DE3241946A1 - Verfahren zum herstellen dielektrisch isolierter siliciumbereiche - Google Patents

Verfahren zum herstellen dielektrisch isolierter siliciumbereiche

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DE3241946A1
DE3241946A1 DE19823241946 DE3241946A DE3241946A1 DE 3241946 A1 DE3241946 A1 DE 3241946A1 DE 19823241946 DE19823241946 DE 19823241946 DE 3241946 A DE3241946 A DE 3241946A DE 3241946 A1 DE3241946 A1 DE 3241946A1
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DE19823241946
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Robert Charles 08854 Piscataway N.J. Frye
Harry John 07901 Summit N.J. Leamy
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Western Electric Co Inc
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Description

-3- Frye 1
Beschreibung
Verfahren zum Herstellen dielektrisch isolierter Siliciumbereiche IO
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung elektronischer Bauelemente und insbesondere auf die Herstellung elektronischer Bauelemente mit dielektrisch isolierten Siliciumbereichen.
Bei den meisten elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise integrierten Schaltkreisen, erfolgt eine seitliehe Trennung zwischen Bereichen aus im wesentlichen einkristallinem Silicium, d.h., Silicium mit weniger als insgesamt 10 cm" Defekten, beispielsweise lineare und planare Defekte wie Versetzungen bzw. Stapelfehler. Diese Trennung erfolgt dadurch, daß zwischen die einkristallinen Siliciumbereiche ein Bereich aus elektrisch isolierendem Material mit einer Dicke von etwa gleich der Tiefe der aktiven Bereiche der zu trennenden einkristallinen Materialien angebracht wird. (Der aktive Bereich ist derjenige Bereich des einkristallinen Siliciums, welcher modifiziert wird, um die elektronischen Bauteilestrukturen aufzunehmen. Bei Nennspannungs-Bauelementen ist der aktive Bereich typischerweise 1 pm dick). Auf diese Weise werden Transistoren oder andere Bauelemente, welche im einen einkristallinen Bereich, d.h., im einen aktiven Bereich, gebildet werden, gegenüber Bauelementen in einem zweiten
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aktiven Bereich elektrisch isoliert und an einer Wechselwirkung mit diesen Bauelementen gehindert. 5
Bei einigen bedeutsamen Anwendungen ist jedoch die alleinige Anwendung einer seitlichen Isolation nicht ausreichend. Beispielsweise ist in einigen Fällen die im Betrieb verwendete Spannung oftmals groß genug, um eine Wechselwirkung zwischen getrennten aktiven Bereichen hervorzurufen. Diese Wechselwirkung erfolgt aufgrund der Wanderung von Ladungsträgern unter einen aktiven Bereich in das darunterliegende Substrat, von dort quer durch das Substrat unter dem seitlichen Isolationsbereich und
schließlich nach oben in den zweiten aktiven Bereich.
Zur Verhinderung einer derartigen unerwünschten elektrischen Wechselwirkung zwischen zwei aktiven Bereichen benutzt man zusätzlich zu einer seitlichen Isolation eine
vertikale elektrische Isolation. Eine vertikale Isolation 20
erfolgt durch Unterlagerung einiger oder sehr häufig
aller einkristalliner Siliciumbereiche mit einem Bereich aus elektrisch isolierendem Material. Durch diese Maßnahme wird eine Wechselwirkung zwischen aktiven Bereichen auch bei hohen Spannungen vermieden. 25
Eine vertikale Isolation benutzt man ferner vorteilhafterweise bei Bauelementen, welche bei Nennspannungen arbeiten, wenn eine gesteigerte Zuverlässigkeit gewünscht wird.
Das zusätzliche Isoliermaterial für die vertikale Isola-30
tion verhindert ferner, daß die in dem darunterliegenden Substrat durch thermische Prozesse oder durch ionisierende Strahlung gebildeten Elektronen-Lochpaare zu einem aktiven Bereich wandern und dadurch Fehler bei der Verarbeitung von Informationen seitens der elektronischen Bauelemente
in diesem Bereich hervorrufen. Zusätzlich verringert die
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vertikale Isolation die Kapazität und erlaubt daher eine
schnellere Arbeitsweise des Bauelements. 5
Zur Herstellung eines Bauteils sowohl mit seitlicher als auch mit vertikaler Isolation läßt sich eine Vielzahl von Verfahren verwenden. Beispielsweise ist ein Verfahren
zum Herstellen einer dielektrischen Isolation in "Journal 10
of the Electrochemical Society", Band 124 (1), 1957, Seite 50 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein SiIiciumsubstrat mit einer sehr geringen Defektdichte verwendet, wie dies in Fig. 1 der vorliegenden Zeichnungen veranschaulicht ist. Das Siliciumsubstrat wird mit einem
Isoliermaterial 3, beispielsweise Siliciumoxid, beschichtet, worauf in dem Isoliermaterial (Oxid) mittels herkömmlicher Techniken, beispielsweise durch Photolithografie mit anschließender chemischer Ätzung, Löcher 5 gebildet werden. In die freigelegten Siliciumabschnitte unterhalb der Löcher 5 im Isoliermaterial 3 werden anschließend Nuten 7 geätzt. Diese Nuten 7 werden mit einer Schicht aus η -Silicium 8 epitaktisch beschichtet. Das η -Silicium wird wiederum mit einem Isolator 9, beispielsweise Siliciumoxid, beschichtet. Der Isolator 9 wird
wiederum mit einer Schicht aus polykristallinem Silicium 10 (Polysilicium) beschichtet. Die auf diese Weise hergestellte Struktur ist in Fig. IF dargestellt. Die gesamte Struktur wird dann umgedreht und das Siliciumsubstrat
wird weggeschliffen, bis man die in Fig. IG dargestellte 30
Struktur erhält. Bei dieser Struktur ist das verbliebene,
hochqualitative Silicium mit 12 bezeichnet, während die Isolierschichten mit 14 und 15 und das Polysilicium mit 16 bezeichnet sind. Die fertige Struktur weist somit einkristallines Silicium 12 auf einem elektrisch isolierendem 35
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Material auf.
