-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
integrierten Halbleiterschaltungen. Im einzelnen wird ein
Kanalstop an den durch Gräben festgelegten äußeren Bereichen des
isolierten Körpers hergestellt, um Ladungsverluste zwischen zwei
eng benachbarten und ähnlich dotierten Bereichen des Körpers zu
verhindern.
-
Bei der Technologie zur Herstellung von monolithischen
integrierten Schaltungen ist es normalerweise nötig, verschiedene
aktive und/oder passive Elemente in der integrierten
Schaltungsstruktur voneinander zu isolieren. Neuere Entwicklungen in
dieser Technologie bevorzugen eine bestimmte dielektrische
Isolierung, bei der ein Muster von mit Dielektrikum gefüllten
Gräben, die sich von einer Oberfläche der integrierten Schaltung
bis in deren Inneres erstrecken, zur Isolierung der Elemente
benutzt wird. Das Verfahren zur Herstellung dieser Art von
dielektrischer Isolierung beinhaltet die Ausbildung eines Musters
(normalerweise in Form eines Netzes) von tiefen Gräben in einem
Halbleiterwafer aus monolithischem Silizium. Eine isolierende
Schicht aus Siliziumdioxid (typischerweise ungefähr 0,15 um
dick) und Siliziumnitrid (typischerweise ungefähr 0,08 um dick)
wird dann auf den ebenen Oberflächen der Gräben gebildet. Die
Oxidbeschichtung wird zur Passivierung aller pn-Übergänge
benutzt, welche die Grabenseitenwand unterbrechen, und die
Nitridschicht dient als Barriere für bewegliche Ionen, welche in
isolierenden Schichten vorhanden sind, die bei der Verdrahtung von
Chips benutzt werden. Ein organisches Material wie ein Polyimid
oder ein anorganisches Material wie Polysilizium oder
Siliziumdioxid wird dann zur vollständigen Füllung der Gräben verwendet.
Die übrigen Teile des monokristallinen Siliziumwafers werden nun
durch das Netz aus dielektrischem Material voneinander isoliert.
Halbleiterbauelemente und -schaltungen können nun in den
isolierten
monokristallinen Siliziumgebieten ausgebildet werden.
-
Eine repräsentative Halbleiterstruktur, zusammengesetzt aus
einem komplementären vertikalen npn- und lateralen pnp-Transistor
(lpnp), welche in dem durch den Graben isolierten Siliziumgebiet
ausgebildet sind, wird in den Fig. 1-3 veranschaulicht, wobei
Fig. 1 die Draufsicht und die beiden anderen Figuren
Querschnittansichten zeigen. In den Fig. 1-3 bezeichnet 10 den
als Ausgangsbasis benutzten Wafer aus p-Silizium mit einem n
+dotierten Subkollektorgebiet 12 und einer n-leitenden
Epitaxieschicht 14. Ein Graben 16 mit einer Beschichtung aus Oxid 18 und
Nitrid 20, welcher vollständig mit einem Dielektrikum 21 wie
z. B. Polyimid gefüllt ist, umreißt ein zentrales hervortretendes
Stück oder eine Mesa aus Silizium 22. Die Epitaxieschicht 14,
die der Mesa 22 entspricht, welche mit der Nummer 24 bezeichnet
ist, bildet sowohl den Kollektor des npn- als auch die Basis des
lpnp-Transistors. Ebenso bildet der p-dotierte Bereich 26 die
Basis des npn- und den Kollektor des lpnp-Bauelements. Die
ndotierten und p-dotierten Bereiche 28 und 30 bilden jeweils die
Emitter des npn- und lpnp-Transistors.
-
Der weiterhin in den Fig. 1-3 bezeichnete n-leitende Bereich
24, welcher den Emitter 30 des lpnp- und die Basis 26 des npn-
Transistors durch einen schmalen (typischerweise ungefähr
1,0 um) Abstand W trennt, ist typischerweise mit einer niedrigen
Dotierung von ungefähr 10¹&sup6; Atome/cm³ versehen (ungefähr zwei
Größenordnungen niedriger als die Dotierung der p-Bereiche 26 und
30), um eine hohe Leistungsfähigkeit des komplementären
Bauelements sicherzustellen. Wegen dieser hohen Dotierung und des
geringen Abstands W neigen die den Grabenwänden des Grabens 16
benachbarten Bereiche 32 und 34 des n-Gebiets 24 zu Inversion, da
die Grabenfüllung aus Polyimid und die Grabenbeschichtung neben
den Bereichen 32 und 34 jeweils als Gateelektrode und
Gateisolatorschicht eines parasitären Feldeffekttransistors (FET)
wirken. Die zur Einschaltung des parasitären FET's nötige
Gatespannung wird unveränderlich durch das Polyimid 21 aufrechterhalten.
