch ieitenden Siliciumeinkristallplättchen vom N-Leitungstyp mit bestimmter Konzentration an Verunreinigungen. Ein Siliciumoxidfilm 3 (unter diesem Ausdruck wird im folgenden ein SiO2-Film verstanden) wird durch ein dem Schritt B in F i g. 1 entsprechendes thermisches Oxydationsverfahren auf der oberen Hauptfläche des Siliciumeinkristallplättchens 1 erzeugt, der netzförmige Vertiefungen 2 besitzt. Das durch diese Schritte erhältliche Siliciumeinkristallplättchen 1 in F i g. 2b wird anschließend auf den Heizträger 11 eines Gasphasen-Aufwachsofens 10, wie in F i g. 3 gezeigt, aufmontiert (Schritt Cin F i g. 1).
In dem zum Aufwachsen aus der Dampfphase dienenden Ofen 10 (vgl. Ofen und zugehörige Gaszuführungssysteme in Fig.3) befindet sich eine Hochfrequenzheizspule 12 unterhalb des Heizträgers 11, die zum Erhitzen des betreffenden Siliciumeinkristallplättchens 1 durch Induktionsheizung durch den Heizträger 11 hindurch auf eine erwünschte Temperatur dient. Der drehbare Heizträger 11 kann von außen durch die Grundplatte 13 angetrieben werden; in ihr befinden sich ferner die Rohrdurchführungen 14 und 15; am Ende der Leitung 14 ist eine Düse 16 angebracht, die auf den oberen Teil des Siliciumeinkristallplättchens 1 gerichtet ist. Die Leitung 15 dient zur Gasentlüftung des zwischen der Grundplatte 13 und einer Glocke 17 gebildeten Raums S, die luftdicht miteinander verbunden sind.
Der Raum 5 des dem Aufwachsen aus der Dampfphase dienenden Ofens 10 ist an eine N2-GaS-quelle 22, die H2-Gasquellen 23 und 24, einen auf 20° C gehaltenen Trichlorsilan-Verdampfer 25 sowie an eine CO2-Gasquelle 26 durch die entsprechenden Zuführungsleitungen 18—21 angeschlossen. Die in den entsprechenden Gaszuführungssystemen eingebauten Ventile 27—33 dienen der Regulierung des entsprechenden Gasdurchsatzes bzw. zum Abstellen der Zufuhr der entsprechenden Gase und Gasdurchflußmesser 35—38, die der Messung der entsprechenden Gasdurchsätze dienen.
Alle Ventile sind zu Beginn in geschlossenem Zustand. Das Siliciumeinkristallplättchen 1 ist auf den Heizträger 11 montiert und die Glocke 17 auf der Grundplatte 13 aufgesetzt. Entsprechend Schritt D in F i g. 1 wird der Inhalt des Reaktionsofens 10 zunächst durch öffnen des Ventils 27 durch Stickstoffgas ersetzt; Ventil 27 wird darauf geschlossen und Ventil 28 zum Ersatz gegen Wasserstoffgas geöffnet
Entsprechend Schritt £ in F i g. 1 wird anschließend
das Siliciumeinkristallplättchen 1 durch die Hochfrequenzheizspule 12 in einer Wasserstoffatmosphäre auf 1230° C erhitzt.
Entsprechend Schritt Fin Fig. 1 wird der Wasserstoff dem Verdampfer 25 zugeführt, wobei durch öffnen des Ventils 29 Trichlorsilan verdampft wird und wobei der Wasserstoffstrom als Trägergas dient. Der Trichlorsiian enthaltende Wasserstoff fließt als Ausgangsgas nicht direkt in den Reaktionsofen 10, sondern wird durch das Ventil 33 außerhalb des Reaktionsofens 10 abgelassen, bis die Siliciummenge in dem für das aus der Dampfphase stattfindende Aufwachsen benötigten Mengenverhältnis einreguliert ist.
Der Durchsatz an Wasserstoff als Trägergas wird mit Hilfe des Durchflußmessers 36 auf 50 l/min und der Durchsatz an Trichiorsiian enthaltendem Wassersioffgas mit dem Durchflußmesser 37 auf 18 l/min eingestellt.