Trotz der Anwendung dieses Verfahrens zum Herstellen einer dielektrischen vertikalen Isolation besitzt es gewisse Unzulänglichkeiten. Während der Verarbeitung beim Züchten der Siliciumoxidschicht 9 entsteht im Scheitelbereich 17 der Siliciumoxidschicht 9 ein extremes Maß an Druckbe-
lastung. Diese Belastung übt auf das benachbarte einkristalline Silicium 12 eine begleitende Kraft aus, die zu einer ausgedehnten Defektbildung führt. Hierdurch wird die Qualität des einkristallinen Siliciumbereiches beträchtlich verschlechtert.
Andere Versuche zum Herstellen eines vertikal isolierten Bereiches aus einkristallinem Silicium umfassten die Verwendung von porösem Silicium (vergleiche "Journal of the
Electrochemical Society: Solid-State Science and Techno-20
logy", Band 124 (2), 1977, Seite 285 hinsichtlich der Beschreibung von porösem Silicium und dessen Herstellung). Beispielsweise werden bei einem in "Solid-State Electronics", Band 24, 1981, Seite 159 beschriebenen, repräsentativen Verfahren Inseln aus n-einkristallinem Silicium in einem
p-Siliciumsubstrat mittels herkömmlicher Techniken wie beispielsweise Ionenimplantation hergestellt. Dieses ist in Fig. 2 der vorliegenden Zeichnungen, bei 21 gezeigt.
Das Substrat wird anschließend elektrolytisch in wässriger
HF-Lösung unter Bedingungen behandelt, welche das p-Sili-30
cium in poröses Silicium umwandeln, jedoch das n-Silicium im wesentlichen unberührt lassen. Die Bildung von porösem Silicium beginnt an der Oberfläche 23 und schreitet fort, wie in Fig. 2B gezeigt ist, bis sich die Bildungsfronten
des porösen Siliciums vereinigen und die in Fig. 2C dar-35
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gestellte Struktur bilden. Das poröse Silicium wird typischerweise bis zu einer Tiefe von mehr als der Hälfte der ■
seitlichen Spannweite 24 der n-Inseln 21 gebildet, wobei typischerweise die seitliche Spannweite 15 jjm und die Tiefe des porösen Siliciums etwa 8 μίη betragen. Das poröse Silicium wird anschließend zur Bildung eines Siliciumoxid-Isolierbereiches oxidiert, indem das poröse Silicium ο
einer Temperatur von etwa 950 C über 400 Minuten in einer
nassen Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt wird. Da sich der Siliciumoxidbereich vertikal in das Substrat bis zu einer größeren Tiefe erstreckt, wird auf diese Weise eine vertikale Isolation erzielt. Bei der Bildung des porösen SiIi-15
ciumbereichs wird indessen die während des elektrolytischen Prozesses an den Kanten 26 des η-Bereiches auftretende Stromdichte erheblich größer .als die Stromdichte im mittleren Bereich 27 des porösen Siliciums zwischen den η-Inseln. Diese Ungleichförmigkeit der Stromdichte führt ■
zu einer entsprechenden räumlichen Ungleichförmigkeit der
Dichte des porösen Siliciums (vgl. "Journal of the Electrochemical Society: Solid-State Science and Technology", Band 124 (2), 1977, Seite 285). Bei der Oxidation des resultierenden porösen Silieiums quellen die dichteren Be-"25
reiche 28 und 29 auf, während die Bereiche 30 geringerer Dichte schrumpfen. Dieses Aufquellen im einen Bereich und Schrumpfen im anderen Bereich führt zu einer erheblichen Dehnung in dem einkristallinen Silicium und den damit
verbundenen Problemen.
