DE3715232A1

DE3715232A1 - Verfahren zur substratkontaktierung bei der herstellung von durch isolationsgraeben getrennten bipolartransistorschaltungen

Info

Publication number: DE3715232A1
Application number: DE19873715232
Authority: DE
Inventors: Hans Willi Dipl Phys Dr Meul; Hans-Christian Dipl Ph Schaber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-05-07
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1988-11-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Substratkontaktierung bei der Herstellung von durch Isolationsgräben getrennten Bi polartransistoren enthaltenden integrierten Schaltungen, bei dem die Kontaktierung über in die Transistorstruktur eingebrach te, bis ins Substrat sich erstreckende Gräben erfolgt.

In der modernen Bipolar-Technologie wird zur Isolation der akti ven Transistorbereiche die Grabenisolationstechnik verwendet. Dadurch bietet sich im Gegensatz zu herkömmlichen Isolations techniken die Möglichkeit, die vergrabene Kollektorschicht (so genannte buried-layer) unter Einsparung einer Photolacktechnik unstrukturiert, das heißt ganzflächig herzustellen. Eine ganz flächige buried-layer hat außerdem den Vorteil, daß das Problem des sogenannten "lateralen Autodoping" grundsätzlich entfällt. Zur Isolation der aktiven Bereiche muß die Grabentiefe aber so gewählt werden, daß die vergrabene Kollektorschicht von den Grä ben sicher durchtrennt wird. Andererseits können Substratkon takte von der Kristallscheibenvorderseite, die die Bauelement strukturen enthält, bei unstruktuierter buried-layer nur auf dem Weg durch die Gräben hergestellt werden. Daher ist ein ein heitliches Auffüllen aller Gräben mit elektrischen isolierendem Material, das vorzugsweise aus Siliziumoxid besteht, ausge schlossen. Die Gräben müssen vielmehr überall dort, wo aus schaltungstechnischen Gründen ein Substratkontakt erforderlich ist, mit niederohmigem Polysilizium desselben Leitfähigkeits typs wie der des Substrats aufgefüllt werden, wobei nur die Grabenwand, nicht aber der Grabenboden mit einer dünnen Iso lierschicht ausgekleidet ist. Die relativ hohe Seitenwandkapa zität solcher hoch-dotiertes Polysilizium enthaltender Gräben läßt ein einheitliches Auffüllen aller Gräben mit dotiertem Polysilizium nach Grabenwandpassivierung aber ebenfalls un zweckmäßig erscheinen.

Durch die Erfindung soll das Problem gelöst werden, sowohl reine Isolationsgräben als auch Substratanschlußgräben neben einander im selben Herstellungsprozeß mit möglichst wenig Zu satzaufwand herzustellen, wobei gleichzeitig die Kollektor- Substrat-Kapazität vernachlässigbar klein bleibt.

Zur Lösung des Substratkontaktproblems sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt, die jedoch alle darin übereinstimmen, daß zur Definition der Substratkontakte eine eigene Photolacktechnik benötigt wird. Dazu wird beispielsweise auf die Berichte von Bhatia et. al. und Beyer et. al in dem IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 27, No. 3, August 1984, Seiten 1532/1533 und No. 2, Juli 1984, Seiten 1245 bis 1457 hingewiesen. In dem Bericht von El-Kareh im IBM Technical Dis closure Bulletin Vol. 27, No. 5, 1984, Seiten 3036 bis 3037 wird zur Substratkontaktierung sogar eine Strukturierung der vergrabenen Kollektorschicht vorgeschlagen.

Ein weiteres zusätzliches Problem zur Substratkontaktierung ist das Problem der Seitenwandkapazität im Graben, welches entweder in dem Bericht von Bhatia in Kauf genommen wird, oder aber, wie in dem Bericht von Beyer beschrieben, mit Hilfe einer technolo gisch nicht einfachen Polysilizium-Ätzung im Graben gelöst wer den soll.

Die Erfindung löst alle diese Probleme auf einfache Weise und ist durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die für die Kontaktierung vorgesehenen Substratgräben gleich zeitig mit den Isolationsgräben erzeugt werden, wobei bei gleicher Tiefe im Substrat die Weite w₂ der Substratgräben größer als die doppelte Weite w ₁ der Isolationsgräben ein gestellt wird,
b) die Abscheidung der Isolationsschicht beim Auffüllen der Gräben so geführt wird, daß die Schichtdicke d ₁ der halben Isolationsgrabenweite w ₁ entspricht, so daß im Substratgraben ein Spalt der Weite w ₂-w ₁ freibleibt,
c) die horizontal abgeschiedenen Isolationsschichten durch einen anisotropen Ätzprozeß entfernt werden und
d) anschließend der Spalt w ₂-w ₁ im Substratgraben mit dem zur Kontaktierung vorgesehenen Material aufgefüllt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere ein Verfah ren zum Herstellen eines Substratkontaktes eines vertikal aufge bauten Bipolartransistors vom npn-Typ, wobei die n-Bereiche den Kollektor des Transistors bilden und vergrabene n⁺-dotierte Zonen bedecken, die durch tiefreichende Kollektoranschlüsse angeschlos sen werden, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1 bis 4 und eines Ausfüh rungsbeispiels der Prozeßablauf für die Herstellung eines ver tikalen npn-Bipolartransistors noch näher beschrieben. Dabei sind in den Figuren in Schnittbildern die erfindungswesentlichen Ver fahrensschritte dargestellt; für gleiche Teile sind gleiche Be zugszeichen vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf Transistoren dieses einen Typs beschränkt.