Nach dem Einstellen der Gasverhältnisse auf die entsprechend angestrebten Werte wird entsprechend Schritt G in Fig. 1 das Ausgangsgas zum Aufwachsen von Silicium auf dem Siliciumeinkristallplättchen durch Schließen des Ventils 33 und Öffnen des Ventils 32 in den Reaktionsofen 10 eingeleitet.
Das in den Reaktionsofen 10 eingeleitete gasförmige Trichlorsilan wird nach der Bruttogleichung
SiHCl3 +H2-Si + 3HCl
zu Silicium und Chlorwasserstoffgas reduziert.
Das Silicium wird auf dem Siliciumeinkristallplättchen 1 abgelagert, wächst jedoch als polykristalline Siliciumschicht 4, wie in Fig. 2c eingetragen, da sich der Siliciumoxidfilm 3 auf der Oberfläche des Plättchens 1 befindet.
Nach einer bestimmten Zeit, während der eine polykristalline Siliciumschicht 4 einer bestimmten Dicke von beispielsweise etwa 40 μπι aufgewachsen ist, wird das Ventil 32 geschlossen und darauf ein Siliciumoxidfilm aufgebracht bzw. auf dem polykristallinen Silicium aufwachsen gelassen.
Das Siliciumeinkristallplättchen 1 befindet sich noch auf dem Heizträger 11 im Reaktionsofen 10, und die Heiztemperatur wird noch auf 12300C gehalten. Zur Abscheidung und zum Aufwachsen des Siliciumoxidfilms wird das Verhältnis von Trichlorsilangas zu Kohlendioxid zunächst durch öffnen der Ventile 30, 31 und 33 entsprechend Schritt //in Fig. 1 eingestellt und das Ausgangsgas anschließend durch Schließen des Ventils 33 und Öffnen des Ventils 33 entsprechend Schritt /in Fi g. 1 in den Reaktionsofen 10 eingeleitet. In diesem Punkt des Verfahrens beträgt der Durchsatz an Wasserstoff als Trägergas 60 l/min (gemessen mit dem Durchflußmesser 36, der Durchsatz an Trichlorsilan enthaltendem Wasserstoff 1,5 l/min (gemessen mit dem Durchflußmesser 37), der Durchsatz an Kohlendioxid 1,5 l/min (gemessen mit dem Durchflußmesser 38).
Das durch thermische Zersetzung von Kohlendioxid im Reaktionsofen 10 gebildete Sauerstoffgas reagiert mit dem durch Reduktion des Trichlorsilans erhaltenen Silicium unter Bildung von Siliciumoxid, das abgelagert wird und auf der polykristallinen Siliciumschicht 4 aufwächst Dieser Schritt wird durch die Reaktionsgleichungen
2CO2-2CO + O2
Si+ O2-SiO2
dargestellt
Wenn die Dicke des auf der polykristallinen Siliciumschicht 4 erhaltenen Siliciumoxidfilms 5 beispielsweise 1,4 μπι erreicht hat, wird die Ablagerung des Siliciumoxidfilms 5 durch Schließen der Ventile 30, 32 unterbrochen.
Um tragfähige bleibende Träger 6 zu erhalten, die aus polykristallinen Siliciumschichten 4 und Siliciumoxidfilmen 5 bestehen, die abwechselnd aufeinander laminiert sind, wie in Fig.2c dargestellt, werden die in Fig. 1 angegebenen Schritte F bis / in der erforderlichen Anzahl wiederholt.
Während des Auftragens der polykristallinen Silicium- bzw. der Siliciumoxidschicht wird der Heizträger 11 durch einen (nicht gezeigten) Antrieb langsam in Rotation versetzt, so daß die polykristallinen Siliciumschichten 4 und die Siliciumoxidfilme 5 zu einer gleichmäßigen Dicke abgelagert werden bzw. aufwachsen können.