Inversion der Bereiche 32 und 34 führt zu Ladungsfluß zwischen
dem Emitter 30 und Kollektor 26 des lpnp-Transistors.
-
Inversion ist im allgemeinen am wahrscheinlichsten in den oberen
Eckbereichen 32 und 34 der Silizium-Mesa 22, weil, wie in den
Fig. 2 und 3 gezeigt, die Beschichtung aus Oxid und Nitrid
unweigerlich an den oberen Eckbereichen des Grabens, wegen der
bei scharfen Kanten auftretenden Geometrieeffekte, dünner wird.
Insbesondere wird die Grabenbeschichtung im Kantenbereich um 50%
reduziert, verglichen mit dem Rest der Grabenoberfläche, da auf
der Mesa 22 während des Bildungsschritts der Grabenoxidschicht
18 eine Siliziumnitridschicht vorhanden ist.
-
Ladungsverlust zwischen den hoch dotierten und eng benachbarten
p-Bereichen 26 und 30 durch eine der äußeren Kanten des
dazwischenliegenden schwach dotierten n-Bereichs 24 erfolgt auch
wegen der inhärenten Gegenwart von Ladungen in der
Oxid-Nitridbeschichtung und der Grabenfüllung aus Polyimid. Genauer gesagt
enthält die Grabenbeschichtung, speziell das darin enthaltene
thermische Oxid 18, charakteristischerweise bewegliche Ionen wie
z. B. die des Natriums. Genauso enthält das Polyimid negative
Ladungen in Form von freien Hydroxylionen. Als Ergebnis dieser
verschiedenen frei beweglichen Ladungen wird eine genügend hohe
Ladung aufgebaut, um den oben genannten Verlust zu bewirken.
Obwohl das Problem des Ladungsverlustes im Zusammenhang mit
einem komplementären bipolaren Bauelement, welches in einer durch
Gräben festgelegten Silizium-Mesa ausgebildet ist, diskutiert
wurde, ist es nicht darauf beschränkt. Eine andere Situation,
bei der die Halbleiterfertigung auch mit diesem Problem
konfrontiert wird, ist die, wenn die p-Gebiete 26 (ohne die
eingebetteten n-Bereiche 28 und 30 (Fig. 1-2)) Widerstandsstreifen
sind. Das gilt ebenso, wenn die p-Gebiete 26 (Gebiet 28 nicht
vorhanden) und 30 die Source und Drain eines FET mit dem
dazwischenliegenden n-Bereich als Gate-Bereich sind. Das
Ladungsverlustproblem tritt mit anderen Worten immer dann auf, wenn ein
schwach dotierter schmaler Bereich eines Leitungstyps zwei hoch
dotierte Bereiche des entgegengesetzten Leitungstyps trennt,
solange die verschiedenen Bereiche in einer durch Gräben
isolierten Silizium-Mesa ausgebildet sind.
-
Ein Weg zur Überwindung des obigen Ladungsverlustproblems ist
es, dafür zu sorgen, daß die Grabenschicht frei von beweglichen
Ionen ist, und die Erhöhung der Dicke der Schicht. Jedoch ist
die Bildung von (Oxid-) Grabenbeschichtungen, welche frei von
beweglichen Ionen sind, extrem schwierig, wenn nicht gar
unmöglich. Ganz sicher werden die Herstellungskosten merklich erhöht.
Auch bedeutet die Erhöhung der Dicke der Schicht zur
Verhinderung der Funktion der parasitären FET's eine Verminderung der
Chipfläche, da das Oxid unter Verbrauch des Siliziums gebildet
wird und dadurch die Bauelementdichte auf dem Wafer vermindert
wird.
-
Eine weitere Alternative ist die Herstellung einer n+
-Durchgreifdiffussion in den Bereichen 32 und 34 bis in die
Subkollektorschicht 12, um Verluste zwischen den p-dotierten Bereichen 26
und 30 zu verhindern. Diese Lösung hat jedoch eine Anzahl von
Nachteilen. Da an jeder Kante der Silizium-Mesa 22 mindestens
1,5 um Platz für die Durchgreifdiffussion benötigt wird, muß die
Mesa mindestens 3 um breiter gemacht werden. Dies bewirkt eine
Reduzierung der Bauelementdichte auf dem Wafer. Speziell bei der
Herstellung von komplementären Bipolarbauelementen bewirkt der
oben als notwendig hergeleitete Anstieg der Mesagröße eine
Vergrößerung des lnpn-Bauelements, welche in einem Anstieg der
Verzögerung durch die integrierte Schaltung auf Grund der
vergrößerten Kollektor-Basis-Kapazität resultiert. Die Bildung von
Durchgriffen führt, zusätzlich zu den Grundbedingungen, zu
Ausrichtungsproblemen zweiter und dritter Ordnung, welche zu
Verlusten zwischen dem npn-Emitter und dem n+-Durchgriffkanalstop
führen können.
