DE3129755C2 - Verfahren zur Herstellung einer I↑2↑L-Halbleiterschaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung weist Halbleiter-Inselzonen (13) eines ersten Leitungstyps auf, die dielektrisch voneinander getrennt sind. In jeder Inselzone (13) sind eine erste und eine zweite Senkenzone (15, 16) eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps ausgebildet. Die erste Senkenzone (16), die Inselzone (13) und die zweite Senkenzone (15) bilden einen Lateraltransistor. In der ersten Senkenzone (16) ist mindestens eine Halbleiterzone (17) des ersten Leitungstyps ausgebildet. Diese Halbleiterzone (17), die erste Senkenzone (16) und die Inselzone (13) bilden einen Vertikaltransistor. Auf einem Abschnitt bzw. auf der Oberfläche der Inselzone (13) ist eine erste Isolierschicht (19) vorgesehen, die zumindest den Übergang bzw. die Sperrschicht zwischen der Halbleiterzone (17) und der ersten Senkenzone (16) bedeckt und sich über die erste Senkenzone (16) erstreckt. Eine mit einem Fremd atom des ersten Leitungstyps dotierte polykristalline Siliziumschicht (18) ist so ausgebildet, daß sie die Halbleiterzone (17) und einen Teil der ersten Isolierschicht (19) bedeckt.

Description

dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Verfahrensschritt a) und vor dem Verfahrensschritt b) eine zweite Isolierschicht (19, 19a, 19b) ausgebildet wird, welche zumindest die Oberfläche der Kollektorzone (16) bedeckt,
daß die zweite Isolierschicht (19, 19a, 196; zur Bildung von freiliegenden und nichtfreiliegenden Flächen der Kollektorzone selektiv geätzt wird,
daß die polykristalline Siliziumschicht (18) im Verfahrensschritt b) so ausgebildet wird, daß sie auch einen Teil der Oberfläche der zweiten Isolierschicht bedeckt und

daß nach dem Verfahrensschritt d) der freiliegende Teil der zweiten Isolierschicht (19, 19a, \9b) unter Benutzung der ersten Isolierschicht (22) als Maske so geätzt wird, daß die Kollektorzone (16) teilweise freiliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht (19a,) aus Siliziumnitrid hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht (19) aus einer Siliziumoxidschicht (19b) und einer auf letzterer ausgebildeten Siliziumnitridschicht (19a,) hergestellt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer I²L-Halbleiterschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Verfahren ist aus IEDM 1979, Technical Digest, S. 201 - 204, bekannt.

Diese Literaturstelle zeigt, daß eine Gate-Verzögerung von 0,9 ns erzielt werden konnte. Diese I²L-Konstruktion verwendet eine vertiefte bzw. ausgesparte Oxidschicht zur Herabsetzung der Seitenwandkapazität. Oberseitige Kollektoren von inversen npn-Transistoren werden durch Arsendolierung aus einer unmittelbar auf einer epkaxialen Schicht ausgebildeten polykristallinen Siliziumschicht geformt. Die Oberfläche und die Seitenwände dieser arsendotierten polykristallinen Siliziumschicht werden oxidiert, worauf so geätzt wird, daß die oxidierten Schichten auf den Seiten wänden oder -flächen dieser Siliziumschicht zurückbleiben. Auf diese Weise werden die Basis-Kontaktlöcher selbsttätig auf die Ränder der Kollektoren ausgerichtet

Dieses Verfahren stützt sich suf die Tatsache, daß die Oxidationsgeschwindigkeit von polykristallinen! Silizium, das mit einer großen Fremdatommenge dotiert ist, wesentlich größer ist als diejenige einer epitaxialen Siliziumschicht. Wenn nämlich die dotierte polykristalline Siliziumschicht oxidiert wird, bildet sich auf ihrer Oberfläche und ihren Seitenflächen eine vergleichsweise dikke Oxidschicht während auf der epitaxialen Schicht nur eine sehr dünne Oxidschicht entsteht Aus diesem Grund bleibt auch nach dem Ätzen der dünnen Oxidschicht auf der epitaxialen Schicht die dicke Oxidschicht auf den Seitenflächen der dotierten polykristallinen Siliziumschicht zurück, so daß das Basis-Kontaktloch mit Selbstjustierung zwischen den Seitenflächen geformt werden kann.

