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DE2414033C3 - Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit selektiv auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordneten Schichten aus einem Oxid des Substratmaterials - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit selektiv auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordneten Schichten aus einem Oxid des Substratmaterials

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DE2414033C3
DE2414033C3 DE2414033A DE2414033A DE2414033C3 DE 2414033 C3 DE2414033 C3 DE 2414033C3 DE 2414033 A DE2414033 A DE 2414033A DE 2414033 A DE2414033 A DE 2414033A DE 2414033 C3 DE2414033 C3 DE 2414033C3
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DE
Germany
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oxide
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DE2414033A
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English (en)
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DE2414033A1 (de
DE2414033B2 (de
Inventor
Yoshihiko Hirose
Isao Inoue
Satoru Kawazu
Koichi Kijima
Kousi Nomura
Yoshihiko Watari
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority claimed from JP3706473A external-priority patent/JPS5648980B2/ja
Priority claimed from JP5531073A external-priority patent/JPS5652453B2/ja
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of DE2414033A1 publication Critical patent/DE2414033A1/de
Publication of DE2414033B2 publication Critical patent/DE2414033B2/de
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit selektiv auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordneten Schichten aus einem Oxid des Substratmaterials, bei dem auf ausgewählte Bereiche der Substratoberfläche Abschirmüberzüge zur Abschirmung von geladenen und beschleunigten Teilchen ausgebildet und die Substratoberfläche mit beschleunigten und geladenen Teilchen bestrahlt wird, um die geladenen Teilchen in die nicht durch die Abschirmüberzüge abgedeckten Bereiche der Substratoberfläche zu injizieren.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 21 03 468 bekannt.
Als Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen ist u. a. das sogenannte PLANOX- oder ISOPLA-NAR-Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird selektiv ein Überzug aus Siliziumnitrid (S13N4) auf eine Fläche eines Halbleitersubstrats aufgetragen, und das Substrat mit dem Überzug wird dann in oxidie/ender Atmosphäre bei hoher Temperatur oxidiert, um die Substratoberfläche selektiv in der Weise zu oxidieren, daß die mit dem Siliziumnitrid-Überzug versehenen Teile der Substratoberfläche nicht oxidiert werden, während die nicht mit dem Überzug versehenen Fiächenbereiche einer Oxidierung unterworfen werden. Beim Oxidationsvorgang kann jedoch das speziell verwendete Oxidationsmittel, wie Dampf oder Sauerstoff, seitlich in den unmittelbar unter dem Siliziumnitrid-Überzug an dessen Grenzfläche gelegenen Ab-
schnitt des Substrats hineindiffundieren und letzteres oxidieren. Hierbei nimmt das Volumen des oxidierten Abschnitts zu, so daß die Kante des genannten Oberzugs hochgedrückt wird, was zur Bildung eines Vorsprungs bzw. einer Erhebung auf der oxidierten Fläche führt. An diesem Vorsprung kann aber ein darüber aufgetragener Aluminium-Leitungszug brechen. Außerdem können an den unmittelbar mit der Siliziumnitriuschicht in Berührung stehenden Abschnitten der Substratoberfläche in Folge eines Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Siliziumnitrid und dem Halbleitermaterial des Substrats starke Gitterschäden und hohe Belastungen oder Beanspruchungen auftreten, was im Hinblick auf die geforderten Eigenschaften des gebildeten Halbleiterelements nachteilig und daher zu vermeiden ist
Zur Verminderung der genannten Gitterschäden und Beanspruchungen ist bereits vorgeschlagen worden, zunächst eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid auf eine Oberfläche eines z. B. aus Silizium zn bildenden Substrats aufzubringen und danach einen Siliziumnitridüberzug auf diese dünne Schicht aufzutragen. Bei diesem Verfahren kann aber das Oxidationsmittel, wie Dampf oder Sauerstoff, ebenfalls seitlich in den unmittelbar unter der Kante des Nitridüberzuges an dessen Grenzfläche befindlichen Abschnitt des Substrats hineindiffundieren und letzteres, ebenso wie beim vorher beschriebenen Verfahren, oxidieren. Anschließend werden der Nitridüberzug und die Dioxidschicht entfernt, bis die Oberfläche des Substrats selektiv freigelegt ist. Während dieser Abtragung der Siliziumdioxidschicht kann an dem Abschnitt des Substrats, tier anfänglich mit dem Nitridüberzug versehen worden ist, an der Grenzfläche eine Vertiefung oder Aushöhlung ausgebildet werden, da Silizium beim Ätzen mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure, wie sie üblicherweise für das Abtragen der Siliziumdioxidschicht verwendet wird, weniger stark angegriffen wird als das Siliziumdioxid. Ebenso wie der genannte Vorsprung kann auch diese Vertiefung oder Aushöhlung zu einem Bruch der später aufgetragenen Aluminium-Leitungszüge führen.
Außerdem kann das PLANOX- oder ISOPLANAR-Verfahren für die Herstellung von mit ultrahohen Frequenzen arbeitenden Halbleiterelementen angewandtwerden.
Zur Verbesserung ihrer Betriebseigenschaften bei ultrahohen Frequenzen sind derartige Halbleiterelemente mit einer kammförmigen oder gitterartigen Emitterkonstrukf'ion und mit Deckschicht- oder Overlayelektroden auf der Oxidschicht versehen. Bei einer Erhöhung der Betriebsfrequenz wird bei derartigen Elementen üblicherweise die Breite des Emitterstreifens und der Elektrode dafür verkleinert, während gleichzeitig auch der Abstand zwischen dem Emitterbcreich und den Basiselektroden verkleinert wird. Bei dem im Bereich von ultrahohen Frequenzen erforderlichen hohen Verstärkungsgrad bedeutet die zusätzliche Kapazität, die durch den Oxidfilm auf der Oberfläche des Halbleiterelements zwischen den einzelnen Emitter- und Basiselektroden sowie dem Kollektor gebildet wird, ^0 eine erhebliche Beeinträchtigung der Hochfrequenzparameter oder- eigenschaften infolge des Schichtaufbaus dieser Elektroden, und dies kann eine der hauptsächlichen Ursachen für eine Einschränkung der Eigenschaften des Halbleiterelements darstellen. Wenn die Dicke des auf der Substratoberfläche vorgesehenen Oxidfilms zur Herabsetzung der zusätzlichen Kapazität vergrößert wird, wird der Höhenunterschied zwischen dem Film und der Oberfläche ziemlich groß, was wiederum zu dem vorher beschriebenen Bruch der Aluminium-Leitungszüge führen kann. Außerdem nimmt dabei die Tiefe der Basis- und Emitterübergänge zu, während sich die seitliche Diffusion längs der Substratoberfläche ausbreitet Nach dem Auftragen der Elektroden auf das Substrat reagiert deren Metall auf dem Halbleitermaterial über eine Länge, die gleich groß oder größer ist als die Strecke der Querdiffusion, bis die Spannung, welcher die Elektroden zu widerstehen vermögen, verringert wird. Möglicherweise können auch die Obergänge oder Grenzschichten zusammenbrechen. Zudem besitzt der nach bekannten Verfahren hergestellte Diffusionsbereich mit wenigen Ausnahmen, z. B. mit Ausnahme des Diffusionsbereichs bei Mesa-Halbleiterelementen, eine durch die Diffusion hervorgerufene Krümmung. Ein im Diffusionsbereich entstehendes elektrisches Feld konzentriert sich dann auf den gekrümmten Diffusionsabschnitt und setzt die Spannung herab, welcher dieser Bereich zu widerstehen vermag. Außerdem beeinträchtigt bei Hochfrequenz-Transistoren der Abstand zwischen den Fenstern für die Elektroden in einem Siliziumdioxidfilm auf dem Emitter- und Basisbereich sehr stark die Eigenschaften des Transistors, und dieser Abstand wird verkleinert, je stärker sich die Arbeitsfrequenz in Richtung auf den ultrahohen Frequenzbereich verschiebt. Bei dem für die Ausbildung der Elektroden bisher angewandten Photolithographieverfahren müssen daher die Masken mit großer Genauigkeit registerhaltig sein, während für die Einstellung des Ätzens des Siliziumdioxidfilms großes technisches Geschick erforderlich ist. Mit den herkömmlichen Photolithographieverfahren ist es lediglich möglich, auf dem Siliziumdioxidfilm Muster mit Linien auszubilden, deren kleinste Breite im Bereich von etwa 1,0 bis 1,5 μ liegt. Da mit ultrahohen Frequenzen arbeitende Halbleitervorrichtungen einen schmäleren Emitterbereich besitzen, werden ihre Eigenschaften bei ultrahohen Frequenzen nicht nur durch eine durch die Bodenfläche des Diffusionsbereichs gebildete Kapazität, sondern auch durch eine zusätzliche, durch ihre Quer- oder Seitenfläche erzeugte Kapazität beeinträchtigt. Hieraus ergeben sich Einschränkungen bezüglich der Arbeitsweise von Halbleiterelementen im Bereich ultrahoher Frequenzen.
Damit auf einem einzigen Siliziumsubstrat angeordnete aktive und reaktive Elemente elektrisch gegeneinander isoliert sind, kann das PLANOX- oder ISOPLA-NAR-Verfahren angewandt werden, um auf dem Substrat zwischen den Elementen Siliziumdioxidbereiche auszubilden. Bei einer Wärmebehandlung zur Ausbildung dieser Siliziumdioxidbereiche kann die bereits im Substrat erreichte Verteilung der Verunreinigungen bzw. Störstellen oder Fremdatome verändert werden, wobei die Oxidation nicht nur in Richtung der Tiefe des Substrats, sondern auch in Querrichtung desselben fortschreitet. Dies führt zu ernstlichen Schwierigkeiten bezüglich der Konstruktion und Herstellung von integrierten Schaltkreisen und beeinträchtigt die Anordnung von aktiven und reaktiven Elementen in hoher Verteilungsdichte.