Nach dem Aufwachsen einer bestimmten Anzahl polykristalliner Siliciumschichten 4 und einer bestimmten Anzahl von Siliciumoxidfilmen S wird das Heizen durch die Hochfrequenzheizspule 12 unterbrochen und die Temperatur des Reaktionsofens 10 reduziert; dabei wird in den Reaktionsofen 10 lediglich Wasserstoffgas als Trägergas durch Schließen der Ventile 29—32 und öffnen des Ventils 33 entsprechend Schritt /in Fig. 1 durchströmen gelassen. Wenn die Temperatur im Inneren des Reaktionsofens 10 Normaliemperatur erreicht hat, wird das Ventil 28 geschlossen und das Ventil 27 geöffnet, um den Wasserstoff im Reaktionsofen 10 durch Stickstoffgas zu ersetzen, und das Siliciumeinkristallplättchen 1 anschließend vom Heizträger 11 entfernt; es wird im folgenden von der Siliciumeinkristallplättchen-Seite her bis zu der in F i g. 2c durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten Position geschliffen und poliert, wobei der Siliciumoxidfilm 3 auf den netzförmigen Vertiefungen 2 entsprechend Schritt K in F i g. 1 hervortritt F i g. 2d zeigt das durch das erwähnte Schleifen und Polieren erhältliche dielektrisch isolierte Substrat 7, bei dem ein bleibender Träger 6, der aus einem abwechselnden Laminat von polykristallinen Siliciumschichten 4 und Siliciumoxidfilmen 5 besteht, gewissermaßen mit zahlreichen »eingelegten« Siliciumeinkristaiünseln la versehen ist, die voneinander durch den Siliciumoxidfilm 3 isoliert sind.
Aus den zahlreichen Siliciumeinkristallinseln la in dem so erhältlichen dielektrisch isolierten Substrat 7 lassen sich Schaltungsbestandteile wie Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren durch Eindiffundieren von Verunreinigungen nach bekannten selektiven Diffusionsverfahren herstellen.
Das als Ausgangsmaterial verwendete Trichlorsilan ist ein Beispiel für die Monosilan-Derivate der allgemeinen Formel SiHmCl„, in der m die Zahlen von 0 bis 3 und η die Zahlen von 1 bis 4 darstellen. Andere Monosilan-Derivate wie etwa SiH3Cl, SiH2Cl2 sowie SiCU können ebenfalls verwendet werden. Die Reaktionsgleichungen für diese Monosilan-Derivate sind:
SiH3Cl-Si+ HCl + H2
SiH2Cl2-Si+ 2HCl
SiCl4 +2 H2-Si-I-4 HCl
Anstelle des gasförmigen Kohlendioxids kann auch Wasserdampf, der durch thermische Zersetzung Sauerstoffgas zu liefern vermag, verwendet werden. Des weiteren kann Sauerstoffgas auch direkt verwendet werden.
Die Temperatur für die Ablagerung und das Aufwachsen der polykristallinen Siliciumschichten 4 und
der Siliciumoxidfiime 5 wurde zu etwa 12300C angegeben, jedoch können auch Temperaturen von 1000— 13500C ebenfalls ohne Schwierigkeiten angewandt werden. Bei Temperaturen von weniger als 10000C ist allerdings die Aufwachsgeschwindigkeit der Siliciumpolykristalle oder der Siliciumoxidfiime zu langsam, Temperaturen von mehr als 135O°C sind wiederum wegen des Schmelzens von Silicium bei dieser Temperatur nicht günstig.
Wie bereits beschrieben, bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung dielektrisch isolierter Substrate mit einem bleibenden Träger aus einem abwechselnden Laminat von polykristallinen Siliciumschichten und Siliciumoxidfilmen. Die Ausbildung des dielektrisch isolierten Substrats kann erfindungsgemäß entsprechend frei gewählt werden, und das Herstellungsverfahren ist nicht auf die in den Fig. 1 und 2 dargestellten ganzen Schritte beschränkt.
Obgleich die gesamten Schritte in F i g. 1 und 2 auf der sogenannten »single-poly«-Methode beruhen, bei der polykristalline Siliciumschichten lediglich auf einer Oberfläche eines Siliciumeinkristailplättchens erzeugt werden, können auch die sogenannte »double-poly«- Methode, die sogenannte »etch epitaxial refill«-Methode, die Positiv-Isolations-Methode od. dgl. ebenfalls angewandt werden.