-
Eine weitere Lösung für das p-zu-p Verlustproblem ist die
Erhöhung der Konzentration des n-Dotierstoffs in der
Epitaxial-Siliziumschicht 24. Jedoch wird dabei nicht nur der
Verstärkungsfaktor des lnpn-Transistors vermindert, sondern es wird auch seine
Kollektor-Basis-Kapazität erhöht, wodurch das lpnp-Bauelement
verlangsamt wird.
-
Verfahren zur Bildung von Gräben mit Kanalstops zur Verhinderung
von Inversionseffekten werden in den US-Patentschriften A-396-
1356 und A-4140558 dargelegt. Deshalb ist es eine Aufgabe der
Erfindung, diese und andere Probleme durch eine Verfahren zur
Bildung einer richtungsweisenden und einfachen Struktur zu
lösen,
welche Ladungsverluste zwischen zwei eng benachbarten, hoch
und ähnlich dotierten (z. B. beide p oder n) und durch Gräben
festgelegten Siliziumbereichen, über die durch Gräben
festgelegten Ränder eines niedrig dotierten (n oder p)
dazwischenliegenden Bereiches verhindert. Diese Aufgabe wird bei der Erfindung
durch die Ansprüche 1 und 2 erreicht.
-
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verfahrens zur Bildung einer Struktur, welche keine
wertvolle Chipfläche verbraucht.
-
Die Erfindung stellt eine Verfahren zur Bildung einer
selbstalignierten Kanalstop-Struktur bereit.
-
Gemäß des Verfahrens der Erfindung zur Bildung eines
selbstalignierten Kanalstops beginnt das Verfahren mit einem
monokristallinen Siliziumsubstrat mit einer ersten Leitfähigkeit, bedeckt
mit einer isolierenden Schicht. In der isolierenden Schicht wird
eine Öffnung zum kontrollierten Exponieren der
Siliziumoberfläche ausgebildet, in Übereinstimmung mit der gewünschten Gestalt
des Bereichs der isolierenden Gräben (oder der Silizium-Mesa).
Danach wird eine Blockierungsmaske hergestellt, die in
Übereinstimmung mit dem Teilstück des äußeren Bereichs der entstehenden
Mesa eine Öffnung, in der ein Kanalstop auszubilden ist,
aufweist. Nun wird Dotierstoff mit einer ersten Leitfähigkeit in
das durch die Kombination der Öffnungen in Blockierungsmaske und
Isolatorschicht exponierte Silizium eingebracht, z. B. durch
Ionenimplantation, wodurch darin eine hohe Konzentration des
Dotierstoffes erreicht wird. Danach wird der Dotierstoff durch
thermisches Glühen seitlich in den Siliziumkörper
eindiffundiert. Das exponierte Silizium wird anisotrop geätzt, um einen
tiefen Graben zu bilden, der eine Silizium-Mesa umreißt, die an
der oberen Kante einen schmalen und flachen, dotierten Bereich
aufweist. Dieser dotierte Bereich wirkt als Kanalstop zwischen
einem Paar hoch dotierter Bereiche mit einer zweiten
Leitfähigkeit, die nachfolgend in einer Seite der Silizium-Mesa
ausgebildet werden. Die Realisierung der Erfindung wird nun mit Hilfe
der begleitenden Bilder beschrieben, wobei:
-
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine durch Gräben isolierte Silizium-
Mesa nach dem Stand der Technik ist, die ein komplementäres
Transistorpaar aus einem vertikalen npn- und einem lateralen
pnp-Transistor enthält;
-
Fig. 2 und 3 sind Querschnittdarstellungen der Struktur von
Fig. 1 entlang der eingezeichneten Linien;
-
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine Silizium-Mesa, die
verschiedene, mit Kanalstops ausgestattete integrierte Bauelemente
enthält.
-
Fig. 5 ist eine Querschnittdarstellung einer anderen
strukturellen Verwirklichung der Erfindung, die die Ausbildung eines
Kanalstops zwischen zwei mit vertikalem Zwischenraum angeordneten
Bereichen von durch Gräben isolierter Halbleiter-Mesa zeigt;
und
-
die Fig. 6-10 stellen ein Flußdiagramm aus
aufeinanderfolgenden Querschnittdarstellungen des Herstellungsprozesses von
Kanalstops an ausgewählten äußeren Orten der Mesa dar, gemäß
dieser Erfindung.
-
In Fig. 4 wird eine integrierte Halbleiterschaltungsstruktur
gezeigt, die mit selbstalignierten Kanalstops ausgestattet ist.