30
Mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung hat sich gezeigt, daß es möglich ist, eine vertikale Isolation einkristalliner Siliciumbereiche herzustellen, welche erheblich größer als die im Schrifttum berichteten Be-35
reiche sind, ohne daß bei der Herstellung dieser größeren
\j t- ~t ι \j τ \j
-B- Frye 1
Bereiche eine übermäßige Dehnung erzeugt wird. Ferner laßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Substrat verwenden, das entweder aus n-oder p-Silicium zusammengesetzt ist. Bei der Oxidation des porösen Siliciums bleiben die Abmessungsänderungen steuerbar. Auf diese Weise werden Defekte in dem einkristallinen Siliciumbereich, welche durch Dehnung hervorgerufen werden, im wesentlichen ver-
mieden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen von Zwischenstufen
bei der Herstellung dielektrisch isolierter SiIiciumbereiche nach bekannten Verfahren, und
Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen der Herstellungs-20
schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das vorliegende Verfahren wird vorteilhafterweise an einem
Siliciumsubstrat anqewandt. Dabei ist sowohl n- als auch 25
p-Silicium nutzbar. Die Substratbereiche, auf denen die dielektrisch isolierten, einkristallinen Siliciumbereiche letztlich gebildet werden, werden derart behandelt, daß eine poröse Siliciumzone mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 30 pm hergestellt wird. Die verwendete Dicke hängt von der fertigen Dicke ab, welche der Bereich besitzen muß, wenn er in einen Isolator umgewandelt wird. Diese fertige Dicke hängt wiederum von dem Grad der notwendigen Isolation ab. Typischerweise werden für Hochspannungs-Bauelemente,
d.h., Bauelemente, die im Spannunqsbereich von 100 bis 35
1000 Volt arbeiten, Siliciumoxidschichten mit einer Durch-
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bruchsspannung im Bereich von 200 bis 5000 Volt benötigt.
Diese Durchbruchsspannungen erreicht man durch Verwendung 5
einer Oxiddicke generell größer als 1 pm aus hochqualitativem Oxid, das z.B. mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Für Anwendungen wie beispielsweise Nennspannungsschaltkreise ist die Durchbruehs-
spannunq nicht so wichtig, so daß Siliciumoxidschichten IO
mit Dicken typischerweise im Bereich von 0,5 um bis 10 jum zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften geeignet sind. In jedem Fall sollte die Oxidschicht eine Dicke von zumindest 0,1 pm (100 nm) aufweisen.
Der über dem einkristallinen Silicium 44 liegende Abschnitt des porösen Siliciumbereiches 43 gemäß Fig. 3 sollte im wesentlichen eine gleichförmige Dichte besitzen, d.h., daß die Dichte in dem Volumen des porösen Siliciums unterhalb des Bereichs 44 bis zu einer zur Erzielung der
gewünschten Durchbruchsspannung oder -im Falle von Niederspannungs-Bauelementen - der verbesserten Eigenschaften ausreichenden Tiefe einen Wert besitzen sollte, welcher sich um nicht mehr als 10?ό, vorzugsweise 5?ό und insbesondere 2% ändert. (Das darunterliegende poröse Silicium wird
durch gedachte, in Fig. 3 mit gestrichelten Linien dargestellten Ebenen senkrecht zu der die Begrenzungslinien für die Enden des einkristallinen Bereichs schneidende Substratoberfläche definiert.)
Das Dichtekriterium läßt sich vorteilhaft in einfacher Weise dadurch erfüllen, daß die gesamte Oberfläche des Siliciumsubstrats in poröses Silicium umgewandelt wird (Aus praktischen Erwägungen heraus ist die tatsächliche Kante des Substrates während der elektrolytischen Bildung des porösen Siliciums generell durch eine Halterung be-
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deckt, die zum Halten des Substrates in dem Elektrolyten
vorgesehen ist. Daher wird ein kleiner bedeckter Bereich 5
im allgemeinen nicht porös gemacht. Es liegt indessen im Bereich des Erfindungsgedankens, das gesamte Substrat zu behandeln.) Nur das poröse Silicium in der Nähe der Kanten des porös gemachten Bereiches, d.h., innerhalb einer
Entfernung won 1 mm von der Kante, wird einer Stromdichte 10
unterworfen, die gegenüber dem Rest des Substrates während
der elektrolytischen Bildung des porösen Siliciums unterschiedlich ist. Mit Ausnahme eines sehr begrenzten Bereichs an der Peripherie des Substrates wird daher eine gleichförmige Materialdichte erzielt. Um das Dichtekriterium 15
zu erfüllen, ist es nur notwendig, den einkristallinen Bereich über dem nicht in den Randbereichen vorhandenen porösen Silicium zu bilden.
Trotz der Einfachheit der Umwandlunq der qesamten Substrat-20
oberfläche in poröses Silicium ist es möglich, Bereiche kleiner als die gesamte Oberfläche, jedoch erheblich größer als ein einzelner darüber liegender Bereich aus einkristallinem Silicium umzuwandeln. Wie bei der Bildung
von porösem Silicium über der gesamten Substratoberfläche 25
wird an den Enden des porösen Siliciumbereichs ein gewisser Dichtegradient hervorgerufen. (Der seitliche Abstand, den der Dichtegradient umfaßt, hängt von der räumlichen Abmessung der benachbarten, nicht-porösen Si-
1iciumbereiche ab. Der Dichhearadient in einem porö-30
sen Siliciumbereich läßt sich leicht durch optische Inspektion überwachen, wobei dieser Bereich nicht überdeckt werden sollte. Beispielsweise verläuft an den Enden eines Substrates mit einem Rand aus nicht-porösem Silicium von
einem halben Zentimeter der Gradientenbereich in einem 35
seitlichen Abstand von ungefähr 1 mm von den Enden des
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porösen Siliciums.) Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel werden die einkristallinen SiIiciumbereiche da-5
durch hergestellt, daß zuerst eine Schicht aus einkristallinem Silicium über im wesentlichen der gesamten Substratoberfläche gebildet wird. Anschließend werden mit Hilfe herkömmlicher Techniken, beispielsweise chemischer Ätzung oder Plasmaätzung in Kombination mit der geeigneten Lithografie, entsprechende Abschnitte der einkristallinen SiIiciumschicht entfernt, um die gewünschten getrennten einkristallinen Siliciumbereiche zu erzielen, welche in geeigneter räumlicher Beziehung zu den porösen Siliciumbe-
reichen sind.