Die Fig.4a—4d zeigen die Herstellung eines dielektrisch isolierten Substrats auf der Basis der »double-poly«-Methode. Wie in Fig.4a gezeigt, werden Siliciumoxidfiime 102a und 1026 auf beiden Oberflächen eines Siliciumeinkristailplättchens 101 durch thermische Oxydation erzeugt und anschließend eine polykristalline Siliciumschicht 103 auf dem Siliciumoxidfilm 102a auf einer Seite durch Aufwachsen aus der Dampfphase aufgebracht. Im folgenden wird, wie in F i g. 4b dargestellt, der Siliciumoxidfilm 1026 auf der gegenüberliegenden Seite teilweise unter Bildung von netzförmigen Vertiefungen 104 entfernt und der Siliciumoxidfilm 102a auf einer Seite durch selektives Ätzen des Siliciumeinkristailplättchens 101 freigelegt. Durch die Bildung netzförmig angeordneter Vertiefungen 104 wird das Siliciumeinkristallplättchen 101 in zahlreiche Siliciumeinkristallinseln 101a getrennt. Das erwähnte polykristalline Silicium 103 dient zur Fixierung der entsprechenden Siliciumeinkristallinseln 101a in festgelegten Positionen. Diese sogenannte »doublepoly«-Methode ist von der sogenannten »single-poly«- Methode in F i g. 1 und 2 in dieser Hinsicht sehr verschieden. Der Siliciumoxidfilm 105 wird auf der lateralen, umgebenden Ebene der entsprechenden Siliciumeinkristallinseln 101a beispielsweise durch thermische Oxydationsverfahren erzeugt und anschließend fixiert. Die polykristalline Siliciumschicht 103 wird auf den Heizträger 11 in den zum Aufwachsen aus der Dampfphase dienenden Reaktionsofen 10 wie in F i g. 3 montiert
Nach den in F i g. 1 aufgeführten Schritten D und E werden die Schritte F—/in Fig. 1 erfindungsgemäß in bestimmter Anzahl mehrmals wiederholt. Auf diese Weise ist ein bleibender Träger 108 erhältlich, der aus einem abwechselnden Laminat von polykristallinen Siliciumschichten 106 und Siliciumoxidfilmen 107, wie in F i g. 4c gezeigt, besteht
Wenn der Träger 108 erzeugt ist, wird die Temperatur des Reaktionsofens 10 reduziert und der Träger 108 entfernt Die anfänglich gebildete polykristalline Siliciumschicht 103 wird darauf in geeigneter Weise wie beispielsweise durch Ätzen oder Schleifen entfernt, bis der Siliciumoxidfilm 102a hervortritt, wodurch ein dielektrisch isoliertes Substrat 109 wie in Fig. 4d erhältlich ist.
Entsprechend den erwähnten Herstellungsschritten wird eine polykristalline Siliciumschicht auf beiden Seiten eines Siliciumeinkristalls aufgebracht. Dieses Verfahren wird deshalb »double-poiy«-Verfahren genannt.
Die erwähnte »etch epitaxial refill«-Methode ist eine Verbesserung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten »single-poly«Methode, bei der ein mit Verunreinigungen in hoher Konzentration dotiertes Siliciumeinkristallplättchen verwendet wird, zahlreiche isolierte und durch ein Dielektrikum getrennte hochkonzentrierte Siliciutnkristallinseln von gleichmäßiger Dicke auf einem Trägersubstrat durch Ätzen gebildet werden und anschließend eine mit Verunreinigungen in niedriger Konzentration dotierte Siliciumeinkristallschicht auf den entsprechenden hochkonzentrierten Siliciumeinkristallinseln durch selektives Aufwachsen aus der Dampfphase erzeugt wird, wodurch ein dielektrisch isoliertes Substrat erhalten wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Dicke der niedrig konzentrierten Siliciumeinkristallschicht durch die Zeit für das epitaktisehe Aufwachsen (Aufwachsen in der Dampfphase) kontrolliert werden kann. Das Verfahren ist auf die entsprechenden Herstellungsschritte der erwähnten Substrate erfindungsgemäß anwendbar.