Fig. 1 Die hier abgebildete Anordnung wird zum Beispiel durch folgende Verfahrensschritte hergestellt:

a) Bildung des vergrabenen Kollektorbereiches 2 (n⁺ buried layer) in einem p-dotierten Siliziumsubstrat 1 durch Ionenimplanta tion von Antimon mit einer Dosis und Energie von 3 × 10¹⁵ cm^-2 und 80 keV,
b) Abscheidung einer n-dotierten Epitaxieschicht 3,
c) Erzeugen einer ersten thermisch gewachsenen Siliziumoxid schicht 4 in einer Schichtdicke von 50 nm, sowie Abscheidung einer ca. 100 nm dicken LPCVD Nitiridschicht 5 (= low pressure chemical vapor deposition),
d) Aufbringen einer Ätzmaske 6 aus durch thermische Zersetzung von Tetraethylorthosilikat gebildetem Siliziumoxid (500 nm), wobei bei der Strukturierung dieser Schicht 6 die Bedingung der unterschiedlichen Weiten der Isolations- und Substrat gräben eingestellt wird. Die Weite des Isolationsgrabens w ₁ beträgt beispielsweise 1 µm, die des Substratgrabens w ₂ ∼ 2 µm,
e) Einätzen der Isolations- (w ₁) und Substratgräben (w ₂) bis zu einer Tiefe, daß die n-dotierte Epitaxieschicht 3 und die vergrabene n⁺-dotierte Kollektorschicht 2 sicher durchtrennt sind. Wie die Fig. 1 zeigt, reichen die Grabenböden in das Substrat 1 hinein.

Fig. 2: Zur Unterbindung von Kanalausbildungen unter den Grä ben (w₁, w₂) wird ein p⁺-Bereich 11 (sogenannter channel stop per) implantiert, vorzugsweise durch ein dünnes Streuoxid (nicht dargestellt), um eine Grabenwanddotierung zu blocken. Das Streu oxid wird mit der Ätzmaske 6 entfernt, wobei die Nitridschicht 5 als Ätzstop dient. Dann werden die Grabenwände w ₁ und w ₂ mit Hilfe eines dünnen zweiten thermisch gewachsenen Siliziumoxids 7 (50 nm) passiviert, bevor eine dritte Siliziumoxidschicht 8 der Dicke d ₁ = w ₁ /2 die Isolationsgräben w ₁ vollständig auf füllt. Nach diesem Auffüllen (8) entsteht in den Substratgräben w ₂ ein Spalt der Breite w ₂-w ₁, der zunächst unausgefüllt bleibt.

Fig. 3: Beim nachfolgenden Rückätzen der Siliziumoxidschicht 8 in einem anisotropen Ätzprozeß wird der Boden der Substratgrä ben im Bereich des Spaltes w ₂-w ₁ automatisch geöffnet. Da nicht nur die Siliziumoxidschicht 8, sondern auch die darunter liegende Siliziumoxidschicht 7 vom Grabenboden im Spaltbereich w ₂-w ₁ entfernt werden muß, wird die Rückätzung entsprechend überzogen. Anschließend wird die Nitridschicht 5 entfernt.

Fig. 4: Unter Zuhilfenahme einer Photolacktechnik wird nun der Kollektoranschluß durch die Oxidschicht 4 implantiert und an schließend eingetrieben (in der Figur nicht dargestellt).

Jetzt erfolgt die Auffüllung der Substratgräben (w ₂-w ₁) mit bor-dotiertem Polysilizium 8 der Dicke d ₂ = (w₂-w₁)/2. Nach dem Rücksätzen der Polysiliziumschicht 9 wird eine Metallsili zid- oder Polysiliziumschicht 10, die mit Bor dotiert ist und als Substratkontakanschluß 12 dient, aufgebracht.