Aus der genannten DE-OS 21 03 468 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung unter Verwendung eines einkristallinen Halbleiterkörpers bekannt, in dem ein Transistor mit einer Emitter- und einer Kollektorzone vom einen Leitfähigkeitstyp und einer Basiszone vom anderen Leitfähigkeitstyp angebracht wird. Dieses bekannte Verfahren seht von dem
Gedanken aus, daß die Ionen-Implantation zur Bildung der Basiszone teilweise über die Oxidschicht und teilweise über die benachbarten Teile der Isolierschicht erfolgen kann. Wegen der stärkeren maskierenden Wirkung der Isolierschicht dringen die Ionen jedoch tiefer in den unmittelbar unterhalb der Oxidschicht Hegenden Teil des Halbleiterkörpers ein. Dies hat zur Foige, daß der unterhalb der Oxidschicht liegende Teil des Basis-Kollektor-Übergangs sich tiefer als benachbarte Teile des Basis-Kollektor-Übergangs in dem Körper erstreckt. Diese Schwierigkeit kann zwar dadurch beseitigt werden, daß vor der Ionenimplantation ein Teil der Isolierschicht oder die ganze isolierschicht und die Oxidschicht entfernt werden, was jedoch dann Schwierigkeiten in einer späteren Herstellungsstufe bereitet, bei der die Lage der zuvor angebrachten Emitterzone wieder bestimmt werden muß, während es dann weiter erforderlich ist, eine neue isolierende und passivierende Schicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers anzubringen. Um dies zu vermeiden, wird dieses bekannte Verfahren derart ausgeführt, daß der Halbleiterkörper mit einer nicht planaren Halbleiteroberfläche mit einer darauf angebrachten isolierenden und passivierenden Schicht versehen wird, welche Schicht eine öffnung aufweist, die einen plateauförmigen Teil der nicht planaren Halbleiteroberfläche enthält, und daß eine Verunreinigung vom erwähnten anderen Leitfähigkeitstyp durch Ionenimplantation über den erwähnten Plateauteil und Ober den benachbarten den Plateauteil umgebenden Teil der isolierenden und passivierenden Schicht in den Halbleiterkörper eingeführt wird, wodurch in dem Körper ein Basis-Kollektor-Übergang gebildet wird, von dem der unmittelbar unterhalb des erwähnten Plateauteiles liegende Teil nicht weiter von der Ebene durch den erwähnten Plateauteil entfernt ist als benachbarte Teile des Basis-Kollektor-Übergangs, wobei die Emitterzone dadurch angebracht wird, daß eine Verunreinigung über den Plateauteil in den Halbleiterkörper eingeführt wird, wodurch sich die Emitterzone von dem erwähnten Plateauteil her in dem Halbleiterkörper erstreckt. Offensichtlich hat die isolierende und passivierende Schicht, die auf der nicht planaren Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, die Aufgabe, die erwähnte unterschiedliche Eindringtiefe der Ionen in den Halbleiterkörper zu beseitigen.
Aus der DE-OS 22 24 467 ist ein Verfahren zur Herstellung einer dotierten eingebetteten Schicht bekannt, bei welchem die Schicht durch Implantation einer dotierten Zone in ein Siliziumsubstrat gebildet wird, in dem die Oberfläche einem Dotierstoff-Ionenstrahl für eine Exposition von mindestens 10H Ionen/cm2 ausgesetzt wird. Dieses bekannte Verfahren geht dabei von der Erkenntnis aus, daß Implantations-Dotierstoffe wie Arsen bei dem für eingebettete Schichten benötigten hohen Dotierungen eine Beschädigung des Halbleiterkristallgitters verursachen, die so einschneidend ist, daß eine amorphe Zone erzeugt wird. Diese Zone zeigt nach einer anschließenden Wärmebehandlung zurückbleibende Kristallbaufehler. Demnach soll bei diesem bekannten Verfahren die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren zur Bildung einer eingebetteten Schicht durch Ionenimplantation verfügbar zu machen, wobei die dem Halbleiterkristall durch solche Implantate beigebrachte Beschädigung entfernt wird. Die f>5 Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Substrat für zum weiteren Eindiffundieren der Dotierstoffe in den Substratkörper ausreichende Zeit und Temperatur in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, während in die Oberfläche eine Oxidschicht hineinwächst, die wenigstens einen Teil der durch das Implantieren beschädigten Substratzone aufbraucht, daß die Oxidschicht entfernt wird, so daß eine Epitaxischicht auf der Substratoberfläche gezüchtet wird. Es wird zwar gemäß diesem bekannten Verfahren das Substrat in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt, jedoch lediglich zu dem Zweck, um ein weiteres Eindiffundieren aufgrund des bekannten Wärmediffusionseffektes zu erzielen, wobei gleichzeitig eine Oxidschicht ausgebildet wird, die jedoch nachträglich entfernt wird.
Aus dem Buch »Chemical Abstract«, Bd. 73 (Auflage Ί970), Seite 334, Abstract 39 962 ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordneten Schichten aus einem Oxid des Substratmaterial! bekannt, bei dem nach der Injektion von beschleunigter und geladenen Teilchen das bestrahlte Substrat in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, so daß sich das Halbleitermaterial der Injektionsbereiche des Substrats schneller in Oxid verwandelt als das der injektionsfreier Bereiche.
Aus »Philips Research Reports«, Bd. 26 (1971), Nr. 3 Seiten 181-190 ist es bekannt, als Überzüge zui Abschirmung von geladenen Teilchen auf dem betreffenden Substrat eine Schicht aus Süiziumnitrid, Silizium dioxid, Aluminiumdioxid und Aluminium zu verwenden.
Aus »Solid-State Electronics«, Bd. 7 (1964), Nr. 6 Seite 487 ist eine Ionenbeschußtechnik bekannt, gemäC welcher Siliziumoxidfilme mit Molybdän abgedecki werden, um selektiv eine Abschirmung gegenüber einei lonenbeschußdotierung in einer Gleichstrom-Glühentladung zu erzielen. Die dabei verdampfte Molybdänschicht schließt das elektrische Feld über den" Siliziumoxid kurz und absorbiert dabei eine Zerstörung durch Kathodenzerstäubung.
Aus der US-PS 35 75 745 ist es bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen bekannt, mehrere aufeinanderfolgende Mastenbildungen und Diffusionen vorzunehmen.
Schließlich ist aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Bd. 13 (Februar 1971), Nr. 9, Seite 2503 eir Verfahren zur Herstellung eines übergangisolierter gate FET aus einem monolithischen Halbleiterkörpei bekannt Nach der Herstellung einer Schicht au! Siliziumd'oxid auf der Fläche des Grundkörpers bzw Substrats, wird in der Oxidschicht ein Fenstei ausgebildet und eine Diffusionszone in dem Substra innerhalb dieses Fensters erzeugt Über der Siliziumdi oxidschicht und der Fensterzone wird dann eir epitaxialer Niederschlag aufgebracht Das Aufbringer dieses epitaxialen Niederschlages wird gesteuert durch geführt, um in der Fensteröffnung ein einkristalline! Material wachsen zu lassen, und zwar über dei Diffusionszone, wobei gleichzeitig ein polykristalline: Material über der genannten Siliziumdioxidschich wachsen gelassen wird. Die einkristalline Schicht unc die polykristalline Schicht haben unterschiedlich! Wachstumgsgeschwindigkeiten. Wenn die Vorrichtunj dann in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird wird die polykristalline Schicht in Siliziumdioxk umgewandelt und es wird auch über der einkristallinei Schicht eine Siliziumdioxidschicht erzeugt, um dadurcl eine Source-Drain-Diffusionsabschirmung vorzusehen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgab« besteht darin, ein einfach durchführbares Verfahren de eingangs definierten Art zu schaffen, mit dessen Hilf«
selektiv auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats oxidierte Bereiche erzeugt werden können, bei denen der Höhenunterschied zwischen oxidierten und nicht oxidierten Bereichen der Substratoberfläche auf einen unterhalb der Dicke der oxidierten Bereiche liegenden Wert einstellbar ist. Ferner sollen Höhenunterschiede innerhalb der oxidierten sowie innerhalb der nicht oxidierten Bereiche vermieden werden.
Ausgehend von dem Verfahren der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach der Injektion der geladenen Teilchen die Abschirmüberzüge von der Substratoberfläche entfernt werden, daß anschließend das bestrahlte Substrat in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, so daß sich das Halbleitermaterial der Injektionsbereiehe des Substrats schneller in Oxid umwandelt als das der injektionsfreien Bereiche des Substrats, und daß die gebildete Oxidschicht oder eine über den nicht bestrahlten Bereichen liegende Schutzschicht gegen die oxidierende Atmosphäre von der Substratoberfläche so lange abgetragen wird, bis das Halbleitersubstrat in den ursprünglich mit den Abschirmüberzügen abgedeckten Bereichen seiner Oberfläche freigelegt ist und nur in den Injektionsbereichen eine Oxidschicht auf der Substratoberfläche verbleibt.
Es ist somit erfindungsgemäß möglich, beispielsweise die Dicke der gebildeten Oxidschicht durch die Injektionstiefe der geladenen Teilchen im voraus festzulegen, so daß dann später die Höhenunterschiede zwischen oxidierten und nicht oxidierten Bereichen den jeweiligen Gegebenheiten automatisch angepaßt werden, wobei sich der Höhenunterschied zwischen den genannten Bereichen in weiten Grenzen variieren läßt.
Gleichzeitig werden jedoch bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtung auch die Hochfrequenzeigenschaften entscheidend verbessert, da die hierfür maßgebenden Abschnitte der Halbleitervorrichtung mit sehr viel größerer Genauigkeit und mit im voraus genau bestimmbarer Form und Größe hergestellt werden können.
Besonders zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.
Im folgena^n sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. la, Ib und Ic schematische Längsschnittansichten zur Darstellung des bekannten PLANOX- oder ISOPLANAR-Verfahrens zur selektiven Ausbildung von Oxidbereichen auf einem Substrat aus Halbleitermaterial in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten, wobei in diesen Figuren der Idealfall veranschaulicht ist
F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt des Substrats nach der Ausbildung der Oxidbereiche nach dem bekannten Verfahren gemäß F i g. 1,
F i g. 3a bis 3d den F i g. la bis Ic ähnelnde Ansichten, welche jedoch eine Abwandlung des bekannten Verfahrens gemäß den F i g. 1 a bis 1 c veranschaulichen,
Fig.4a bis 4e Teil-Längsschnittansichten eines Substrats aus Halbleitermaterial, das in verschiedenen Arbeitsschritten zur Herstellung eines Halbleiterelements mit Merkmalen nach der Erfindung bearbeitet wird,
F i g. 5a bis 5m Teil-Längsschnitte durch ein Substrat aus Halbleitermaterial, das zur Herstellung von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen gemäß dem die Erfindung aufweisenden Verfahren in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten behandeft wird,
F i g. 5n eine Teilaufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 5m,
F i g. 6a bis 6e der F i g. 5 ähnelnde Ansichten, welche jedoch eine Abwandlung des Verfahrens gemäß F i g. 5 veranschaulichen, und
F i g. 7a bis 7 j Teil-Längsschnitte zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises gemäß dem die Erfindung aufweisenden Verfahren in der Reihenfolgen der Fertigungsschritte.