15
Das Verfahren zum Herstellen von porösem Silicium sowohl in p- als auch in n-Silicium ist im "Journal of the Electrochemical Society: Solid-State Science and Technology",
Band 122 (10), 1975, Seite 1351 beschrieben. Grundsätzlich 20
sieht dieses Verfahren das Eintauchen einer Gegenelektrode und des n- oder p-Siliciumsubstrates in einen Elektrolyten auf HF-Basis vor, wobei die porös zu machenden Bereiche dem Elektrolyten ausgesetzt sind. Anschließend läßt man
einen Strom von dem Siliciumsubstrat zu der Gegenelektrode 25
fließen. Die verwendete Stromdichte und der spezifische Widerstand des Substrats bestimmen die Dichte des erzielten porösen Siliciums. Typischerweise lassen sich mit Strom-
2 2
dichten im Bereich von 0,1 mA/cm bis 200 mA/cm bei Substraten mit einem spezifischen Widerstand von 500 bis 0,005 3
Ohm/cm Materialdichten im Bereich von 0,7 gm/cm bis 1,6 gm/cm herstellen. (Für hochohmige η-Substrate, wie sie in der vorstehenden Literaturstelle "Journal of the Electrochemical Society: Solid-State Science and Technology",
Band 122 (10), 1975, Seite 1351 beschrieben sind, wird .35
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-12- frye 1
das Substrat während der elektrolytischen Ätzung beleuchtet.) Zur Bestimmung einer geeigneten Stromdichte für eine 5
gewünschte Materialdichte beim Umwandeln eines Substrates
mit einem Destimmten spezifischen Widerstand wird eine Kontrollprpbe verwendet. (Der Substratwiderstand läßt sich durch Justieren des Silicium-Dotierungspegels steuern.)
3
Materialdichten im Bereich von 0,7 bis 1,6 gm/cm führen zu porösem Silicium, welches sich in nutzbare Siliciumoxidbereiche umwandeln läßt. In Folge der Anforderungen bestimmter Anwendungen, beispielsweise Hochspannungs-Schaltkreise, ist es günstig, poröses Silicium mit einer
3
Dichte im Bereich von 0,9 bis 1,1 gm/cm zu verwenden. Mit sinkender Dichte besitzt das resultierende, gebildete Siliciumoxid eine etwas größere Zugspannung und eine verringerte Durchbruchsspannung. Dichten bis herab zu 0,7
gm/cm bleiben nutzbar, während unterhalb dieses Wertes 20
die Haftung des porösen SiIieiums auf dem Substrat unerwünscht gering ist. Mit zunehmender Dichte vergrößert sich die Druckspannung in dem oxidierten Material. Materialien mit Dichten bis hin zu 1,6 gm/cm sind nutzbar, während
oberhalb dieses Wertes es generell nicht möglich ist, eine 25
Oxidation über die gesamte seitliche Abmessung des porösen Siliciumbereiches, welcher unter einem einkristallinen Siliciumbereich mit typischen seitlichen Abmessungen liegt, herbeizuführen.
Nach der Bildung des porösen Siliciums werden die gewünschten einkristallinen Siliciumbereiche hergestellt. Diese Bereiche werden mit Hilfe bekannter Techniken wie beispielsweise . chemischer Dampfniederschlag (CVD), Molekularstrahlepitaxie oder Laser-Schmelze gebildet. Typisch für 35
chemische Dampifniederschlagstechniken ist die Verwendung
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-13- "' " "Vrye 1
eines vertikalen Heißwandreaktors mit einem Dampffluß,
der Silan und einen Wasserstoffträger umfaßt (vgl. 5
"Impurity Doping Processes in Silicon", herausgegeben von F.F.Y. Wang, North Holland-Verlag, New York, 1981, Seiten 258 bis 314). Der Niederschlagsdampf wird über ein Substrat oder mehrere Substrate geleitet, welche auf eine
Temperatur im Bereich von 900 bis 1150 C erwärmt sind. 10
Alternativ läßt sich ein Molekularstrahlepitaxieverfahren verwenden, das in Kapitel 4 "Growth of Doped Silicon Layers by Molecular Beam Epitaxy" des vorstehend genannten Buches "Impurity Doping Processes in Silicon" beschrieben ist, wobei mit einer Substrattemperatur im Bereich von 650 ο
bis 1000 C gearbeitet wird.