Diese Schicht 10 kann, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, gleich zeitig zur Erzeugung der inaktiven Basis (Basiskontaktanschluß 13) dienen, falls vor der Abscheidung der Schicht 10 mittels Photoätzen das Passivierungsoxid 4 an den entsprechenden Stel len entfernt wird. Nach der Strukturierung der Schicht 10 (sie he Fig. 4) kann der Prozeß nach bekannten Verfahren zur Er zeugung eines selbstjustierten Emitter/Basis-Komplexes fortge setzt werden. Ein solcher Prozeß wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 01 42 632 beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Substratkontaktierung bei der Herstellung von durch Isolationsgräben getrennten Bipolartransitoren enthalten den integrierten Schaltungen, bei dem die Kontaktierung über in die Transistorstruktur eingebrachte, bis ins Substrat sich er streckende Gräben erfolgt, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) die für die Kontaktierung vorgesehenen Substratgräben (w ₂) gleichzeitig mit den Isolationsgräben (w ₁) erzeugt werden, wobei bei gleicher Tiefe im Substrat (1) die Weite w ₂ der Substratgräben größer als die doppelte Weite w ₁ der Isola tionsgräben eingestellt wird,
b) die Abscheidung der Isolationsschicht (8) beim Auffüllen der Gräben (w ₁, w ₂) so geführt wird, daß die Schichtdicke d ₁ der halben Isolationsgrabenweite w ₁ entspricht, so daß im Sub stratgraben (w ₂) ein Spalt der Weite w ₂-w ₁ frei bleibt,
c) die horizontal abgeschiedenen Isolationsschichten (7, 8) durch einen anisotropen Ätzprozeß entfernt werden und
d) anschließend der Spalt w ₂-w ₁ im Substratgraben (w ₂) mit dem zur Kontaktierung vorgesehenen Material (9) aufgefüllt wird.

2. Verfahren zum Herstellen eines Substratkontaktes (12) eines vertikal aufgebauten Bipolartransistors vom npn-Typ, wobei die n-Bereiche (3) den Kollektor des Transistors bilden und vergra bene n⁺-dotierte Zonen (2) bedecken, die durch tiefreichende Kollektoranschlüsse angeschlossen werden, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Ablauf der fol genden Verfahrensschritte:

a) Herstellen der vergrabenen n⁺-dotierten Kollektorschicht (2) im p-dotierten Substrat (1),
b) Abscheiden einer n-dotierten Epitaxieschicht (3),
c) Erzeugen einer ersten thermischen Siliziumoxidschicht (4) sowie einer Nitridschicht (5),
d) Aufbringen einer als Ätzmaske bei der Grabenätzung dienenden Schicht (6), wobei die Bedingung Grabenweite w ₂ des Substrat grabens größer als die doppelte Grabenweite w ₁ des Isolations grabens erfüllt wird, und Einbringen der Isolations- und Sub stratgräben (w ₁, w ₂) bis zu einer Tiefe, daß die n-dotierte Epitaxieschicht (3) und die vergrabene n⁺-dotierte Kollektor schicht (2) durchtrennt sind und die Grabenböden im p-dotier ten Substrat (1) liegen,
e) Entfernung der Ätzmaske (6),
f) Passivierung der Grabenwände (w ₁, w ₂) mit einer zweiten thermischen Siliziumoxidschicht (7),
g) Abscheidung einer dritten Siliziumoxidschicht (8) der Dicke d ₁ = w ₁ /2,
h) Rückätzen der dritten Siliziumoxidschicht (8) und der zwei ten Siliziumoxidschicht (7) im Spalt (w ₂-w ₁) mittels eines anisotropen Ätzprozesses bis der Boden des Substratgrabens freigelegt ist,
i) Entfernen der Nitridschicht 6,
j) Herstellung des Kollektoranschlusses durch Ionenimplantation unter Verwendung einer Photolackmaske und Eindiffusion der implantierten Ionen,
k) Auffüllen des Substratgrabens (w ₂-w ₁) mit einer p-dotier ten Polysiliziumschicht (9) mit der Dicke d ₂ = (w ₂-w ₁)/2,
l) Freiätzen der Substratoberfläche von der p-dotierten Polysi liziumschicht (9) und Anbringen des Substratkontaktanschlus ses (12) aus p-dotiertem Polysilizium oder Silizid.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß gleichzeitig mit der Anbringung des Sub stratkontaktanschlusses (12) nach Entfernung der ersten ther mischen Siliziumoxidschicht (4) an den betreffenden Stellen, die zur Erzeugung der inaktiven Basiszone des Transistors vor gesehene dotierte Polysilizium- oder Silizidschicht (13) auf gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Unterbindung von Kanalaus bildungen (channel stopper) unter den eingeätzten Gräben (w ₁, w ₂) im Grabenboden nach Verfahrensschritt d) eine p⁺-dotierte Zone (11) implantiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß vor der Ionenimplantation eine als Streuoxid wirkende Schicht aufgebracht wird, die mit der Ätz maske (6) nach Verfahrensschritt e) wieder entfernt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzmaske (6) nach Ver fahrensschritt d) eine durch thermische Zersetzung von Tetra ethylorthosilikat erzeugte Siliziumoxidschicht (TEOS) verwendet wird.