In den Fig. la bis Ic ist das vorher genannte, bekannte Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen, insbesondere anhand der Verfahrensschritte zur selektiven Oxydierung einer Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial in der Reihenfolge der Fertigungsschritte dargestellt.Gemäß Fig. la weist ein Siliziumsubstrat JO eine Oberfläche 12 und einen Überzug 14 aus Siliziumnitrid (S13N4) auf, welcher auf die Oberfläche 12 aufgetragen ist. Ersichtlicherweise können mehrere Überzüge aus Siliziumnitrid, wie der Überzug 14, selektiv in einem vorbestimmten Muster oder Schema auf der Oberfläche 12 des Substrats 10 angeordnet sein. Wenn das Substrat 10 gemäß Fig. la bei erhöhter Temperatur in einer oxydierenden Atmosphäre oxydiert wird, ergibt sich das Gebilde gemäß Fig. Ib. Gemäß Fig. Ib ist der nicht mit dem Überzug 14 versehene Abschnitt der Oberfläche des Substrats 10 unter Bildung eines Films 16 aus Siliziumdioxid (S1O2) oxydiert. Gleichzeitig ist dabei der Überzug 14 unter Bildung einer Oberflächenschicht 18 aus Siliziumdioxid teilweise oxydiert worden. Anschließend werden verdünnte Fluorwasserstoffsäure und heiße Phosphorsäure nacheinander angewandt, um die Siliziumdioxidschicht 18 bzw. den Siliziumnitrid-Überzug 14 zu entfernen, so daß das Gebilde gemäß F i g. Ic erhalten wird. Dabei besitzt das Substrat 10 auf seiner Oberfläche 12 selektiv ausgebildete Filme aus Siliziumdioxid, obgleich in der Zeichnung nur ein Siliziumdioxid-Film 20 dargestellt ist.
Beim Abtragen der Schicht 18 und des Überzugs 14 wird gleichzeitig der Oberflächenabschnitt des vorher auf der Substrat-Oberfläche 12 ausgebildeten Oxydfilms 16 entfernt, so daß der resultierende Oxidfilm dünner wird und seine Oberfläche gegenüber der freiliegenden Oberfläche 12 des Substrats 10 nur geringfügig höher liegt. In der Zeichnung ist dieser Höhenunterschied jedoch zur deutlicheren Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt. Beim nächsten Verfahrensschritt wird über die nunmehr freiliegenden Abschnitte der Oberfläche 12 ein dem Substrat Leitfähigkeit verleihender Störstoff bzw. ein Fremdatom eindiffundiert, wodurch nicht dargestellte aktivierte Regionen gebildet werden.
Bei Anwendung dieses Verfahrens kann der Höhenunterschied zwischen der Oberfläche des Substrats und der Oberfläche des darauf aufgebrachten Siliziumdi oxid-Films verkleinert werden, so daß die Bruchtendenz eines später auf das Substrat aufgebrachten Aluminium-Leitungszugs verringert wird.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Idealbedingungen beim genannten, bekannten Verfahren. Tatsächlich kann jedoch ein Oxydationsmittel, wie Sauerstoff oder Dampf, seitlich in den Teil des Substrats hineindiffundieren, der unmittelbar unter dem Nitridüberzug 14 an der Grenzfläche der Substrat-Oberfläche zwischen dem Oberflächenabschnitt, auf den der Nitridflberzug aufgebracht ist, und dem Oberflächenabschnitt, auf welchem kein derartiger Überzug vorhan-
den ist, liegt. Der Diffusionsabschnitt wird unter Volumenvergrößerung oxydiert, so daß sich gemäß F i g. 2 auf der Oberfläche des Oxidfilms 16 an der Grenzfläche ein Vorsprung 22 ergibt. Infolge des auf diese Weise gebildeten Vorsprungs kann ein später quer darüber angeordneter Aluminium-Leitungszug möglicherweise brechen. Die Vorteile des bekannten Verfahrens lassen sich mithin nicht sicher erreichen.
Da zudem der Siliziumnitrid-Überzug 14 unmittelbar auf die Oberfläche 12 des Substrats 10 aufgetragen wird, können sich große Gitterschäden und hohe Beanspruchungen an dem Abschnitt der Substrat-Oberfläche 12 ergeben, welcher mit dem Nitrid-Überzug 14 in Berührung steht, was auf den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Werkstoffen des Überzugs 14 und des Substrats 10 zurückzuführen ist. Dies ist jedoch im Hinblick auf die Eigenschaften des fertigen Halbleiterelements unerwünscht.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung der genannten Gitterschäden und Beanspruchungen besteht darin, eine Fläche eines Halbleitersubstrats gemäß F i g. 3, in welcher den Teilen von F i g. 1 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind, mit einem Siliziumnitrid-Überzug über einen dazwischengefügten Siliziumdioxid-Film zu beschichten.
Gemäß Fig.3a weist ein aus Halbleiter-Silizium bestehendes Substrat 10 einen auf seine Oberfläche 12 über einen dünnen Film 24 aus Siliziumdioxid aufgebrachten Siliziumnitrid-Überzug 14 auf. Ersichtlicherweise sind dabei mehrere derartige Überzüge 14 über jeweils zugeordnete, dünne Oxidfilme 24 selektiv auf der Oberfläche 12 des Substrats 10 angeordnet. Durch anschließendes Oxydieren des Substrats 10 mit dem Überzug 12 und dem Film 24 auf die vorher in Verbindung mit F i g. 1 beschriebene Weise wird dann gemäß Fig.3b ein Siliziumdioxid-Film 16 auf dem Abschnitt der Substrat-Oberfläche 12 ausgebildet, auf welchen der Nitrid-Überzug nicht aufgetragen ist. Wie in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben, kann dabei ein Oxydationsmittel, wie Sauerstoff oder Dampf, seitlich in das Substrat hineindiffundieren und den unmittelbar unter dem Endabschnitt des Überzugs 14 an der Grenzfläche desselben liegenden Abschnitt des Substrats 10 oxydieren.
Anschließend wird zunächst heiße Phosphorsäure od. dgl. benutzt, um den Siliziumnitrid-Überzug 14 abzutragen, worauf verdünnte Fluorwasserstoffsäure angewandt wird, um den dünnen Film 24 aus Siliziumdioxid zu entfernen, bis die Oberfläche 12 des Substrats in einem vorbestimmten Muster oder Schema freiliegt. Während der Abtragung des Siliziumdioxid-Films ätzt die Fluorwasserstoffsäure das Siliziumdioxid in wesentlich stärkerem Ausmaß als das das Substrat 10 bildende Silizium. Infolgedessen wird auf der Substrat-Oberfläche 12 gemäß Fig.3c an einem Randabschnitt eines dicken Films 20 aus Siliziumdioxid eine Ausnehmung bzw. Nut 26 gebildet Wie bei der Anordnung gemäß Fig. Ic ist die Abtragung des dünnen Siliziumdioxid-Films 24 von einer gleichzeitigen Abtragung der Oberfläche des Oxidfilms 16 begleitet, so daß ein Siliziumdioxid-Film 20 zurückbleibt, der etwas dünner ist als der ursprüngliche Film 20.
Anschließend kann über die freiliegenden Abschnitte der Oberfläche 12 ein dem Substrat 10 Leitfähigkeit verleihendes Fremdatom in das Substrat eindiffundiert werden, wodurch in letzterem nicht dargestellte, aktivierte Regionen gebildet werden. Anschließend kann ein aus Aluminium bestehender Leitungszug 28 so angeordnet werden, daß er gemäß F i g. 3d den Oxidfilm 20 und die freiliegende Oberfläche 12 überbrückt. In F i g. 3d ist ein Hohlraum 30 dargestellt, welcher durch den Leitungszug 28, den Endabschnitt des Films 20 und den benachbarten Abschnitt der Substrat-Oberfläche 12 festgelegt wird. Dieser Hohlraum 30 kann zu einem Bruch des aus Aluminium bestehenden Leitungszugs 28 führen. Folglich lassen sich die Vorteile des bekannten Verfahrens nicht zufriedenstellend realisieren.
Außerdem sind die beiden, vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren bezüglich ihrer Behandlungsweise im Vergleich mit der Verwendung von Siliziumdioxid kompliziert, weil die Siliziumnitrid-Überzüge selektiv auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden.
Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß beim vorher beschriebenen, bekannten Verfahren elektrisch isolierende Elemente ausgebildet werden, die selektiv in einen Oberllächenabschnitt eines Halbleiter-Substrats eingebettet sind, so daß die Abschnitte der Substrat-Oberfläche, an welchen keine isolierenden Elemente vorgesehen werden, um später aktivierte Regionen zu bilden, und die Oberflächen der isolierenden Elemente zumindest über die eingebetteten Abschnitte hinweg plan ausgebildet werden können. Dies gewährleistet eine verringerte Bruchtendenz für die Aluminium-Leitungszüge. Die genannten Verfahren sind jedoch bezüglich ihrer Behandlungsschritte kompliziert, und sie vermögen einen Bruch von Leitungszügen aus Aluminium nicht vollständig zu verhindern.
In den Fig.4a bis 4e ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen veranschaulicht. Das in Fig.4a dargestellte Substrat aus einem beliebigen Halbleitermaterial, wie Silizium, weist eine Oberfläche 12 auf, mit der ein Abschirm-Überzug 40 aus Photomaterial verbunden ist. In der Praxis ist eine Vielzahl derartiger Abschirmüberzüge 40 selektiv in einem vorbestimmten Muster oder Schema auf der Oberfläche 12 des Substrats 10 angeordnet. Die Photo-Überzüge 40 können auf sie auftreffende, beschleunigte geladene Teilchen auffangen oder blockieren. Bevorzugte Beispiele für Werkstoffe des Überzugs 40 sind neben den üblichen Photo-Materialien Siliziumnitrid (S13N4), Siliziumdioxid (S1O2), Aluminiumoxid (AI2O3) sowie Metalle, welche Ionen zu blockieren vermögen und welche leicht maschinell zu bearbeiten sind, beispielsweise Aluminium (Al), Molybdän (Mo), Wolfram (W) usw. Der Abschirm-Überzug 40 kann aus einer Schicht einer beliebigen der vorstehend genannten Verbindungen und Metalle oder aus einer Anzahl von derartigen, übereinanderliegenden Schichten bestehen. Der Werkstoff des Abschirmüberzugs 40 braucht lediglich die auf ihn auftreffenden, beschleunigten geladenen Teilchen aufzufangen, und er kann selektiv auf beliebige Weise auf der Substrat-Oberfläche 12 ausgebildet sein.
In die Oberfläche 12 des Substrats 10 werden geladene Teilchen injiziert, beispielsweise Ionen eines zweckmäßigen Elements, wie Zinn (Sn), nachdem sie auf die in Fig.4b durch die Pfeile 42 angedeutete Weise beschleunigt worden sind. Hierbei werden auf der Oberfläche 12 in einem vorbestimmten Muster Injektionsbereiche 44 ausgebildet, während gleichzeitig gemäß F i g. 4b auf der Oberfläche des Überzugs 40 ein Injektionsbereich 46 gebildet wird. Diese ionen können wirksam aus Ionen eines Elements mit gegenüber dem das Substrat bildenden Halbleitermaterial hohem Atomgewicht bestehen. Wenn das Substrat 10 beispiels-
weise aus Silizium (Si) besteht können die Ionen von Indium (In), Gallium (Ga)1 Antimon (SbX Zinn (Sn) oder Arsen (As) verwendet werden.
In der folgenden Beschreibung wird nunmehr auf Ionen von Zinn Bezug genommen, die beschleunigt und in das Substrat injiziert werden, doch ist dabei zu beachten, daß für das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen auch andere Elemente als Zinn anwendbar sind.