Es ist ferner möglich, einen Laser zum Schmelzen von Bereichen des porösen Siliciums zu verwenden, um Bereiche
aus einkristallinem Silicium herzustellen. Hierzu verwen-20
det man vorteilhafterweise einen gepulsten Laser mit einer Pulslänge von 10 bis 500 ns. Die Laserleistung ist so festgelegt, daß das poröse Silicium bis zu einer Dicke geschmolzen wird, welche ungefähr doppelt so groß wie die
Dicke des herzustellenden einkristall linen Siliciums ist. 25
Der von dem gepulsten Laser hervorgerufene Schmelze- und Verfestigungsvorgang führt zur Bildung eines einkristallinen Siliciumbereiches (vgl. US-PS 4 234 358 hinsichtlich der Beschreibung eines äquivalenten Prozesses der zur
Herstellung von einkristallinem Silicium aus stark defekt-30
haltigem Silicium verwendet wird). Bei der Laser-Schmelzeherstellungstechnik sollte das poröse Silicium ausreichend dick sein, so daß nach dem Laser-Fusionsprozess eine geeignete Dicke porösen Siliciums unter dem einkristallinen
Siliciumbereich verbleibt.
35
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BAD ORSGINAL
-IA- * ***'Frye 1
Nach der Bildung der einkristallinen Siliciumbereiche wird
das unter dem einkristallinen Silicium liegende poröse 5
Silicium oxidiert, um einen vertikal isolierenden Bereich aus Isoliermaterial zu bilden. Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, ist es von Vorteil, eine Schicht aus einkristallinen) Silicium zu ätzen, um die einkristallinen
Siliciumbereiche festzulegen. Es ist ferner von Vorteil, ..
diesen Atzvorgang derart fortzuführen, daß das poröse Silicium 45 im Gebiet 48 direkt unterhalb der Grenze des einkristallinen Siliciumbereiches 49 freigelegt wird. Durch diese Maßnahme gelangt das Oxidationsmittel leichter
zu den Enden des porösen Siliciummaterials, welches unter 15
dem einkristallinen SiIiciumbereich liegt.
Ein typisches Oxidationsmittel welches bei diesem Vorgang günstig ist, ist O7 oder eine Mischung aus O2 und Wasserdampf (gegebenenfalls ist es möglich, ein Trägergas mit dem Oxidationsmittel zu mischen). Die Umwandlung des porösen Siliciums in einen Isolator mittels Oxidationsprozesse sollte so durchgeführt werden, daß die anfänglich hervorgerufene Umwandlung bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit erfolgt und daß anschließend die Umwandlungsge-25
schwindigkeit langsam vergrößert wird. Bei Nicht-Befolgung
dieser Massnahme wird das Risiko einer Abdichtung der Enden des porösen Siliciumbereiches durch das Aufquellen des zu Beginn umgewandelten Materials beträchtlich vergrößert. (Es ist ferner von Vorteil, anfänglich den Par-30
tialdruck von O7 oder von 0„ und Wasserdampf auf 1 bar oder weniger zu begrenzen, da bei höherem Druck die Oxidation im allgemeinen zu rasch erfolgt.)
BAD
-15- Frye 1
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Erzeugen eines geeigneten
Oxidationsgeschwindigkeitsgradienten bei dem Umwandlungs-5
prozess besteht in der anfänglichen Verwendung einer Temperatur im Bereich von 500 bis 600°C zusammen mit einem Oxidationsmittel wie beispielsweise 0« oder (L und Wasserdampf. Die Temperatur wird anschließend graduell auf eine Temperatur im Bereich von 1000 bis 1250°C über eine Zeitspanne
,..
von 15 Minuten bis 2 Stunden erhöht. Je langer die während des Temperaturanstiegs verwendete Zeitspanne ist, desto langer ist der seitliche Bereich, auf den sich die Oxidation des porösen Siliciummaterials ausdehnen läßt.
Beispielsweise führt die Verwendung eines O?/Wasserdampf-Medi ums ^
über eine Zeitspanne von 15 Minuten zum Behandeln eines porösen Siliciumbereiches mit einer Dichte von 1,1 gm/cm zu einem oxidierten Bereich mit einer seitlichen Abmessung von 70 um bis 150 pm. Demgegenüber führt die Verwendung einer Zeitspanne von 2 Stunden zu einer Abmessung von 200 pm bis 400 pm. Sowohl die Zeitspanne, während der die Temperatur erhöht wird, als auch die anfängliche Dichte des porösen Siliciumbereiches unter dem einkristallinen Siliciumbereich bestimmen die maximale seitliche Abmessung,
die sich oxidieren läßt. Zum Bestimmen einer geeigneten 25
Dichte und Zeitspanne für eine gewünschte seitliche Abmessung verwendet man eine Kontrollprobe. Ein trockenes Oxidationsmittel wie Oy ist besser geeignet, größere seitliche Entfernungen unter dem einkristallineri Siliciumbereich zu durchdringen. Ein nasses Oxidationsmittel wie (WWasserdampf erfc
zeugt generell ein Oxid mit einer höheren Durchbruchsspannung. Ferner ist auch eine Kombination dieser beiden Oxidationsmittel möglich, beispielsweise durch anfängliches Verwenden von trockenem Sauerstoff bei geringen Tempera-
türen zur Erzielung einer guten Durchdringung, gefolgt von. 35
nassem Sauerstoff bei höheren Temperaturen zur Verbesserung
10
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der Oxidqualität.