Die Herstellung der Struktur erfolgt ausgehend von einem
monokristallinen Siliziumsubstrat mit einer n-leitenden
Epitaxieschicht 14 auf der Oberfläche. Zur Verdeutlichung der
Darstellung wird das Substrat aufgeteilt in zwei Abschnitte 36 und 38
dargestellt und auch zur Betonung, daß verschiedenste
Halbleiterbauelemente auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden
können. Wie später noch genauer erläutert werden wird, enthält
Abschnitt 36 ein nebeneinander angeordnetes Paar von
Widerständen. Abschnitt 38 enthält ein hochwirksames und schnelles
Paar komplementärer Transistoren, bestehend aus einem vertikalen
npn- und einem lateralen pnp-Transistor. Die in Fig. 4 gezeigte
komplementäre Transistorstruktur ist in jeder Hinsicht ähnlich
der in Fig. 1 dargestellten, außer, daß diese Struktur noch
zusätzlich selbstalignierte Kanalstops enthält. Um diese
Gemeinsamkeiten der Struktur zu betonen, wurden in den Fig. 1 und 4
zur Bezeichnung von gleichen Strukturmerkmalen gleiche Nummern
verwendet.
-
Bezogen auf das in dem Halbleiterabschnitt 38 von Fig. 4
enthaltene komplementäre Transistorpaar wird der Ladungsverlust
zwischen dem hoch dotierten lpnp-Emitter 30 und dem entsprechend
hoch dotierten lpnp-Kollektor (oder der npn-Basis) 26 über die
oberen Eckgebiete 32 und 34 (Fig. 1) der schwach n-dotierten
Silizium-Mesa 22 (genauer, der durch Gräben definierten äußeren
Kantenabschnitte der lpnp-Basis (oder des npn-Kollektors)) durch
den Einbau von n+-dotierten Kanalstops 40 und 42 verhindert. Die
Kanalstops 40 und 42 sind selbstaligniert auf die Grabenränder
und die p-dotierten Bereiche 26 und 30 und sind genauso lang wie
der seitliche Abstand W zwischen den dotierten Bereichen 26 und
30 und erstrecken sich bis in eine ausreichende Tiefe
(typischerweise 0,5 bis 1,0 um) in die Siliziumepitaxieschicht 14/24,
um effektiv Ladungsverluste durch die
Grabenseitenwandabschnitte, welche an die beiden p-dotierten Bereiche 26 und 30
angrenzen, zu verhindern. Die Dicke der Kanalstops ist sehr gering,
typischerweise im Bereich von 0,1 bis 0,4 um. Deshalb ist der
durch die Kanalstops belegte Siliziumbereich extrem klein. Um
wirkungsvoll die Inversion aufgrund der Funktion der parasitären
FET's zu verhindern, liegt die Konzentration des Dotierstoffs in
den n+-Kanalstops 40 und 42 typischerweise ein oder zwei
Größenordnungen über der der Epitaxieschicht 14/24, in welche die
Kanalstops eingebettet sind. Das genaue Konzentrationsniveau des
Dotierstoffs wird durch die in der integrierten Schaltung
vorhandenen Schwellenspannungen festgelegt, welche zum den
Ladungsverlust beschleunigenden Einschalten der parasitären FET's
führen. Bei der 5-Volt-Technologie zum Beispiel ist die
Dotierstoffkonzentration in der Epitaxieschicht 14/24 typischerweise
2*10¹&sup6; Atome/cm³, in den p-dotierten Bereichen 26/30 sind es
ungefähr 5*10¹&sup8; Atome/cm³ und in den n+-Kanalstops 40/42 sind es
ungefähr 5*10¹&sup7;-1*10¹&sup8; Atome/cm³. Die in Fig. 4 dargestellte Struktur
enthält auch die n+-Gebiete 40' und 42', welche Spiegelbilder
der entsprechenden Kanalstops 40 und 42 sind. Diese Gebiete, die
für das in der Silizium-Mesa 22 liegende Bauelement von keinem
Nutzen sind, können für Bauelemente, die im Gebiet außerhalb des
mit Dielektrikum gefüllten Grabens 16 gebildet werden, dieselbe
Funktion wie die Kanalstops 40 und 42 übernehmen.
-
Die Vorteile dieses komplementären Bauelements als Ergebnis des
Einbaus von Kanalstops sind unter anderem verringerte parasitäre
Bauelementkapazitäten und verringerte Bauelementabmessungen
wegen des Weglassens von bei der bisherigen Technik erforderlichen
tiefen und breiten Durchgriffbereichen. Wegen der verringerten
Bauelementabmessungen wird die Bauelementdichte auf dem Chip
erhöht.