Die Abschirmüberzüge 40 werden vom Substrat iö auf bekannte Weise unter Verwendung von beispielsweise heißer Schwefelsäure abgetragen, um die ausgewählten Abschnitte der Substrat-Oberfläche freizulegen, während die Injektionsbereiche 44 in dem betreffenden Oberflächenabschnitt des Substrats 10 praktisch eben bzw. bündig mit der freiliegenden Substrat-Oberfläche abschließen. Das resultierende Gebilde ist in F i g. 4c veranschaulicht.
Danach wird das auf diese Weise behandelte Substrat 10 in einer oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise Sauerstoff oder Dampf, erhitzt. Während dieser Wärmebehandlung werden diejenigen Abschnitte der Substrat-Oberfläche 12, in denen die Injektionsbereiche 44 ausgebildet wurden, beschleunigt oxydiert, so daß sich dicke Filme 46 aus Siliziumdioxid bilden, während diejenigen Abschnitte der Oberfläche 12, in welche keine Ionen injiziert worden sind, gemäß Fig.4d einen dünnen Film 48 aus Siliziumdioxid bilden. Obgleich der Mechanismus, nach welchem die Injektionsbereiche mit höherer Geschwindigkeit oxydiert werden, derzeit nocht nicht völlig bekannt ist, wird angenommen, daß das kristallographische Gefüge durch die in diese Bereiche injizierten, beschleunigten geladenen Teilchen in der Weise verändert wird, daß die Injektionsbereiche während der gleichen Oxydationszeit stärker oxydiert werden als die restlichen Bereiche der Oberfläche des Substrats 10.
In Fig.4d bezeichnet die gestrichelte Linie die Oberfläche des Substrats 10 gemäß Fig.4a oder 4d, während mit 50 die nunmehr unmittelbar unter der dünnen Schicht 48 aus Siliziumdioxid gebildete Oberfläche des Substrats angedeutet ist
Ersichtlicherweise schreitet die Oxydation etwas längs der Oberfläche des Substrats fort, so daß die Oberfläche 50 etwas kleiner ist als die durch den gegenüberliegenden Abschnitt des Injektionsbereichs 44 festgelegte Fläche.
Anschließend wird der dünne Film 48 aus Siliziumdioxid beispielsweise durch verdünnte Fluorwasserstoffsäure vom Substrat 10 abgetragen. Zu diesem Zeitpunkt wird gleichzeitig ein Abschnitt des dicken Films 46 vom Substrat 10 entfernt Die Siliziumdioxidabtragung wird fortgesetzt bis der unmittelbar unter jedem dünnen Siliziumdioxid-Film 48 befindliche Abschnitt der Substrat-Oberfläche 50 freigelegt ist Das resultierende Gebilde ist in F i g. 4e dargestellt Gemäß F i g. 4e ist der dicke Film 44 teilweise entfernt worden, so daß ein Film 52 aus Siliziumdioxid gebildet worden ist, dessen Oberfläche nur geringfügig über der freiliegenden Oberfläche 50 des Substrats 10 liegt
Beim nächsten Arbeitsschritt werden auf die vorher in Verbindung mit den F i g. 1 und 3 beschriebene Weise nicht dargestellte aktivierte Bereiche in den Oberflä chenabschnitten des Substrats 10 ausgebildet Sodann kann ein Leitungszug aus Aluminium auf das Substrat 10 aufgetragen werden. Dabei kann ein Teil des Leitungszugs die Siliziumdioxid-Fihr.e 52 und die angrenzenden Abschnitte der freiliegenden Substrat-Oberfläche 50
überbrücken. Infolge des beschriebenen geringen Höhenunterschieds zwischen den beiden Oberflächen kann die Gefahr für einen Bruch des Aluminium-Lei- !.»ngszugs vermindert werden.
Wenn die Fremdatomkonzentration des unmittelbar unter jedem Siliziumdioxid Film 52 gelegenen Abschnitts des Substrats erhöht werden soil, können die geladenen Teilchen für uie P-Dotierung aus einem Element der III. Gruppe des Periodischen Systems, wie Indium, und für die N-Dotiening aus einem Element der V. Gruppe des Periodischen Systems, wie Antimon, bestehen. Die Verwendung von geladenen Teilchen aus Zinnionen vermindert Gitterschaden und Beanspruchungen im Injektionsbereich, so daß der unmittelbar unter den Filmen 52 befindliche Abschnitt des Substrats daran gehindert wird, auf eine N-Leitung überzugehen.
Die Erfindung ist vorstehend in Verbindung mit der Anwendung von Abschirmüberzügen beschrieben, die selektiv in der Weise auf das Substrat aufgebracht sind, daß auf letzterem selektiv Injektionsbereiche gebildet werden, worauf der Werkstoff der Injektionsbereiche in ein elektrisch isolierendes Material umgewandelt wird. Es kann jedoch auch ein Strahl geladener Teilchen bei weggelassenen Abschirmüberzügen selektiv in das Substrat injiziert werden. Obgleich vorstehend angegeben ist, daß die Oxydation nach dem Entfernen der Photo-Überzüge erfolgt, kann dieser Behandlungsschritt gewünschtenfalls durchgeführt werden, während sich die Siliziumnitrid-Überzüge noch auf dem Substrat befinden.
Um eine tiefer in das Innere des Substrats hineinreichende isolierende Oxidschicht zu bilden, können vergleichsweise leichte Ionen, wie Protonen oder Heliumionen, in das Substrat injiziert werden, worauf geladene Teilchen, deren Atomgewicht größer ist als dasjenige der das Substrat bildenden Atome, in das Substrat injiziert werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Oxidisolationen nach Jem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und einfach in einem vorbestimmten Muster bzw. Schema im Substrat ausgebildet werden können, ohne daß die bisher erforderlichen komplizierten Verfahrensschritte angewandt zu werden brauchen. Auf diese Weise können Halbleiterelemente hergestellt werden, welche die gewünschten Eigenschaften besitzen und welche im Betrieb sehr zuverlässig sind.
In den F i g. 5a bis 5m, in denen den Teilen von F i g. 4 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist ein Verfahren zur Herstellung von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Reihenfolge der Verarbeitungs- bzw. Fertigungsschritte dargestellt.
Beim Verfahren gemäß F i g. 4 wurde zur Beschleunigung der Oxydation ein Strahl von Ionen als beschleunigte geladene Teilchen verwendet. Dabei ist zu beachten, daß nach Belieben ein Strahl von Elektronen, ein Neutronenfluß, radioaktive Strahlung u.dgl. für denselben Zweck angewandt werden kann. Von diesen Möglichkeiten besitzen jedoch Ionenstrahlen die größte Vielfältigkeit weshalb die Erfindung im folgenden typischerweise in Verbindung mit der Verwendung eines Ionenstrahls beschrieben ist
Gemäß Fig.5a wird zunächst ein Überzug 40' aus einem einen Ionenstrahl blockierenden bzw. abschirmenden Material, wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, einem Photomaterial od. dgl., auf die Oberfläche 12 eines Silizium-Substrats 10 aufgebracht Wie erwähnt
sind Beispiele für ein abschirmendes Material Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Photcmaterial u. dgL Obgleich in F i g. 5a nur ein einziger Abschirmüberzug 40 dargestellt ist, werden in der Praxis mehrere derartige Abschirmüberzüge 40 in vorbestimmtem Muster auf dem Substrat 10 ausgebildet, indem beispielsweise ein bekanntes selektives Ätzverfahren, ein chemisches Ätzverfahren, ein Rückstreuverfahren oder ein Plasma-Ätzverfahren sowie ein ebenfalls an sich bekanntes Photolithographieverfahren angewandt werden. Lediglich aus Grün- den der Erläuterung ist das Substrat als nur einen einzigen Abschirmüberzug 40' aufweisend dargestellt Die Dicke des Abschirmüberzugs 40' hängt dabei von der angewandten Beschleunigungsspannung für den Ionenstrahl und von der Art des Überzugsmaterials ab. Im Falle eines aus Siliziumdioxid bestehenden Überzugs hat es sich gezeigt, daß seine Dicke bei einer Beschleunigungsspannung von 100 kV zufriedenstellend im Bereich von 500 bis 700 Ä und bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV im Bereich von 1000 bis 1500Ä liegt. Im Fall von Überzügen aus Photomaterial müssen diese die doppelte Dicke besitzen wie ein Siliziumdioxid-Überzug. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Amschirmüberzug 40' aus einem Photomaterial in quadratischer Form ausgebildet worden.
Gemäß F i g. 5b wird die Oberfläche 12 des Substrats 10 mit einem Ionenstrahl 42 bestrahlt, wodurch schnell oxydierende Bereiche 44 gebildet werden. Die Ionenquelle besteht aus einem Element, das schwerer ist als das Element, welches das Substrat 10 bildet, nämlich Silizium. Wie in Verbindung mit F i g. 4b beschrieben, können für diesen Zweck beispielsweise Indium, Gallium, Antimon, Zinn oder Arsen verwendet werden, obgleich sich auch andere Elemente als Ionenlieferant eignen.
Sodann wird der Abschirmüberzug 40' nach einem bekannten vorstehend erwähnten selektiven Ätzverfahren vom Substrat 10 abgetragen. Danach wird die Oberfläche 12 des Substrats 10 in einem Hochtemperatur-Oxydationsofen oxydiert, der eine zweckmäßige Oxydationsatmosphäre, wie Sauerstoff oder Dampf, bei einer Temperatur von mehr als 900° C enthält. Während dieses Oxydationsvorganges werden die mit dem Ionenstrahl 40 bestrahlten Bereiche 44 im Vergleich zu den restlichen Abschnitten der Substrat-Oberfläche 12 oder dem vorher mit dem Abschirmüberzug 40' versehenen Abschnitt des Substrats schneller oxydiert. Durch entsprechende Auswahl der Art des Ionenstrahls, eines Ionenstroms, einer Beschleunigungsspannung für den Ionenstrahl, der Bedingungen für die thermische Oxydation nach der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl, beispielsweise der Art der Oxydationsatmosphäre, der Oxydationstemperatur, der Oxydationszeit usw., kann das Verhältnis der Oxyriationsgeschwin- digkeit zwischen den Bereichen 44 und den restlichen Abschnitten der Substrat-Oberfläche beliebig gewählt werden.
Fig.5c veranschaulicht das entstandene Gebilde nach der Oxydation mit dem gewünschten Verhältnis der Oxydationsgeschwindigkeit.