Die Oxidation des darunterliegenden porösen Siliciums
führt zu Bauformen, wie üie in Fig. 4B dargestellt sind. (Die oxidierten Bereiche sind dort mit 52 bezeichnet.) Man beachte, daß sich auf der Oberfläche des einkristallinen Siliciumbereiches eine Oxidhaut bildet. Diese Oxid-IO
haut unterstützt den Schutz der Einkristalloberfläche bis zum Ätzen der Löcher in die Oxidhaut während des Verfahrens zum Herstellen von Bauelementen in dem einkristallinen Silicium. Da das poröse Silicium vor seiner Oxidation größere Poren aufweist, führt der Oxidationsvorgang nicht zu unerwünschten Volumenänderungen. Da ferner das poröse Silicium in der Nähe des einkristallinen Siliciumbereiches eine im wesentlichen gleichförmige Dichte aufweist, werden während des Oxidationsvorgangs keinerlei unerwünschte Spannungen und damit Defekte hervorgerufen. Nach Erreichen der Bauform gemäß Fig. 4B ist es günstig, die Oberfläche durch Auffüllender Lücken 53 eben zu machen. (Das Auffüllen der Lücken führt ferner zu einer zusätzlichen seitlichen Isolation). Dies erfolgt durch herkömmliche Techniken
wie beispielsweise ein chemischer Dampfniederschlag von 25
Oxid mit anschließender reaktiver Ionenätzung zum Glätten des niedergeschlagenen Oxides (vgl. "Journal of the Electrochemical Society", Band 126, 1980, Seite 1042 hinsichtlich der Beschreibung eines chemischen Dampfniederschlagen von
Oxid sowie "Journal of the Electrochemical Society", Band 30
128, 1981, Seite 423 hinsichtlich der Beschreibung einer
Glättung mittels reaktiver Ionenätzung). Das so erhaltene Zwischenprodukt wird dann auf herkömmliche Weise behandelt, um die gewünschten elektronischen Bauteile, wie beispielsweise Transistoren, Kondensatoren und/oder Widerstände in 35
10/11
BAD
den einkristallinen Bereichen sowie den elektrischen Kontakt zu diesen Bauteilen herzustellen. 5
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen typische Verfahrensbedingungen, die bei dem Herstellungsprozess Anwendung finden.
Beispiel 1
Ein (100)-orientiertes, bor-dotiertes Plättchen mit einem Durchmesser von 7,68 cm und einem spezifischen Widerstand von 0,006 Ohm/cm wurde in einen Substrathalter für eine elektrolytisehe Behandlung eingesetzt. Der Substrathalter besaß zwei Teflon-Abschnitte. Der erste Abschnitt besaß eine Mulde mit einer Tiefe von etwa einem halben Zentimeter und einem Durchmesser von etwa 6 cm. Ein Durchlab verband diese Mulde mit dem Rand dieses Probenhalterabschnittes. Das Substrat wurde dann auf diesen Abschnitt des Probenhalters gesetzt und so positioniert, daG es im wesentlichen über der Mulde zentriert war. Anschließend wurde ein Teflon-Ring mit einem Innendurchmesser von etwa 6,4 cm über dem Plättchen zentriert. Dieser zweite Probenhalterabschnitt war ausreichend breit, um in dem ersten Probenhalterabschnitt an Stellen jenseits der Substratkante verschraubt zu werden. Nach erfolgtem Zusammenschrauben dieser Teflonabschnitte mit Hilfe von Teflonschrauben wurde in die Mulde hinter dem Substrat über deren Auslaßöffnung destilliertes Quecksilber eingefüllt.
Ein Elektrolyt wurde durch Kombination eines Volumenteils Wasser mit zwei Volumenteilen einer HF-Lösung zubereitet. (Die HF-Lösung war eine 48 gew.?o-ige Lösung von HF in Wasser, d.h., es handelte sich um konzentrierte HF). Der
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Substrathalter mit dem Substrat wurde in den Elektrolyten
so eingetaucht, daß zwar das Substrat bedeckt war, jedoch 5
die AuslaGöffnung für das Quecksilber über die Elektrolytoberfläche vorragte. Zur Bildung einer Gegenelektrode wurde ein quadratisches Platinblech mit einer Kantenlänge von 5,12 cm in den Elektrolyten eingetaucht. Ein mit der positiven Klemme einer Versorgungsspannungsquelle elektrisch verbundener Wolframdraht wurde in die Quecksilberöffnung so eingeführt, daß er mit dem Quecksilber in der Mulde hinter dem Substrat in Kontakt gelangte. Ein mit der negativen Klemme der Versorgungsspannungsquelle elektrisch verbundener elektrischer Leiter wurde durch einen Druckkontakt 15
an der Gegenelektrode angebracht. Zwischen dem Substrat und der Gegenelektrode ließ man einen Gesamtstrom von 1,6 A
mit einer Stromdichte von etwa 50 tnA/cm für eine Zeitspanne von 3 Minuten fließen. Anschließend wurden der Stromfluß beendet, der Substrathalter aus der Lösung entfernt 20
und das Substrat in deionisiertem Wasser abgespült. Der resultierende poröse Siliciumfilm über dem freigelegten Abschnitt des Plättchens besaß eine Tiefe von etwa 5 jum, wie mittels eines Lichtmikroskopes beobachtet werden konnte.