Bei den in den F i g. 2 oder 4 angeführten Ausführungsformen geschieht die Bildung der trennenden netzartigen Vertiefungen von der Rückseite der Siliciumeinkristallinseln bezogen auf die Seite, auf der Verunreinigungen zur Herstellung von Transistoren od. dgl. in den entsprechenden Siliciumeinkristallinseln diffundiert wurden. Bei der »positive isolation«-Methode wird andererseits das Ätzen von derselben Seite der Siliciumeinkristallinseln vorgenommen, auf der auch die Verunreinigungen eindiffundiert wurden. Daher stammt die Bezeichnung »positive isolationw-Methode.
«o Die F i g. 4a—4d zeigen die Herstellungsschritte eines dielektrisch isolierten Substrats auf der Basis der »double-poly«-Methode, die »positive isolation«-Methode wird im folgenden unter Bezug auf die F i g. 4a—4b erläutert.
Auf die Siliciumoxidfiime 1026 und 105, die durch die in den Fig.4a und 4b gezeigten Schritte erhalten wurden, wird eine polykristalline Siliciumschicht durch Aufwachsenlassen zu einer bestimmten Dicke aus der Gasphase gebildet, die netzartig angeordneten Vertiefungen werden durch die polykristalline Siliciumschicht ausgefüllt. Die polykristalline Siliciumschicht wird anschließend geschliffen und poliert, bis die Siliciumeinkristallinseln 101a freigelegt sind. Auf diese Weise ist ein dielektrisch isoliertes Substrat erhältlich.
Wenn bei der »double-polyw-Methode anstelle der polykristallinen Siliciumschicht 103 ein aus einem abwechselnden Laminat von polykristallinen Siliciumschichten und Siliciumoxidfilmen bestehender Träger verwendet wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls anwendbar. Der bei der »positive isolation«- Methode anstelle der polykristallinen Siliciumschicht 103 bei der »double-poly«-Methode verwendete Träger wird in der Endstufe nicht entfernt.
Die entsprechenden Gasleitungssysteme in F i g. 3
•>5 stellen eine Ausführungsform dar, bei der Trichlorsilan und Kohlendioxid als Ausgangsgase verwendet werden; das System muß entsprechend leicht abgewandelt werden, wenn spezielle andere Ausgangsgase Anwcn-
dung finden. So ist beispielsweise im Fall von Trichlorsilan, dab bei Normaltemperatur flüssig ist, ein Verdampfer 25 erforderlich, während das gasförmige Dichlorsilan, S1H2CI2, aus einem Zylinder bzw. einem Vorratsgefäß direkt in das Gasleitungssystem eingeleitet werden kann. Die Auswahl des beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten speziellen Gasleitungssystems ist entsprechend gänzlich freigestellt.
Eine Erneuerung des Siliciumeinkristallplättchens bzw. eine Neubeschickung des Reaktionsofens in jedem Schritt ist bei der abwechselnden Ablagerung und dem Aufwachsen polykristalliner Siliciumschichten und SiIiciumoxidfilmen beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.
Der erfindungsgemäß erzielte technische Fortschritt beruht insbesondere darauf, daß aus einem alternierenden Laminat aus polykristallinem Silicium und Siliciumoxid bestehende Träger erhalten werden, die nur eine sehr geringe Durchbiegung aufweisen.
Es ist ferner allgemein bekannt, daß beim raschen Abkühlen von Siliciumeinkrislallen Kristalldefekte auftreten und ihre elektrischen Eigenschaften verschlechtert werden, was ein entsprechend langsames Abkühlen erforderlich macht.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorteil, daß weder ein durch zahlreiche Wiederholungen von Heizen und Kühlen bedingter Zeitverlust auftritt, noch Krislalldefekte in den Siliciumeinkristallplättchen I zurückbleiben, da die polykristallinen Siliciumschichten und die Siliciumoxidfilme abwechselnd im selben Reaktionsofen bei derselben Temperatur aufgebracht werden und aufwachsen, wobei jeweils lediglich nur ein Siliciumeinkristallplättchen 1 in den Reaktionsofen tO eingesetzt wird, was ebenfalls einen bedeutenden technischen Fortschritt darstellt.