Gemäß F i g. 5c besitzt ein irn bestrahlten Bereich 44 ausgebildeter Siliziumdioxid-Film 46 eine andere, d. h. größere Dicke als ein Siliziumdioxid-Fi'.m 48, der auf dem Abschnitt der Substrat-Oberfläche gebildet wor- (>5 den ist, welche nach dem Abtragen der zugeordneten Abschirmüberzüge 40' gebildet worden ist. Der Film 48 ist dabei mit einer dem Halbleitermaterial des Subsirais 10 eigenen Oxydationsgeschwindigkeit ausgebildet worden. Infolgedessen befindet sich die Grenzfläche zwischen dem Film 46 und dem angrenzenden Abschnitt des Substrats 10 dichter an der gegenüberliegenden bzw. Bodenfläche des Substrats 10 als die Grenzfläche zwischen dem Film 48 und dem benachbarten Abschnitt des Substrats 10, so daß zumindest ein Teil des Siliziumdioxid-Films 46 in das Substrat 10 eingebettet ist. Außerdem weist der Abschnitt des Films 46, welcher sich dichter an der Bodenfläche des Substrats 10 befindet als die Grenzfläche zwischen dem Film 48 und dem benachbarten Abschnitt des Substrats, eine einwärts gerichtete Erweiterung auf, die dazwischen einen Bereich aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial, d. h. Silizium, festlegt Dieser Bereich besitzt gemäß F i g. 5c eine Länge L'\, die kleiner ist als diejenige der freiliegenden Oberfläche des Films 48 entsprechend der Länge L\ des zugeordneten Überzugs 40' gemäß Fig.5a. Diese Erweiterung ergibt sich sowohl aus einem Unterschied zwischen den Oxydationsgeschwindigkeiten der Filme 46 und 48 als auch dadurch, daß die Oxydation des Halbleitermaterials bzw. Siliziums in waagerechter Ri -htung einwärts längs der Grenzfläche zwischen dem Film 48 und dem benachbarten Abschnitt des Substrats 10 fortschreitet, was auf den Mechanismus zurückzuführen ist, durch den das Substrat oxydiert wird. Diese Erweiterung ist in Fig.5c lediglich zur deutlicheren Veranschaulichung übertrieben groß eingezeichnet
Anschließend werden nach einem an sich bekannten Ätzverfahren der vorher genannten Art Teile der Filme 46 abgetragen und der Film 48 enfernt, bis die Grenzfläche zwischen dem Film 48 und dem angrenzenden Teil des Substrats 10 freigelegt ist, so daß gemäß Fig.5d ein Fenster 54 für die Basisdiffusion gebildet wird Die Länge L'\ des Fensters 54 ist kleiner als die Länge L\ des abschirmenden Überzugs 40'. Wenn der Film 46 beispielsweise eine Dicke D und sein unterhalb der Oberfläche des Substrats 10 liegender Abschnitt eine Dicke D\ besitzt, können der Dickenunterschied D-D1 sowie der Längenunterschied L\-L'\ durch entsprechende Auswahl des Verhältnisses der Oxydationsgeschwindigkeit zwischen den Filmen 46 und 48 oder der Bedingungen für die Bestrahlung mit einem Ionenstrahl und für die Oxydation nach der Bestrahlung auf einen beliebigen gewünschten Wert eingestellt werden.
Nach der Ausbildung des Fensters 54 wird ein an sich bekanntes selektives Diffusionsverfahren zur Bildung von Basisdiffusionsbereichen 56 mit einer Dicke von X,b in den unmittelbar unter den Fenstern 54 befindlichen Abschnitten des Substrats angewandt, um auf diese Weise einen Basisübergang bzw. eine Basisgrenzfläche zu bilden. Hierauf wird ein nicht dargestellter, im Fenster 54 gewachsener Siliziumdioxid-Film chemisch weggeätzt Das dabei erhaltene Gebilde ist in Fig.5e dargestellt Gleichzeitig mit dem Abtragen des im Fenster !ingewachsenen Films werden die Siliziumdioxid-Filime 46 teilweise weggeätzt, um die Gesamtdicke D zu verkleinern. Die Effektivdicke D der Siliziumdioxid-Filme 46 kann groß sein, während die Dicke D-D\ des über der Oberfläche des Substrats liegenden Abschnitts des Films 46 auf einem mit der entsprechenden Dicke bei nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Halbleiterelementen vergleichbaren Wert gehalten wird.
Hierauf wird ein weiterer Abschirmüberzug 58 einer vorbesiimmien Form zur Abschirmung eines Ionen-
Strahls an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen auf der Oberseite des Basisdiffusionsbereichs 56 im Substrat 10 auf die vorher in Verbindung mit F i g. 5a beschriebene Weise aufgetragen. Gemäß F i g. 5f weist der Abschirmüberzug 58 drei auf Abstände stehende, parallele Abschnitte mit Breiten von L2, L3 bzw. L2 auf. Der weitere Abschirmüberzug 58 kann für die spätere Ausbildung von Fenstern für eine Basiselektrode, für die Emitterdiffusion und eine Emitterelektrode herangezogen werden.
Beim nächsten Verfahrensschritt wird die Oberfläche des Gebildes gemäß F i g. 5f mit einem Ionenstrahl 42 bestrahlt, um auf die vorher in Verbindung mit F i g. 5b beschriebene Weise einen Bereich 60 mit hoher Oxydationsfähigkeit auszubilden. Die auf diese Weise erzielte Konstruktion ist in F i g. 5g dargestellt.
Die Dicke des Bereichs 60 kann ohne weiteres durch Auswahl der Bedingungen für den Ionenstrahl 42, der Beschleunigungsspannung für diesen und anderen Faktoren gesteuert werden. Genauer gesagt, kann die Dicke des Bereichs 60 jede beliebige Größe besitzen, bei welcher eine Emitterdiffusion erreicht und eine ausreichende Breite eines Emitterstreifens erzielt wird, welche den Hochfrequenzeigenschaften des resultierenden Halbleiterelements Rechnung trägt, ohne daß die beim Verfahrensschritt gemäß F i g. 5e gebildeten Basisübergänge zusammenbrechen.
Sodann wird der in Verbindung mit F i g. 5c beschriebene Verfahrensschritt wiederholt, um auf dem Basisdiffusionsbereich 56 einen schnell oxydierten, teilweise in den Bereich 56 eingebetteten Film 62 und einen normal oxydierten Film wachsen zu lassen. Die dabei gebildete Konstruktion ist in F i g. 5h veranschaulicht. Wie bei dem Gebilde gemäß Fig.5c sind die eingebetteten, parallelen Abschnitte des Films 60 mit ihren Unterseiten dichter an der Basis-Kollektor-Übergangsfläche angeordnet als die Unterseite des normal oxydierten Films, welcher in den Abschnitten des Substrats ausgebildet worden ist, auf die vorher der Abschirmüberzug 58 aufgetragen wurde. Außerdem sind zwischen die eingebetteten, parallelen Abschnitte des Films 58 Siliziumbereiche eingeschichtet, deren Längen L'2, L'3 und L'2 kleiner sind als die Längen L2, L3 und L2 der beim Verfahrensschritt gemäß F i g. 5f abgeschirmten Bereiche.
Durch Ausnutzung des Mechanismus, durch den der schnell oxydierte Film gebildet wird, ist es möglich, die Größe eines vorher gebildeten Fensters für die Emitterriiffusion auf die durch die Photolithographieverfahren bestimmte Größe zu reduzieren, während das Verhältnis zwischen dem Umfang und der Fläche eines Emitters wesentlich vergrößert wird. Hieraus ergeben sich sehr wirksame Möglichkeiten zur Herstellung von Halbleiterelementen und insbesondere von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen.
Zur selektiven Ätzung des Siliziumdioxid-Films zwecks Ausbildung eines Fensters für die Emitterdiffusion wird darin ein bekanntes Photolithographieverfahren angewandt. Dabei wird ein Überzug 64 für die selektive Ätzung des Siliziumdioxid-Films 46, beispielsweise ein Photo-Überzug, auf die Oberfläche der Konstruktion gemäß Fig. 5h aufgebracht, jedoch mit Ausnahme des Abschnitts, an welchem das Fenster für die Emitterdiffusion gebildet werden soll. Die dabei erhaltene Konstruktion ist in Fig. 5i dargestellt, bei welcher eine zentrale Ausnehmung zwischen den Abschnitten des Films 62 als Fenster dargestellt ist, durch welches hindurch die Emiu.crdiffnsinn durchgeführt wird.
Im Anschluß hieran wird nach einem zweckmäßigen Photoätzverfahren der Überzug 64 zusammen mit dem für das Emitterfenster vorgesehenen Abschnitt des Siliziumdioxid-Films chemisch geätzt, so daß gemäß F i g. 5j ein Fenster 66 für die Emitterdiffusion gebildet wird.
Daraufhin wird über das Fenster 66 ein gewünschtes Fremdatom für die Emitterdiffusion in das Substrat bzw. den Basisdiffusionsbereich 56 diffundiert, um einen Emitterdiffusionsbereich 68 mit einem Emitterübergang zwischen beiden Bereichen 68 und 56 auszubilden. Das resultierende Gebilde ist in Fig.5k dargestellt Während dieser Emitterdiffusion ist darauf zu achten, daß die Diffusionslänge bzw. -tiefe Xje nicht die Dicke D2 (Fig.5j) der unter der freiliegenden Oberfläche des Fensters 66 gelegenen Abschnitte des Films 60 überschreiten darf. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der resultierende Übergang bzw. Grenzfläche keine Krümmung besitzt und außerdem der Emitter-Kollektor-Übergang im Vergleich zu den nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Übergängen einer sehr viel höheren Spannung zu widerstehen vermag.
Außerdem ist die in einer solchen Atmosphäre, daß ein Siliziumdioxid-Film 70 im Emitterfenster 66 gebildet wird, durchgeführte Diffusion für den nachfolgenden Verfahrensschritt der Anordnung von Fenstern für Emitter- und Basiselektroden im Siliziumdioxid-Film von Bedeutung.
F i g. 51 veranschaulicht die Konstruktion, nachdem Fenster 72 und 74 für Emitter- und Basiselektroden im Siliziumdioxid-Film 62 ausgebildet worden sind. Dabei ist es möglich, diese Fenster gleichzeitig zwischen den Filmabschnitten 60 anzuordnen, indem das Substrat 10 in eine Lösung zum Ätzen des Siliziumdioxid-Films, beispielsweise in eine Lösung aus Ammoniumfluorid eingetaucht wird, um den Siliziumdioxid-Film auf dem Substrat 10 gleichmäßig über seine gesamte Oberfläche hinweg zu ätzen, ohne bei der Photolithographiebehandlung den Siliziumdioxid-Film, der in dem vorher mit dem weiteren Abschirmüberzug 58 (F i g. 5f) versehenen Abschnitt des Substrats angewachsen ist, und den während der Emitterdiffusion (F i g. 5k) im Fenster 66 angewachsenen Sijiziumdioxid-Film 68 zu beeinflussen. Der chemische Ätzvorgang ist beendet, wenn die Oberfläche des Substrats 10 durch beide Fenster 72 und 74 hindurch sichtbar ist.