-
Wenden wir uns nun der im Halbleiterabschnitt 36 von Fig 4
enthaltenen Struktur zu. Die durch Gräben isolierte Silizium-Mesa
22 in dieser Struktur enthält ein Paar nahe
nebeneinanderliegende Widerstände 44 und 46. Die Widerstände 44 und 46 sind in die
n-leitende Epitaxialsiliziumschicht 24 eingebettet und sind
seitlich durch einen Abstand W' getrennt. Die Widerstände sind vom
p-leitenden Typ und haben im allgemeinen eine im Vergleich zur
Epitaxialschicht 24 hohe Dotierstoffkonzentration. Um
Ladungsverluste zwischen den Widerständen 44 und 46 über die oberen
Eckbereiche des sie trennenden epitaktischen Materials zu
verhindern, werden gemäß der Erfindung Kanalstops 48 und 50, wie in
Fig. 4 eingezeichnet, eingebaut. Die Kanalstops 48 und 50 sind
vom n+-leitenden Typ und haben physikalische und elektrische
Charakteristiken, die in vielen Aspekten ähnlich denen der
weiter oben besprochenen Kanalstops 40 und 42 sind. Die mit
Kanalstops versehenen Widerstandsstrukturen sind wegen der
Verringerung der dazwischenliegenden parasitären Kapazität von höherer
Qualität. Dieses Widerstandspaar ermöglicht auch den Vorteil
erhöhter Bauelementdichte auf dem Chip, da die Kanalstops nur
eine extrem kleine Fläche auf dem Chip benötigen.
-
In Fig. 5 wird der Einbau von vertikalen Kanalstops zwischen
zwei vertikal getrennten, hoch dotierten, durch Gräben
umrissenen Silizium-Mesagebiete gleicher Leitfähigkeit dargestellt. In
Fig. 5 besteht die Struktur aus einem monokristallinen
p-Siliziumsubstrat 60, das tiefe Gräben 62 enthält, die mit einem aus
Oxid 64 und Nitrid 66 zusammengesetzten Isolator ausgekleidet
und mit dem Dielektrikum 68, z. B. Polyimid gefüllt sind. Die
Gräben trennen Silizium-Mesas 70 voneinander. In der hier
beschriebenen Ausführung besitzt jedes der Mesagebiete 70 eine
hoch dotierte n+-Schicht 72, tief im Mesakörper, direkt unter
der n-leitenden Epitaxieschicht 73. Oberhalb der Schicht 73
befindet sich ein schwach dotiertes p-Gebiet 74. Über dem p-Gebiet
74 ist ein hoch dotiertes n+-Gebiet 76 ausgebildet. Ein
gemeinsames Merkmal der dotierten Gebiete 72-76 ist, daß jedes sich
über die gesamte horizontale Ausdehnung der Silizium-Mesa 70
erstreckt. Mit anderen Worten stoßen die dotierten Gebiete 72-76
an die Grabenwände.
-
In einem ausgewählten Beispiel sind die Gebiete 72, 73, 74 und
75 jeweils Subkollektor, Kollektor, Basis und Emitter eines
vertikalen npn-Transistors, wobei der Emitter an den Graben stößt.
Da die p-Dotierung im Gebiet 74 typischerweise mit Bor
durchgeführt wird und diese Atome sich wegen ihres hohen
Absonderungskoeffizienten während der thermischen Oxidation des Grabens in
die Grabenoxidauskleidung abreichern, wird die
p-Dotierstoffkonzentration im Gebiet 74 entlang der an den Gräben anliegenden
Kanten erniedrigt. Dies führt zu Ladungsverlusten zwischen den
n+-dotierten Gebieten 72 und 76 durch die Bildung eines
parasitären FET-Kanals in den verarmten, an den Gräben anliegenden
Kanten des Gebiets 74. In dem obigen Beispiel bedeutet dies
einen Verlust zwischen npn-Emitter 76 und Subkollektor 72 über die
an dem Graben anliegenden Kanten der Basis 74 und des Kollektors
73.
-
Um den obengenannten Verlust zwischen den vertikal getrennten
ndotierten Gebieten 72 und 76 zu verhindern, werden gemäß der
Erfindung selbstalignierte p+-Kanalstops 78 und 80 eingebaut. Die
Kanalstops 78 und 80 sind hoch dotiert (eine bis zwei
Größenordnungen höher in der Dotierstoffkonzentration, als die der
Gebiete 74), von extrem schmalen Abmessungen (0,1-0,4 um) und
vollständig in die Gebiete 73 und 74 eingebettet, damit sie an den
Grabenseitenwänden anliegen. Die vertikale Ausdehnung der
Kanalstops 78 und 80 ist gleich der zusammengesetzten Tiefe von
Kollektor 73 und Basis 74 an der Grabenseitenwand, und die
Ausdehnung in der dritten Dimension wird durch die Ausdehnung der
Gebiete 73 und 76 bestimmt, wobei dabei ein Zusammenhang besteht.