Ein weiterer technischer Vorteil besteht darin, daß die Gasleitungssystenie des zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Ofens nicht kompliziert gebaut sind und die Bedienung der entsprechenden Systeme einfach ist, da Siliciumchloride als Ausgangsgas für die polykristallinen Siliciumschichten und die Siliciumoxidfilme verwendet werden können.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung dielektrisch isolierter Substrate geringer Durchbiegung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen, bei dem auf einer Hauptfläche eines Siliciumeinkristallplättehens ein isolierender Siliciumoxidfilm aufgebracht, auf diesem Isolierfilm durch Erhitzen eines Monosilanderivats der Formel SiHmCln mit m = 0 bis 3 und η = 1 bis 4 in einer Wasserstoffatmosphäre eine Trägerschicht aus polykristallinen! Silicium abgeschieden und das Siliciumeinkristallplättchen teilweise entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der polykristallinen Siliciumschicht (4; 106) in abwechselnder Folge weitere Siliciumoxidfrime (5;
107) und polykristalline Siliciumschichten (4) abgeschieden werden, so daß ein bleibender Träger (6;
108) aus üinem alternierenden Laminat von durchlaufenden Schichten (4, 5; 106, 107) entsteht, wobei die weiteren Siliciumoxidfilme (5; 107) durch Erhitzen des genannten Monosilanderivats in einer Atmosphäre aus einem Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff im gleichen, zur Abscheidung der polykristallinen Siliciumschichten (4; 106) benutzten Ofen und bei derselben Aufwachstemperatur erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff durch Einbringen eines sauerstoffabspaltenden Materials in den die Wasserstoffatmosphäre enthaltenden Ofen erhalten wird, indem das Material bei derselben Temperatur zersetzt wird, bei der das polykristalline Silicium abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des ersten Siliciumoxidfilms (3) auf der einen Hauptfläche des Siliciumeinkristallplättehens (1) netzförmig angeordnete Vertiefungen (2) erzeugt werden und das Siliciumeinkristallplättchen (1) nach der Erzeugung des bleibenden Trägers (6) von der gegenüberliegenden Hauptfiäche her geschliffen wird, bis die netzförmig angeordneten Vertiefungen (2) freigelegt sind und zahlreiche, durch die netzförmig angeordneten Vertiefungen (2) voneinander getrennte Siliciumeinkristallinseln (la) entstehen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumeinkristallplättchen (101) vor der Erzeugung des bleibenden Trägers (108) auf der einen Hauptfläche auf der gegenüberliegenden Hauptfiäche mit einem Siliciumoxidfilm (102a) und einer polykristallinen Siliciumschicht (103) versehen und durch Einätzen von Vertiefungen (104) in mehrere Siliciumeinkristallinseln (101a,) zerteilt wird, und daß vor der Erzeugung des bleibenden Trägers (108) auf der mit einem Siliciumoxidfilm (1026, 105) versehenen Fläche der Anordnung die polykristalline Siliciumschicht (103) von der gegenüberliegenden Hauptfläche entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Herstellung des bleibenden Trägers (108) das Siliciumeinkristallplättchen (101) von der gegenüberliegenden Hauptfläche unter Bildung netzförmig angeordneter Vertiefungen (104) geätzt wird, bis der auf der einen Hauptfläche befindliche erste Siliciumoxidfilm (102a^ freigelegt wird und zahlreiche, durch die Vertiefungen (104) voneinander getrennte Siliciumeinkristallinseln (lOlaJentstehen,
daß durch Aufwachsen aus der Dampfphase ein Siliciumoxidfilm (1026, 105) auf dem freigelegten Teil der Siliciumeinkristallinseln (101 a)ei zeugt wird, die netzförmig angeordneten Vertiefungen (104) durch Erzeugen einer polykristallinen Siliciumschicht auf dem zuletzt genannten Siliciumoxidfilm (1026,105) ausgefüllt und
die dabei erhaltene polykristalline Siliciumschicht bis zur Freilegung der Siliciumeinkristallinseln (101 aj abgeschliffen wird.
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