Bei der Konstruktion gemäß F i g. 51 besitzen die Übergänge für die Emitter- und Basisdiffusionsbereiche jeweils Umfangsränder, welche von den schnell oxydierten Filmen 62 und 46 umschlossen sind. Die Enden der Übergänge werden folglich daran gehindert, die Hauptflächen 54 bzw. 66 der Diffusionsbereiche 56 bzw. 68 zu erreichen, wie dies bei den Diffusionsbereichen bei den bisherigen Halbleiterelementen der Fall ist. Auch wenn die in den Elektrodenfenstern befindlichen Siliziumdioxid-Filme auf chemischem Wege etwas zu stark geätzt werden, wird dabei verhindert, daß die Enden der Übergänge unmittelbar zur Oberseite des Substrats hin frei liegen. Vielmehr wird durch unzureichendes chemisches Ätzen des Siliziumdioxid-Films zwecks Freilegung der Bodenfläche des Emitterbereichs gewährleistet, daß die effektive Konlaktfläche mit einer Elektrode vergrößert werden kann. Hierdurch wird die Möglichkeil einer Steuerung des Oxydätz-Schritts zur Bildung der Fenster für die Emitter- und Basiselektroden verbessert, was zur Stabilität dieses Veriahrensschpns beiträgt.
Danach wird ein zur Verwendung als Elektrode für Halbleiterelemente geeignetes Metall in an sich bekannter Weise auf die Oberfläche des Elements gemäß F i g. 51 aufgetragen. Für diesen Zweck kann ein bekanntes Vakuumverdampfungs-, Aufsprühverfahren od. dgl. angewandt werden, während das auf die Oberfläche des Elements gemäß F i g. 51 aufzutragende Metall aus Aluminium oder einer Kombination einer Vielzahl von Metallen, beispielsweise aus einer Kombination aus Platinsilizid, Titan, Molybdän und Gold in Form von übereinanderliegenden Schichten od. dgl. bestehen kann. Sodann wird nach einem bekannten Photoätzverfahren das aufgetragene Metall weggeätzt, so daß die Metallabschnitte in den gewünschten Positionen auf der Oberfläche des Elements zurOckbleiben. Hierbei werden gemäß Fig.5m eine Emitterelektrode 76 und eine Basiselektrode 78 ausgebildet.
Nachdem die Konfiguration der Elektroden nach einem Photolithographieverfahren festgelegt worden ist, wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die Haftung bzw. Adhäsion des Metalls für die Elektroden am Siliziumdioxid-Film zu verbessern und das Metall mit niedrigem Widerstand mit dem Silizium-Substrat zu kontaktieren. Während dieser Wärmebehandlung kann das Metall infolge der Reaktion des Elektrodenmetalls auf dem das Substrat bildenden Silizium in das Substrat in Richtung seiner Tiefe eindringen. Alternativ kann das Metall seitlich in die Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Substrat eintreten. Dies kann die Gefahr hervorrufen, daß die Übergänge und speziell der Emitterübergang weggebrochen werden. Zur Begrenzung dieser Reaktion in Richtung der Tiefe des Substrats sind bereits zahlreiche Maßnahmen vorgeschlagen worden, beispielsweise die Verwendung von Metalisiliziden, die Verwendung von mehrschichtigen Elektroden u. dgl. Der Durchbruch infolge der Reaktion hat jedoch einen Einfluß auf die Steuerung des Verfahrensschritts der chemischen Ätzung der Fenster, in denen die aufgelegten Elektroden angeordnet sind. Bei den herkömmlichen Verfahren war es schwierig, diesen Durchbruch völlig zu vermeiden.
Im Gegensatz dazu ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, daß der Umfang des inneren Übergangs für den Emitterbereich vollständig vom angrenzenden Siliziumdioxid-Film umschlossen ist, so daß seine Enden innerhalb des Substrats liegen. Infolgedessen kann ein Durchbruch infolge der Reaktion des Elektrodenmetalls auf dem Silizium vollständig verhindert werden.
Fig.5n ist eine Aufsicht auf die Konstruktion, bei welcher die Basiselektrode 76 U-Form besitzt, während die Emitterelektrode 74 zwischen den Schenkeln des »U<( angeordnet ist. Gemäß F i g. 5m ragen die Emitterelektrode 76 und die Basiselektrode 78 unter Bildung einer überstehenden Anordnung über die Oberfläche des Siliziumdioxid-Films 46 hinaus, so daß zwischen jeder dieser Elektroden und dem Kollektorbereich eine zusätzliche Kapazität vorhanden ist. Diese zusätzlichen Kapazitäten lassen sich jedoch durch Vergrößerung der Dicke des Siliziumdioxid-Films 46 herabsetzen. Bei den herkömmlichen Verfahren führte dagegen eine Vergrößerung der Dicke des Siliziurndioxid-Films46zu einem vergrößerten Höhenunterschied zwischen dem Substrat 10 und dem Siliziumdioxid-Film, wodurch Brüche der Verbindungen mit den Elektroden hervorgerufen wurden. Infolgedessen durfte dieser Film nicht sehr dick sein.
Mit dem Verfahren gemäß Fig. 5 kann zudem die Produktionsleistung wesentlich erhöht werden.
Das vorstehend in Verbindung mit Fig.5a bis 5n beschriebene Verfahren läßt sich auf die in Fig. 6A bis 6 E, in denen den vorher beschriebenen Bauteilen entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, in dargestellter Weise weiter abwandeln. Bei diesem abgewandelten Verfahren werden die Verfahrensschritte gemäß den Fig.5a bis 5e wiederholt, so daß im folgenden die anschließenden Verfahrensschritte anhand der Fig.6A bis 6E erläutert werden.
Ein Silizium-Substrat 10 mit dem Aufbau gemäß F i g. 5e weist einen weiteren Abschirmüberzug 58 an einer vorbestimmten Stelle der Oberseite eines Basisdiffusionsbereichs 56 auf, der vorher auf die in Verbindung mit Fig.5a beschriebene Weise im Substrat ausgebildet worden ist. Der Überzug 58 dient zur Abschirmung eines Ionenstrahls und kann zur Ausbildung von Fenstern für die Emitterdiffusion und später für eine Emitterelektrode verwendet werden.
Gemäß Fig.6B wird die Oberseite des in Fig.6A dargestellten Gebildes mit einem Ionenstrahl 42 bestrahlt, um einen Bereich 60 mit einer Dicke zu bilden, welche durch die vorher in Verbindung mit Fig.5g beschriebenen Erfordernisse bestimmt wird. Der Bereich 60 besitzt dabei schnelle Oxydationsfähigkeit.
Anschließend wird das Substrat 10 auf vorher in Verbindung mit F i g. 5c erläuterte Weise einer Hochtemperatur-Oxydationsbehandlung in einer zweckmäßigen Atmosphäre unterworfen, so daß auf dem und im Basisdiffusionsbereich 56 ein schnell oxydierter Bereich 62 gebildet wird. Hierbei ist zu beachten, daß der Bereich 62 wiederum das charakteristische Merkmal besitzt, daß ein später auf dem Basisdiffusionsbereich 56 gebildetes Fenster für die Emitterdiffusion eine kleinere Breite besitzt, als sie nach dem Photolithographieverfahren erzielt werden kann. Die resultierende Konstruktion ist in F i g. 6C dargestellt.
Sodann wird unter Ausnutzung des Dickenunterschieds zwischen einem auf dem für einen Emitterdiffusionsbereich vorgesehenen Abschnitt des Substrats gebildeten Siliziumdioxid-Film und dem um diesen Emitterdiffusionsbereich herum gelegenen, schnell oxydierten Bereich die gesamte Fläche des Siliziumdioxid-Films auf der Oberseite des Substrats 10 mit einer geeigneten Ätzlösung der vorstehend in Verbindung mit Fig.51 beschriebenen Art gleichmäßig geätzt, um gemäß F i g. 6D ein Fenster 66 für die Emitterdiffusion auszubilden. Dabei ist zu beachten, daß kein Photolithographieverfahren erforderlich ist.
Bei der Konstruktion gemäß F i g. 6D erfolgt die Emitterdiffusion auf die vorher im Zusammenhang mit F i g. 5k beschriebene Weise, worauf nach einem an sich bekannten Photoätzverfahren Fenster 72 und 74 für Emitter- und Basiselektroden ausgebildet werden. Die dabei erhaltene Konstruktion ist in F i g. 6E veranschaulicht. Ein Emitterübergang endet dabei an dem angrenzenden, schnell oxydierten Bereich, ohne mit der Oberfläche des Emitterdiffusionsbereichs zusammenzufallen. Das eben beschriebene Verfahren gewährleistet somit wiederum die beiden charakteristischen Merkmale, nämlich einmal eine Kapazitätserniedrigung infolge der Querfläche des schnell oxydierten Films und zum anderen der Verbesserung der Durchführung des chemischen Ätzvorganges zum Abtragen des Siliziumdioxid-Films im Emitterfenster beim Entfernen des Siliziumdioxid-Films in einem Fenster für eine Emitterelektrode.
Hierauf können in den Fenstern 72 und 74 Elektroden
angeordnet werden, und die Verbindung zu den Elektroden zwecks Fertigstellung des Halbleiterelements kann in an sich bekannter Weise geschehen. Bei diesem Halbleiterelement liegt das Basi.ifenster 74 praktisch auf einer Ebene mit der Unterseite des Films 68 (Fig.6E), so daß der Höhenunterschied zwischen dem Basisfenster 74 und der Bodenfläche des Emitterdiffusionsbereichs 66 kleiner ist als beim Verfahren gemäß Fig.5. Auf diese Weise kann der Basisstreuwiderstand wirksam herabgesetzt werden.
Bei der Herstellung von Halbleiterelementen unter Ausnutzung des vorher beschriebenen, schnell oxydierten Films lassen sich folgende Vorteile erzielen:
(1) Die Gesamtdicke eines Siliziumdioxid-Films — im folgenden als Oxidfilm bezeichnet — kann vergrößert werden, ohne die Dicke des auf der Oberfläche eines Halbleiter-Substrats befindlichen Abschnitts des Films zu vergrößern.
Bei Halbleiterelementen, die so ausgebildet sind, daß auf dem Oxidfilm aufgetragene bzw. überstehende Elektroden angeordnet sind, kann daher eine zusätzliche Kapazität infolge des zwischen jeder Basis- und Emitterelektrode sowie dem Kollektor befindlichen Abschnitts des Oxidfilms vermindert werden, ohne die Verbindungen zu den Elektroden zu unterbrechen. Mit anderen Worten: Durch entsprechende Auswahl der Bedingungen für die Bestrahlung mit einem Ionenstrahl, einem Elektronenstrahl, einem Neutronenfluß, radioaktiver Strahlung u.dgl. sowie der Bedingungen für die Wärmebehandlung nach dieser Bestrahlung kann der erfindungsgemäß ausgebildete Oxidfilm derart gesteuert werden, daß die Gesamtdicke dieses Films groß gehalten wird, während der auf der Oberfläche des Substrats befindliche Teil des Films auf eine zweckmäßige Dicke eingestellt werden kann.
(2) Hierbei kann auf einem Halbleiterelement jedes beliebige Muster ausgebildet werden, das feiner ist als das Muster, welcnes nach dem herkömmlichen Photolithographieverfahren unter Verwendung eines optischen Systems erzielt wird.