Das Substrat wurde anschließend in einem Vakuumofen bei einem Drück von etwa 7 Pa (50 MiTIitorr) und einer Temperatur von 200° C über eine Zeitspänne von etwa 30 Minuten gebacken. Dieser Schritt diente zum Entfernen von restlichem Elektrolyt aus
den Poren des porösen Siliciums. Das Substrat wurde dann in 30
einen Probenhalter eines für einen chemischen Dampfniederschlag vorgesehenen, vertikalen Heißwandreaktors eingesetzt. Der Reaktor wurde auf HOO0C erhitzt, wobei Wasserstoff mit
einem Druck von 1 bar in den Reaktor eingeführt wurde. Diese Behandlung dauerte 10 Minuten, worauf der Wasserstoff
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-19-"" Frye 1
aus der Probenkammer entfernt wurde. Die Temperatur wurde dann auf 1000 C justiert und eine Gasströmung von 95 l/min 3
Wasserstoff und 150 cm /min Silan in die Kammer bei einem Druck von etwa 1 bar eingeleitet. Die Gasströmung aus der Silan/Wasserstoffmischung wurde für etwa 10 Minuten aufrechterhalten, worauf die Gasströmung beendet und
das restliche silanhaltige Gas aus der Kammer evakuiert 10
wurde. Dieser Schritt führte zu einem etwa 1,5 pm dicken epitaktischen Film mit einer Fehlerdichte von etwa 10 /cm (Die Fehlerdichte wurde durch Verwendung eines üblichen Ätzmittels und durch Beobachten der resultierenden Ätznarben in einem Raster-Elektronenmikroskop gemessen.)
Als nächstes wurde Apiezon W-Wachs(ein Erzeugnis der Apiezon Company) in Trichloräthan gelöst. Von dieser Lösung wurden in Intervallen kleine Tropfen auf das Substrat gegeben, um Perlen mit einem Durchmesser von etwa 3 bis 4 20
mm zu bilden. Das Substrat wurde in der Umgebungsatmosphäre gelassen, damit das Trichloräthan verdampfen konnte. Als Rückstand der Verdampfung des Trichloräthans ergaben sich Bereiche aus Apiezon W-Wachsmit einem Durchmesser von
etwa 3 bis 4 mm.
25
Als nächstes wurde ein Silicium-Ä'tzmittel durch Kombination von einem Volumenteil konzentrierter Salpetersäure, einem Volumenteil konzentrierter Salzsäure und 6 Volumenteilen Eisessig zubereitet. Das Substrat wurde in das Ätz-30
mittel eingetaucht und so lange in dem Ätzmittel gehalten,
bis die unmaskierten Abschnitte des einkristallinen SiIiciums und des unter diesen Abschnitten liegenden porösen Siliciums entfernt waren. Das Ende dieses Entfernungsvorgangs läßt sich durch eine Änderung des Reflexionsvermögens 35
n/n
-20-* ***" Frye 1
der geätzten Substratbereiche leicht beobachten. Der gesamte Ätzprozess dauert etwa 10 Sekunden.) Das Substrat 5
wurde in deionisiertem Wasser gespült und das Wachs unter Verwendung von Trichloräthan entfernt.
Das Substrat wurde daraufhin in einen Ofen bei einer Temperatur von 600 C eingesetzt. Eine Sauerstoffströmung wurde durch einen Wassersprudler, welcher auf 90 C gehalten wurde, geleitet. Mit Beginn der Sauerstoffströmung wurde die Temperatur linear mit einer Geschwindigkeit von 20 C/min vergrößert. Die Temperatur wurde bis auf 1000°C vergrößert, worauf diese Temperatur für 45 Minuten kon-
stant gehalten wurde.
Die Proben wurden durch die Inseln so gespalten, daß man sie optisch betrachten konnte. Das seitliche Eindringen
der Oxidation unter den einkristallinen Siliciumbereich 20
lag nach dieser Beobachtung zwischen 70 und 150 pm.
Beispiel 2
Bei diesem Beispiel wurde die gleiche Prozedur wie beim
Beispiel 1 verfolgt, außer daß während des Oxidationsvorganges die Temperatur von 600°C auf 1000°C mit einer linearen Geschwindigkeit von 3 C/min vergrößert wurde. Diese Prozedur führte zu einer seitlichen Eindringung der Oxidation zwischen 200 und AOO, um.