-
In den Fig. 6-10 wird der Herstellungsprozeß der
selbstalignierten Kanalstops, gemäß vorliegender Erfindung, im einzelnen
erklärt. Der Halbleiterwafer oder das Substrat 82 wird bevorzugt
aus monokristallinem Siliziummaterial hergestellt und kann zum
Beispiel p-monokristallines Siliziummaterial sein. Im p-Substrat
82 ist ein n+-Subkollektorgebiet 84 enthalten. Eine n-leitende
Schicht 86 wird dann darauf epitaktisch aufgebaut. Diese
Prozesse sind Standardprozesse bei der Herstellung von zum Beispiel
vertikalen, bipolaren npn-Transistoren oder von vertikalen npn-
und lpnp-Transistorpaaren. Das Substrat besteht normalerweise
aus kristallinem Silizium mit der Kristallorientierung < 100> ,
mit einem Widerstand in der Größenordnung von 10-20 Ohm/cm. Das
Subkollektordiffusionsgebiet 84 wird normalerweise mit Arsen
hergestellt, mit einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 10²&sup0;
Atomen/cm³ . Der epitaktische Wachstumsprozeß zur Herstellung der
Schicht 86 kann durch konventionelle Techniken durchgeführt
werden, wie zum Beispiel mit einer Mischung Siliziumtetrachlorid/-
Wasserstoff oder Silan/Wasserstoff bei Temperaturen im Bereich
von 1000-1200ºC. Während des epitaktischen Wachstums wandert der
Dotierstoff aus der n+-Schicht 84 in die epitaktische Schicht,
um die Herstellung der Subkollektorschicht 84 zu vollenden. Die
Dicke der Epitaxieschicht 86 für integrierte Schaltungen hoher
Dichte liegt in der Größenordnung von 1-3 um.
-
In der obigen Beschreibung wurde für das Beispiel ein
p-leitendes Substrat genommen. Die Substratart ist aber nicht der
entscheidende Gegenstand der Erfindung. Die Substratart kann zu
nleitend geändert werden und die auf dem Substrat hergestellten
Schichten können von beliebiger Art sein. Die hier angegebenen
Dicken der Schichten können nach Wunsch entsprechend dem
Chipentwurf geändert werden. Weiterhin ist klarzustellen, daß die
Materialwahl nicht auf Silizium beschränkt ist. Der Prozeß kann
auf jede Art von Halbleitersubstrat zur Herstellung von
Isolationsgebieten zwischen den in ihm gebildeten Bauelementen
angewendet werden.
-
Die nächste Folge von Prozeßschritten beinhaltet die Bildung
einer Grabenmaske zur Festlegung von Gräben im Siliziummaterial,
die einen Siliziumabschnitt dielektrisch vom anderen isolieren.
Kurzgefaßt beinhaltet die Bildung der Grabenmaske thermische
Oxidation der Epitaxieoberfläche 86 in einer Sauerstoffumgebung
mit oder ohne einer Wasserdampfatmosphäre bei einer Temperatur
von ungefähr 1000ºC, bis zu einer Dicke des Siliziumdioxids 88
von ungefähr 0,2 um. Siliziumnitrid 90 mit einer Dicke von
ungefähr 0,15 im wird durch chemische Abscheidung aus der Gasphase
(CVD) über dem Oxid 88 abgeschieden. Als nächstes wird eine
anorganische Barrierenschicht 94, wie zum Beispiel SiOx, mit einer
Dicke im Bereich von 0,6-0,7 um aus einem CVD-Plasma
abgeschieden. Auf diesen Schritt folgt die Ablagerung eines
gewöhnlich Photowiderstandes durch Aufspritzen bei gleichzeitigem
Drehen des Wafers. Dann wird in der Photowiderstandsschicht 96
entsprechend der Position 100 des im Silizium zu bildenden Grabens
ein Fenster hergestellt. Dies geschieht durch Bestrahlung des
Photowiderstandes mit ultraviolettem Licht durch eine Maske
hindurch (nicht dargestellt) und nachfolgender konventioneller
Entwicklung. In diesem Zusammenhang stellen wir fest, daß das
Fenster 98 den Ausschnitt der SiOx-Schicht 94 freilegt. Der
freigelegte Ausschnitt der SiOx-Schicht 98 wird nun durch reaktives
Ionenätzen (RIÄ) mit CF&sub4; geätzt, um eine Öffnung 102 in
Zusammenhang mit Öffnung 98 zu bilden. Das RIÄ wird nun fortgesetzt, um
nacheinander die freigelegten Ausschnitte des Nitrids 90 und des
Oxids 88 wegzuätzen und dadurch den Ausschnitt des Siliziums 86
an der Position 100 freizulegen, an der der isolierende Graben
entstehen soll. Die verbleibende Photowiderstandsschicht 96 wird
danach entfernt, wodurch eine Grabenmaske, bestehend aus den
anorganischen Schichten 88-90-94 mit einem Muster von Öffnungen
darin, übrigbleibt.