Indem zunächst ein Oxidfilm und sodann ein Muster bzw. Schema gebildet wird, läßt sich ein beliebiges feines Muster mit einer kleinsten zulässigen Streifenbreite von 1,0 μ oder weniger erzielen. Genauer gesagt, es wird zunächst ein Material in der Form eines Abschirmüberzugs, welcher einen Ionenstrahl, einen Elektronenstrahl od. dgl. abzuschirmen vermag, auf diejenige Fläche eines Halbleiter-Substrats aufgetragen, auf welcher ein Muster in der gewünschten Konfiguration ausgebildet werden soll. Wie erwähnt, kann es sich bei dem Abschirmmaterial um Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein Photowiderstandsmaterial u.dgl. handein. Sodann wird ein an sich bekanntes Photolithographieverfahren angewandt, um auf dem Überzug ein feines Muster mit der gewünschten Streifenbreite L auszubilden. Hierauf wird die das Muster tragende Oberfläche des Substrats mit einem Ionenstrahl, einem Elektronenstrahl od. dgl. bestrahlt, um den Bereichen der. Substrat-Oberfläche, auf welche der Abschirmüberzug nicht aufgetragen worden ist, die gewünschte schnelle Oxydationsfähigkeit zu verleihen. Nach der Bestrahlung wird der Abschirmüberzug auf passende Weise vom Substrat entfernt, worauf letzteres in einer zweckmäßigen oxydierenden Atmosphäre, beispielsweise einer Atmosphäre aus feuchtem Sauerstoff, bei 900° C oder mehr während einer für die Oxydation der Substrat-Oberfläche ausreichenden Zeitspanne erhitzt wird. Hierbei wird ein Muster erhalten, dessen Konfiguration derjenigen des ursprunglichen feinen Musters entspricht, das jedoch geringere Streifenbreite als dieses ursprüngliche Muster besitzt und welches durch den in das Substrat eingebetteten Abschnitt des schnell 5 oxydierten Bereichs gebildet wird. Die resultierende Breite L' ist hierbei kleiner als die ursprüngliche Breite L
Im Anschluß daran wird der auf dem nicht bestrahlten Bereich der Substrat-Oberfläche gebildete Oxidfilm
mittels einer zweckmäßigen chemischen Ätzlösung, z. B. Fluorwasserstoffsäure, weggeätzt Hierbei werden die gewünschten Fenster mit der Streifenbreite L', die kleiner ist als die ursprüngliche Breite L, in dem Oxidfilm auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet
(3) Die schnelle Oxydation wird dazu ausgenutzt, einen elektrisch isolierenden Oxidfilm zu bilden, der mindestens einen in das Substrat eingebetteten Abschnitt aufweist. Infolgedessen weist der isolierende Film einen dicken Abschnitt auf. Unter Verwendung dieses Isolierfilms als Diffusionsabschirmungsfilm wird dann die Diffusion durchgeführt, um einen von dem in das Substrat eingebetteten Abschnitt des Isolierfilms umschlossenen Übergang auszubilden. Der dabei erhaltene Übergang weist Enden auf, welche nicht mit der Hauptfläche des Diffusionsbereichs zusammenfallen. Der Übergang vermag daher einer höheren Spannung zu widerstehen als dies bisher möglich war.
Wenn der Übergang im Substrat mit einer kleineren Tiefe als der Dicke des in das Substrat eingebetteten schnell oxydierten Films ausgebildet wird, wodurch verhindert wird, daß der Übergang eine Krümmung erhält, kann dieser Übergang noch höheren Spannungen widerstehen. Wie erwähnt, verringert ein krümmungsfreier, mit einem Diffusionsbereich verbundener
Übergang eine vom Diffusionsbereich herrührende zusätzliche Kapazität, die bei mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen nicht vernachlässigbar niedrig ist. Genauer gesagt, kann der schnell oxydierte Film zur Bildung eines Diffusionsbereichs mit
einem krümmungsfreien Übergang in Form eines feinen Musters benutzt werden, dessen Streifenbreite z. B. in den Emitterbereichen des mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelements im Bereich von 1,0 bis 1,5 μ liegen kann. Der auf diese Weise ausgebildete Diffusionsbereich besitzt eine zusätzliche Kapazität, die nur aus einer zwischen seiner Unterseite und dem zugeordneten Kollektorbereich auftretenden Kapazität besteht. Die zusätzliche Kapazität kann daher um die an der Querfläche des Diffusionsbereichs auftretende Kapazität verringert werden.
(4) Durch die Anordnung der Fenster für die Elektroden im Oxidfilm wird der Photoätzvorgang, insbesondere für die Emitterelektrode von mit ultrahoher Frequenz arbeitenden Halbleiterelementen, erleichtert.
Wie erwähnt, liegt die Oberfläche des unter Ausnutzung des schnell oxydierten Films gebildeten Diffusionsbereichs nicht in einer Ebene mit den Enden des zugeordneten Übergangs. Selbst wenn daher der Oxidfilm auf chemischem Wege etwas zu stark angeätzt
wird, wird hierdurch sichergestellt, daß der Übergang nicht am Ende oder an den Enden der Hauptfläche des Halbleiter-Substrats freiliegt.
In den F i g. 7a bis 7j ist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welchem die Erscheinung ausgenutzt wird, daß mehrkristallines Silizium eine höhere Oxydationsgeschwindigkeit besitzt
als Silizium in Form eines Einkristalls. Daneben wird auch aus der vorher beschriebenen Feststellung Nutzen gezogen, daß mit einem Ionenstrahl od. dgl. bestrahltes kristallines Silizium eine höhere Oxydationsgeschwindigkeii besitzt als unbestrahltes Silizium.
Gemäß F i g. 7a wird die Oberfläche eines Substrats 10 aus einem Einkristall aus Silizium mit einem bestimmten Leitungstyp, beispielsweise vom P-Leittyp. mit einem Ionenstrahl bestrahlt, mit welchem in das Substrat Fremdatome desselben Leittyps wie das Substrat injiziert werden. Die beschleunigten Ionen werden hierbei in die gesamte Haupt- bzw. Oberfläche des Substrats injiziert, wie dies durch die Pfeiie iO2 in F i g. 7a dargesteiii ist. Beispiele für derartige Fremdatome sind Bor, Gallium, Indium usw., und das Fremdatom wird vorzugsweise in das Substrat mit einer Oberflächen-Fremdatomkonzentration von etwa 10H Atmosphären-cm2 (Atomen/cm3) injiziert.
Die Injektion der Fremdatomionen soll das Auftreten der sogenannten Kanalbildung verhindern, bei der die Hauptfläche des Substrats beim nächsten Verfahrensschritt teilweise auf den entgegengesetzten Leittyp übergeht. Wenn unter Verhinderung der genannten Erscheinung ein Siliziumdioxid-Film auf der Hauptfläche des Substrats 10 ausgebildet werden kann, dann kann auf die Injektion der Fremdatomionen verzichtet werden.
Anschließend wird auf der Hauptfläche des Substrats 10, in welche die Ionen injiziert worden sind, auf zweckmäßige Weise eine Siliziumdioxid-Schicht 104 angeordnet, worauf nach einem an sich bekannten Photoätzverfahren die Schicht 104 teilweise abgetragen wird und Öffnungen 106 ausgebildet werden, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist. Sodann wird ein zweckmäßiges Fremdatom, welches die dem Substrat entgegengesetzte Leitfähigkeit verleiht, wie z. b. Arsen, Phosphor od. dgl., über die Öffnungen 106 selektiv in das Substrat 100 eindiffundiert, um in das Substrat 100 eingebettete N +-Typ-Schichten 108 zu bilden. Die auf diese Weise erhaltene Konstruktion ist in F i g. 7b veranschaulicht.
Im Anschluß hieran wird nach einem an sich bekannten Epitaxial-Wachstumsverfahren Silizium auf der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebaut. Hierauf wird auf der eingebetteten N+ -Schicht 108 N-Typ-Silizium in Form eines Einkristalls unter Bildung einer N-Typ-Schicht 110 auf der Schicht 108 aufgebaut, während gemäß F i g. 7c auf der Siliziumdioxidschicht 104 eine mehrkristalline Siliziumschicht 112 zum Wachsen gebracht wird.
Hierauf wird gemäß Fig. 7d eine Schutzschicht 114 aus Siliziumnitrid (S13N4) auf beiden Siliziumschichten 110 und 112 angeordnet, wonach der auf der mehrkristallinen Siliziumschicht 112 befindliche Abschnitt dieser Schutzschicht 114 nach einem Photoätzverfahren abgetragen wird. Die dabei erhaltene Konstruktion ist in Fig.7e dargestellt Um ein Ätzen des auf der N-Typ-Schicht 110 befindlichen Abschnitts des Siliziumnidrid-Überzugs 114 zu verhindern, werden Masken 116, z. B. aus einem Photofilm, einem Siliziumdioxid-Film oder einem Gemisch daraus, auf die epitaxial gewachsenen Schichten 110 aufgebracht
Die mehrkristalline Siliziumschicht 112 wird dann zur Verringerung ihrer Dicke selektiv geätzt, während sich die Maske 116 noch auf den Schichten 110 befindet Es hat sich herausgestellt, daß die endgültige Dicke der Schicht 112 vorzugsweise etwa gleich dem Dickenunterschied zwischen der mehrkristallinen Schicht 112 und dem Siliziumdioxidfilm 104, dividiert durch einen Faktor von 2 bis 2,5, sein sollte. Wenn die gewachsene N-Typ-Schicht 110 eine Dicke von 2 μ oder weniger besitzt, kann die Dicke der Schicht 112 nach dem Ätzen etwa derjenigen des Siliziumdioxid-Films 106 entsprechen. Falls jedoch keine Gefahr für einen Bruch der Verbindungen zwischen den Elementen im endgültigen integrierten Schaltkreis besteht, kann der eben beschriebene Verfahrensschritt auch weggelassen werden.
Im Anschluß hieran wird gemäß F i g. 7g das Silizium-Substrat des Aufbaus gemäß F i g. 7f mit beschleunigten, geladenen Teilchen, wie Ionen eines zweckmäßigen Elements, z. B. Zinnionen, bombardiert. Hierbei werden die beschleunigten, geladenen Teilchen nur in die mehrkristalline Siliziumschicht 112 injiziert, da diese Schicht 112 nicht mit der Siliziumnitrid-Schutzschicht 114 oder der Maske 116 versehen ist, welche zur Verhinderung eines Eindringens von Ionen in diese Schicht dienen. Wenn zum Beschießen des Silizium-Substrats ein Element mit größerem Atomgewicht als Silizium verwendet wird, werden günstigere Ergebnisse erzielt Die für das Beschießen mit Ionen erforderliche elektrische Energie beträgt vorzugsweise mindestens 200 kV. Für den gleichen Zweck können auch Ionen von Argon, Xenon od. dgl. angewandt werden.