Beispiel 3
Bei diesem Beispiel wurde die gleiche Prozedur wie beim
Beispiel 1 verfolgt, außer daß eine Vielzahl von Substrat-35
Temperaturen bei .dem chemischen Dampfniederschlag zur An-
13/14
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-21- Fry« 1
Wendung gelangten. Diese Temperaturen lagen im Bereich zwischen 900 und 1100 C. Ferner wurde anstelle von Silan Siliciumtetrachlorid benutzt. Das resultierende einkristalline Silicium hatte etwa die gleiche Qualität wie im Falle des Beispiels 1.
Beispiel 4
Bei diesem Beispiel wurde die gleiche Prozedur wie beim Beispiel 1 verfolgt, außer daß das einkristalline Silicium mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet wurde. Das Substrat wurde in den Probenhalter einer Molekülarstrahlepi-15
taxie-Vorrichtung eingesetzt. Die Probenkammer wurde auf
-9 -7 ■
einen Druck von etwa 5 χ 10 Torr (7 χ 10 Pa) evaku
iert. Das Substrat wurde dann rasch
auf eine Temperatur
von 850 C erhitzt. Die Oberfläche des Substrates wurde mit Argonionen sprühgeätzt, um die ,Oberfläche durch Entfernen von 10 bis 100 nm Material zu reinigen. Die Substrattemperatur wurde dann auf 650 C verringert. Daraufhin wurde mit Hilfe eines Elektronenstrahls ein Vorrat aus reinem Silicium erhitzt, um eine gegen das Substrat
gerichtete Siliciumströmung zu erzeugen. Die Silicium-25
strömung ließ man für eine Dauer von 15 Minuten auf dem Substrat auftreffen, was zu einer einkristallinen Siliciumdicke von etwa 1 um führte. Die Fehlerdichte an der Oberfläche des einkristallinen Si 1-i ei urn's war praktisch 0 und
5 2
stieg bis zu einem Wert von etwa 10 /cm an der Grenzfläche mit dem porösen Siliciummaterial an.
Beispiel 5
Bei diesem Beispiel wurde die gleiche Prozedur wie beim .35
Beispiel 1 verfolgt, außer daß die einkristallinen SiIi-
14/15
"-22- "" "Frye
ciumbereiche durch eine Laser-Schmelze hergestellt wurden.
Das Substrat wurde in einen auf 350 C aufgeheizten Proben-5
halter eingesetzt. Als Laser wurde ein frequenzverdoppelter Neodym-YAG-Laser verwendet, der auf einem einzigen Gauß'schen Ausgangsmode bei einer Wellenlänge von etwa 0,53 pm arbeitete. Der Laser wurde bei 250 kHz mit einer
Pulslänge von etwa 95 ns moduliert. Die Oberfläche des 10
Substrates wurde mit einer Leuchtfleckgröße von etwa 40 pm bei einer mittleren Leistung an der Substratoberfläche von etwa 25 mW bestrichen, so daß jeder Leuchtpunkt in der Folge den vorangegangenen Leuchtpunkt um etwa 30 /um überlappte. Der Laser wurde in einem Serpentinenmuster abge-
lenkt, bis eine Fläche von 10 cm vollständig mit dem durch den Laser erzeugten Aufschmelzen behandelt war. Der einkristalline Bereich wurde mittels des Elektronen-Kanaleffektes untersucht, wobei die Größe des Kanaleffektes eine Aussage darüber erlaubte, ob sich ein einkristaly
liner Bereich tatsächlich gebildet hatte.
15 35
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Claims (3)

  1. BLUMBACH-WEBKB*
    y HOFFMANN
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Paleniconsult RadedcestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsult Patefitconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) S62943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull
    Western Electric Company, Incorporated Frye 1 New York, N. Y. 10038, USA
    Patentansprüche
    1J Verfahren zum Herstellen eines vertikal isolierten Bereiches aus einkristallinem Silicium, bei dem ein Bereich aus porösem Silicium unterhalb des Bereiches aus einkristallinem Silicium gebildet und das poröse Silicium oxidiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Silicium (43) vor der Bildung des Bereiches aus einkristallinem Silicium (44) gebildet wird und daß der Bereich aus einkristallinem Silicium (44) seitlich innerhalb der Grenzen des Bereiches aus porösem Silicium (43) angeordnet wird, derart, daß der unter dem einkristallinem Silicium (44) liegende Abschnitt (48) des porösen Siliciums (43) eine.Dichte aufweist, welche sich um nicht mehr als 10?ό ihres mittleren Wertes bis zu einer Tiefe von zumindest 0,1 μνη ändert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, da d u r c h gekennzeichnet, daß vor der Oxidation das außerhalb des Abschnittes (48) liegende poröse Silicium entfernt wird. '
    München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nai. · E. Hoff mann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof.Dr.jur. Dipl.-Ing., Pal.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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    -t r ο
    -2- Frye
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d υ r c h gekennzeichnet, daß mit der Oxidation bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 600 C begonnen wird und daß die Temperatur während der Oxidation auf eine Temperatur im Bereich. v.on 1000 bis 1250 C graduell erhöht wird.
    BAD ORSGSNAL
DE19823241946 1981-11-13 1982-11-12 Verfahren zum herstellen dielektrisch isolierter siliciumbereiche Withdrawn DE3241946A1 (de)

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