-
Nach Herstellung der Grabenmaske wird als nächstes eine dicke
Blockierungsschicht 104 aus einem photoempfindlichen Material
mit einer Öffnung 106, wie in Fig. 7 gezeigt, gebildet. Als
Material für die Schicht 104 kann zum Beispiel gewöhnlicher
Photowiderstand genommen werden. Die typische Dicke der Maske 104
liegt im Bereich von 1-2 um. Die Öffnung 106 in der
Blockierungsmaske 104 ist so zugeschnitten, daß nur die Ausschnitte des
Siliziums (die Mesa wird durch die Bildung der Gräben
geschaffen), die in unmittelbarer Nachbarschaft des Ortes 100 liegen
und Inversion und Ladungsverlust ausgesetzt sind, freigelegt
werden. Eine Abmessung der Öffnung 106 ist identisch mit der
Länge L (welche der Breite des im Silizium zu bildenden Grabens
entspricht). Die zweite Abmessung der Öffnung 106 ist identisch
mit der Kanallänge des parasitären FET, der den Verlust
verursacht. Mit anderen Worten ist die zweite Abmessung der Öffnung
106 identisch mit der in Fig. 4 eingezeichneten Breite W oder
W'.
-
Nun wird, wie in Fig. 7 dargestellt, unter Verwendung der
Blockierungsschicht 104 als Implantationsmaske ein
Ionenimpiantationsschritt durchgeführt, um Dotierstoff mit derselben
Leitfähigkeit wie die der Epitaxieschicht 86, in den am Ort 100
befindlichen Siliziumausschnitt einzubringen. Dieser wurde als
Ergebnis der entsprechenden Öffnungen 102 und 106 in der
Grabenmaske und in der Blockierungsmaske freigelegt. Die
Ionenimplantation kann als Einzelschritt- oder Mehrschrittprozeß
durchgeführt werden, entsprechend der Tiefe, in der der Kanalstop
gewünscht wird.
-
Wenn der Kanalstop zum Beispiel im Oberflächenbereich der
Epitaxieschicht 86 angebracht werden soll, analog zu den Kanalstops
40/42 oder 48/50, dargestellt in den Strukturen der Fig. 4, wird
eine Einzelschritt-Ionenimplantation vorgezogen. In dem
speziellen Fall der Bildung von n-leitenden Kanalstops, die sich bis in
eine Tiefe von ungefähr 0,5 um in die Epitaxieschicht 86
ausdehnen soll, können Phosphorionen mit einer Energie von ungefähr
30-180 keV und einer Dosis von 3-5*10¹&sup4; Ionen/cm² verwendet
werden. In dem speziellen Fall der Bildung von p-leitenden
Kanalstops im Oberflächenbereich eines p-leitenden Siliziums, können
Borionen der Energie im Bereich von 25-40 keV und einer Dosis
von ungefähr 1-4*10¹&sup4; Ionen/cm² nötig sein.
-
Wenn jedoch andererseits der Kanalstop tief im Siliziumkörper
plaziert werden soll,, zum Beispiel analog zu den Kanalstops
78/78' und 80/80, dargestellt in der Struktur von Fig. 5, wird
ein mehrfacher Ionenimplantationsprozeß nötig. In diesem Fall
wird die Kanalbildung mit einer Vielzahl von
Ionenimplantationsschritten
durchgeführt, bei denen jeweils Ionen allgemein
gewünschter Leitungsart und einer festen Energie und Dosis
innerhalb eines festgelegten Bereichs verwendet werden. Um zum
Beispiel tiefe, n-leitende Kanalstops zu bilden, können
Phosphorionen einer festen Energie und Dosis im Bereich von 30 bis 200 keV
bzw. 1-8*10¹³ Ionen/cm² verwendet werden. Bei einem festgelegten
zweistufigen Ionenimplantationsprozeß zur Bildung von tief
eingebetteten n-leitenden Kanalstops können zu Beginn Phosphorionen
mit einer Energie von ungefähr 200 keV und einer Dosis von
1,5-2,5*10¹³ Ionen/cm², gefolgt von Phosphorionen mit einer
ungefähr halb so großen Energie und einer Dosis im selben Bereich
wie beim ersten Implantationsschritt verwendet werden.
-
Zum Abschluß des Ionenimplantationsprozesses wird, wie in Fig. 7
gezeigt, ein n-dotiertes Gebiet gebildet, in dem Silizium,
welches durch die Kombination der Öffnungen 106 und 102 freigelegt
ist. Danach wird die Blockierungsmaske 104 durch Abbrennen mit
Sauerstoffplasma entfernt. Der nächste Schritt im Prozeß ist das
Glühen des implantierten Siliziumgebiets, um die implantierten
Ionen seitlich in die Epitaxieschicht 86 zu diffundieren, wie in
Fig. 8 gezeigt. Das Glühen wird in einer Inertumgebung wie in
Argon oder Stickstoff bei einer Temperatur im Bereich von
800-1000ºC für eine Zeitdauer von 0,5 bis 1 Stunde durchgeführt.