Nach dem Ionenbeschuß werden die Masken 116 vom Substrat entfernt, worauf das Substrat mit der in F i g. 7 h dargestellten Konfiguration einer Wärmebehandlung in oxydierender Atmosphäre bei hoher Temperatur ausgesetzt wird. Hierbei wird das, die Schicht 112 bildende mehrkristalline Silizium in Siliziumdioxid umgewandelt so daß es eine Siliziumdioxidschicht 120 vergrößerter Dicke bildet, während die Schicht 110 aus dem N-Typ-Silizium in Form eines Einkristalls infolge des Vorhandenseins der Siliziumnitrid-Schutzschicht 114, welcher die oxydierende Atmosphäre abzuschirmen vermag, nicht oxydiert wird.
Beispielsweise sei angenommen, daß die epitaxial gewachsene Schicht 110 aus Silizium in Form eines Einkristalls 2 μ dick ist, während die Siliziumdioxidschicht 104 eine Dicke von 1 μ besitzt und die mehrkristalline Siliziumschicht 112 mit den injizierten Ionen auf eine Dicke von 0,4 μ geätzt wird. Unter den angenommenen Bedingungen bewirkt eine bei einer Temperatur von 11000C vorgenommene Wärmebehandlung in einer Atmosphäre aus feuchtem Sauerstof! während einer Erwärmungszeit von etwa 40 min eine Veränderung der mehrkristallinen Siliziumschicht 112 in die Siliziumdioxidschicht 120, so daß sich das Gebilde gemäß F i g. 7i ergibt.
Im Fall der aus Silizium in Form eines Einkristalls bestehenden Schicht 110, in welche keine Ionen injizier! worden sind, muß dagegen bei anderweitig gleichblei benden Wärmebehandlungsbedingungen eine 170 mir lange Wärmebehandlung vorgenommen werden, um eir Gebilde der in Fig.7i dargestellten Art zu bilden. Mil anderen Worten: Die Oxydationszeit für die mit Ioner injizierte mehrkristalline Siliziumschicht kann auf etwi ein Viertel des Werts herabgesetzt werden, der für die einkristalline Siliziumschicht ohne injizierte Ioner erforderlich ist Infolge dieser Verkürzung der Oxyda tionszeit kann die Diffusion vom eingebetteten Bereicl 108 in die darunterliegenden N ±-Typ-Schicht IK während der Wärmebehandlung auf etwa die Hälft« oder weniger verringert werden. Auf diese Weise kam eine Verringerung der Dicke der effektiven epitaxialei Schicht die für die Bildung eines aktiven oder eine: reaktiven Bereichs zur Verfügung steht verhinder
werden, so daß bei den Transistoren im endgültigen integrierten Schaltkreis eine Erniedrigung der Spannung vermieden werden kann, welcher dem zugeordneten Basis-Kollektor-Überganp zu widerstehen vermag.
Im Anschluß an die genannten Verfahrensschritte wird die Siliziumnitrid-Schutzschicht 114 weggeätzt, worauf nach einem bekannten Planar-Verfahren nacheinander ein P-Typ-Basisbereich 122 in der N Typ-Schicht UO und ein N-Typ-Emiiter-Bereich 124 im Basisbereich 122 bei gleichzeitiger Aufbringung einer Siliziumdioxidschicht 126 auf die Oberflächen der Schichten 110 und 112 sowie der Bereiche 122 und 124 ausgebildet werden. Die fertige Konstruktion ist in F i g. 7j dargestellt.
Die in Fig. 7 j dargestellte, die aktiven und/oder reaktiven Elemente enthaltende Konstruktion wird in ihrer Siliziumdioxidschicht 126 mit öffnung für die Elektroden versehen, worauf zur Fertigstellung des integrierten Schaltkreises die Verbindungen zwischen den Elementen hergestellt werden. In der Zeichnung sind jedoch die öffnungen, Elektroden u.dgl. nicht dargestellt.
Wie erwähnt, kann durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung eines integrierten Schaltkreises auf Grund der Erhöhung der Oxydationsgeschwindigkeit des mit Ionen injizierten, mehrkristallinen Siliziums die Zeitspanne der Hochtemperatur-Wärmebehandlung zur Ausbildung von Trennungsbereichen zwischen den Elementen verkürzt werden. Hierdurch wird die vorher im Substrat gebildete Fremdatomverteilung an einer Änderung gehindert, und insbesondere werden dabei die Fremdatome im eingebetteten Bereich an einer Diffusion zum zugeordneten Basis-Kollektor-Übergang gehindert, wordurch eine Herabsetzung der Spannung vermieden wird, welcher dieser Übergang zu widerstehen vermag. Auf diese Weise können ohne weiteres integrierte Schaltkreise entworfen werden. Da außerdem die Abweichung der Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs zwischen einzelnen Halbleiterelementen verringert werden kann, können die Verfahrensschritte der Hervorbringung der Emitterdiffusion, der Steuerung eines Stromverstärkungsgrads usw. stabilisiert werden. Wegen der Verkürzung der Zeitspanne der Hochtemperaturbehandlung ist es außerdem möglich, die in Silizium in form eines Einkristalls entwickelten Spannungen und Beanspruchungen zu vermeiden, die bei dieser Wärmebehandlung infolge eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Siliziumnitrid und Silizium hervorgerufen werden. Aus der vorstehenden Beschreibung geht somit hervor, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren integrierte Schaltkreise mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden können.
Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen kann außerdem zur Bildung von Trennungsbereichen durch Oxydation des mit Ionen injizierten mehrkristallinen Siliziums die Oxydationsgeschwindigkeit infolge der Injektion von Ionen lediglich in Richtung der Tiefe des Substrats effektiv erhöht werden, während sich die injizierten Ionen in praktisch vernachlässigbarem Ausmaß in Querrichtung des Substrats ausbreiten. Infolgedessen kann der endgültige integrierte Schaltkreis eine höhere Verteilungsdichte seiner Bauteile besitzen.
Zusammenfassend wird also ein Siliziumsubstrat selektiv mit Ionen injiziert und in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt. Dabei wird auf dem Substrat ein Oxidfilm gebildet, so daß Teile des Films, die auf den mit den Ionen injizierten Bereichen gebildet werden, teilweise in das Substrat eingebettet sind. Danach wird der Film geätzt, bis die Substratoberfläche selektiv freigelegt ist. In die freiliegenden Oberflächenabschnitte werden Fremdatome bzw. ein Störstoff eindiffundiert, um Basisbereiche im Substrat auszubilden, worauf der vorgenannte Verfahrensschritt zur Bildung von Fenstern für die Emitterdiffusion und für Elektroden wiederholt wird. Außerdem wird durch epitaxiaies Wachstum auf einem selektiv mit SiO2-Filmen versehenen Siliziumsubstrat Silizium aufgebaut, derart, daß Silizium in Form eines Einkristalls auf den freiliegenden Oberflächenabschnitten des Substrats gebildet wird, während auf den SiO2-Filmen mehrkristallines Silizium durch Wachstum erzeugt wird. Die genannten Schritte werden wiederholt, um das mehrkristalline Silizium in Siliziumdioxid umzuwandeln und die Siliziumbereiche auf den freiliegenden Oberflächenabschnitten voneinander zu trennen.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit selektiv auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordneten Schichten aus einem Oxid des Substratmaterials, bei dem auf ausgewählte Bereiche der Substratoberfläche Abschirmüberzüge zur Abschirmung von geladenen und beschleunigten Teilchen ausgebildet und die Substratoberfläche mit beschleunigten und geladenen Teilchen bestrahlt wird, um die geladenen Teilchen in die nicht durch die Abschirmüberzüge abgedeckten Bereiche der Substratoberfläche zu injizieren, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Injektion der geladenen Teilchen die Abschirmüberzüge (40; 116) von der Substratoberfläche entfernt werden, daß anschließend das bestrahlte Substrat (10) in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, so daß sich das Halbleitermaterial der Injektionsbereiche des Substrats (10) schneller in Oxid umwandelt als das der injektionsfreien Bereiche des Substrats, und daß die gebildete Oxidschicht (46, 48) oder eine über den nicht bestrahlten Bereichen liegende Schutzschicht (114) gegen die oxidierende Atmosphäre von der Substratoberfläche so lange abgetragen wird, bis das Halbleitersubstrat in den ursprünglich mit den Abschirmüberzügen (40; 116) abgedeckten Bereichen seiner Oberfläche freigelegt ist und nur in den Injektionsbereichen eine Oxidschicht auf der Substratoberfläche verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat einkristallines Silizium verwendet wird und daß als geladene Teilchen Ionen eines Elements wie Indium, Gallium, Antimon, Zinn und Arsen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend eine bestimmte Leitfähigkeit verleihende Fremdatome oder ein Störstoff in die Oberfläche der freigelegten Bereiche des Halbleitersubstrats eindiffundiert werden bzw. wird, um Übergänge zu bilden, die an den in das Substrat eingebetteten Abschnitten des Oxidfilms enden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ausbildung dieser ersten Diffusionsbereiche auf Teilen der Oberfläche der freigelegten Bereiche des Halbleitersubstrats zweite Abschirmüberzüge vorgesehen werden, daß eine zweite Art geladener Teilchen in diejenige Bereiche der freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats injiziert werden, auf denen die zweiten Abschirmüberzüge nicht ausgebildet sind, um im Substrat zweite Injektionsbereiche auszubilden, daß anschließend die zweiten Abschirmüberzüge von der Substratoberfläche entfernt werden, daß das Substrat in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, um eine zweite Oxidschicht auf der Substratoberfläche einschließlich der mit den zweiten geladenen Teilchen injizierten Bereiche zu bilden, daß die zweite Oxidisolierung selektiv von der Substratoberfläche abgetragen wird, so daß die Substratoberfläche teilweise freigelegt wird, und daß eine zweiie Leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die nunmehr freigelegten Oberflächenabschnitte des Substrats eindiffundiert werden, um im Substrat zweite Diffusionsbereiche derart herzustellen, daß die Enden der Übergänge von den in das Substrat eingebetteten Abschnitten der zweiten Oxidisolierung umschlossen sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Überzüge zur Abschirmung der geladenen Teilchen aus Filmen aus einem Material wie Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Molybdän, Wolfram oder Gemischen daraus hergestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausbilden der Abschirmüberzüge auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einem ersten Leitfähigkeitstyp sowohl eine Schicht aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps in Form eines Einkristalls als auch eine Schicht aus einem mehrkristallinen Halbleitermaterial angeordnet werden, und daß dann die Abschirmüberzüge auf die Oberfläche des Einkristalls aufgebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausbilden der Abschirmüberzüge eine zweite Leitfähigkeit verleihende Fremdatome in die von einer Oxidmaske (104) nicht bedeckten Abschnitte der Substratoberfläche mit einem ersten Leitfähigkeitstyp eindiffundiert werden, um im Substrat Diffusionsbereiche (108) zu bilden, daß anschließend durch epitaxiales Wachstum Halbleitermaterial auf der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebaut wird, so daß auf jedem Diffüsionsbereich (108) eine Schicht aus Halbleitermaterial in Form eines Einkristalls (110) und auf der Oxidmaske (104) eine Schicht (112) des Halbleitermaterials in mehrkristalliner Form gebildet wird, und daß dann die Abschirmüberzüge (116) auf die Oberfläche des Einkristalls (110) aufgebracht werden.
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