Als ein Ergebnis dieses Glühvorgangs diffundiert der n-leitende
Dotierstoff seitlich bis zu einer Strecke im Bereich von
0,1-0,5 um, begleitet von einer unbedeutenden vertikalen
Abwärtsdiffusion. Dieser mit n-Dotierstoff diffundierte Bereich
ist in Fig. 8 mit der Nummer 110 bezeichnet.
-
Der nächste Prozeßschritt ist das Ätzen von Gräben in das durch
die Grabenmaske freigelegte Siliziummaterial. Ein Weg zur
Bildung der Gräben im Silizium ist das RIÄ mit einer Mischung aus
Kohlenstofftetrachlorid und Bortrichlorid. Viele gut bekannte
Ätztechniken können für die Grabenbildung angewendet werden, wie
in den US-Patentschriften mit den Nummern 4,104,086, erteilt an
J.A. Bondur und H.G. Pogge, 4,381,953 erteilt an Ho et al und
4,502,913, erteilt an J.A. Lechaton, S.D. Malaviya, D.J. Schepis
und G.R. Srinivasan, dargestellt ist. Diese Patente werden
hiermit durch Referenz hierin aufgenommen. Ein tiefer und schmaler,
durch den konventionellen Prozeß gebildeter, Graben 112 wird in
Fig. 9 dargestellt. Während des Grabenätzprozesses wird der Teil
des diffundierten Gebiets 110, welcher nicht durch die Öffnung
102 in der Grabenmaske 88-90-94 maskiert ist, entfernt, während
die Teile des Gebiets 110, die durch die Grabenmaske maskiert
sind, intakt bleiben. Diese verbliebenen Reste des in das Gebiet
110 diffundierten Dotierstoffs, die in Fig. 9 mit den Nummern
114 und 116 bezeichnet sind, stellen Kanalstops dar. Die
Kanalstops 114 und 116 sind nicht nur in Bezug auf die jeweiligen
Grabenseitenwände 118 und 120 selbstaligniert, sondern auch auf
die Silizium-Mesastrukturen, die durch die Umreißung durch das
Grabenmuster entstehen.
-
Der Prozeß ist an diesem Zeitpunkt substantiell vollständig, was
die Neuheit der vorliegenden Erfindung betrifft. Die übrigen
Prozeßschritte werden konventionell durchgeführt. Wie in Fig. 10
zu sehen ist, beinhaltet dies das Entfernen eines Teils oder der
ganzen Grabenmaske, die Bildung eines Überzugs der Wände und des
Bodens des Grabens aus Siliziumdioxid 122 und Siliziumnitrid 124
und das Füllen des Grabens 112 mit einem Dielektrikum 116, wie
z. B. Polyimid. Zusätzlich werden hoch und ähnlich dotierte
Gebiete, welche die Bestandteile von verschiedenen aktiven oder
passiven Bauelementen bilden, in der Epitaxieschicht 86 auf
jeder Seite von jedem der Kanalstops 114 und 116 gebildet, um
Bauelemente frei von Ladungsverlusten wegen der Wirkung von
parasitären Transistoren an den Grabenseitenwänden zu konstruieren.
Also wurde somit gemäß der Erfindung ein Prozeß entwickelt, der
die vorgegebenen Bedingungen und angegebenen Vorteile
vollständig erfüllt.
-
Während der Prozeß im Zusammenhang mit der gleichzeitigen
Ausbildung von Kanalstops symmetrisch an den periphären
Kantenabschnitten von in zwei benachbarten, durch einen Graben
getrennten Silizium-Mesas beschrieben wurde, kann er sofort so
verändert werden, daß ein einziger Kanalstop an einem gegebenen Ort
in einer einzigen Mesa gebildet werden kann. Diese Veränderung
bedingt das Zuschneiden der Blockierungsmaske 104 (Fig. 6 und
7) so, daß die Öffnung 106 darin sich nicht über das ganze
Gebiet 100 erstreckt, dieses aber durchschneidet. Auf diese Weise
wird nur der Teil des Gebiets, welcher durch die Grabenmaske
überdeckt ist, der Ionenimplantation ausgesetzt, während der
Rest davon durch die Blockierungsmaske maskiert bleibt. Der
nachfolgende Glühvorgang bewirkt eine seitliche Diffusion der
implantierten Ionen nur in den Teil der Schicht 86, welcher
durch die Grabenmaske überdeckt wird. Dabei wird ein Kanalstop
in einem einzigen Gebiet in nur einem einzigen Mesagebiet
erzeugt.