Wenn jedoch (vgl. hierzu IEDM 1979, Technical Digest, S. 201—204), wie sich aus der Teilschnittdarstellung von Fig. 1 ergibt, eine epitaxiale Schicht 1 zur Ausbildung eines oberseitigen Kollektors 2 lief mit Arsen dotiert wird, diffundiert das Arsen gleicn/citig auch in seitlicher Richtung. Beim Ätzen einer Oxidschicht 4 werden daher auch deren auf den Seitenflächen einer polykristallinen Siliziumschicht 3 befindlichen Teile weggeätzt. Hierbei kann ohne weiteres der Übergang bzw. die Sperrschicht des oberseitigen Kollektors 2 und der epitaxialen Schicht (Basis) 1 freigelegt werden. Wenn sodann eine Metallschicht 5 ausgebildet wird, können Kollektor und Basis gegeneinander kurzgcschlossen werden. Auch wenn die Fremdatomdiffusion in den Kollektor nur flach erfolgt, ist es schwierig, eine Oxidschicht ausreichender Dicke auf den Seitenflächen der polykristallinen Siliziumschicht in der Nähe der Grenzfläche zwischen dieser Siliziumschichi und der epitaxialen Schicht auszubilden. Die Kollektor-Basis-Sperrschicht kann somit beim Ätzen der Oxidschicht freigelegt werden, wodurch ein Kurzschluß eingeführt wird. Obgleich die bisherigen I²L-Schaltungen ausgezeichnete Betriebseigenschaften besitzen, sind sie eben mit dem Mangel behaftet, daß dabei ein Kollcktor-Basis-Kurzschluß auftreten kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer PL-Halbleiterschaltungsanordnung der oben genannten Art zu schaffen, bei der die Vorteile der beschriebenen Halbleiterschaltungsanordnung erhalten werden, ohne daß die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen Kollektor und Basis in Kauf genommen werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
F i g. 1 eine Teilschnittansicht eines kurzgcschlossenen Teils einer Kollektor-Basis-Sperrschicht bei einer !^-Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik. Fig. 2 eine Teil-Schnittansicht einer Halbleilcrschaltungsanordnung,

Fig. 3A bis 3F Schnittansichten /.ur Verunschaulichung aufeinanderfolgender Verfahrcnsschriite bei einem Verfahren zur Herstellung der Halbleiterschal· tungsanordnung nach F i g. 2,

F i g. 4 eine Aufsieht auf die Anordnung nach Fi g. 31'

Fig. 5 und 6 Schnittansichten anderer Ausführungsformen.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig.2 veranschaulicht eine I²L-Halbleiter-Schallungsanordnung. Diese Halbleiterschaltungsanordnung weist ein n ⁺ -Typ-Haltbleitersubstrat 11 und eine aui diesem ausgebildete epitaxiale n-Typ-Schicht 13 auf. Diese epitaxiale Schicht 13 ist von benachbarten epitaxialen Schichten unter Festlegung einer Inselzone durch jeweils eine versenkte Oxidschicht 12 getrennt In dieser Inselzone 13 sind voneinander getrennte p-Typ-Zonen

15 und 16 ausgebildet Auf diesen Zonen IS und 16 sowie auf dem freiliegenden Teil der epitaxialen Schicht 13 ist eine isolierschicht 14 ausgebildet Diese Zonen 15 und

16 sowie die epitaxiale Schicht 13 bilden einen pnp-Laleraltransistor, bei dein die Zone 15 den Emitter bzw. Injektor, die epitaxiale Schicht 13 die Basis und die Zone 16 den eigentüchen Kollektor biJden.

In der p-Typ-Kollektorzone 16 sind n-Typ-Zonen 17 ausgebildet. Die n-Typ-Zone 17, die p-Typ-Kollektorzonc 16 und die epitaxiale Schicht 13 bilden einen »umgekehrten« npn-Vertikaltransistor bei dem die n-Typ-Zonc 17 den Kollektor, die p-Typ-Kollektorzone 16 die Basis und die epitaxiale Schicht 13 den Emitter bilden.

Eine die n-Typ-Zone 17 umgebende (zweite) Isolierschicht 19 ist unmittelbar unter dem Rand der dotierten polykristallinen Siliziumschicht 18 ausgebildet, d. h. aus der p-Typ-Kollektorzone 16, und zwar derart, daß sie zumindest den Übergang bzw. die Sperrschicht der oberseitigen n-Typ-Kollektorzone 17 mit der p-Typ-Kollektorzone 16 bedeckt und sich über eine Strecke W auf der p-Typ-Kollektorzone 16 erstreckt. Diese Er-Streckung Wder Isolierschicht 19 ist so groß gewählt, düß die Sperrschicht zwischen dem oberseitigen p-Typ-Kollektor 17 und der p-Typ-Kollektorzone 16 nicht freigelegt wird, wenn die dotierte polykristallinen Siliziumschicht 18 zur selektiven Zurücklassung von Teilen derselben sowie zur Ausbildung von Basis-Kontaktlöchern 20 gcät/.t wird. Diese Erstreckung W muß daher unter Berücksichtigung der Maskengenauigkeit und der seitlichen Äizstrecke bestimmt werden. In der Praxis kann diese Erstreckung W2 bis 3 μίτι betragen. Aufgrund des Vorhandenseins dieser Isolierschicht 19 wird die Kollektor-Basis-Sperrschicht des npn-Vertikaltransistors nicht freigelegt und bei der Ausbildung einer Metallschicht 21 wird somit ein Kurzschluß zwischen dem Kollektor und der Basis verhindert.

Die dotierte polykristalline Siliziumschicht 18 dient auch als Kollektoranschluß. Auf der Oberfläche und auf den Seitenflächen der zurückgebliebenen Muster dieser Siliziumschicht 18 ist außerdem eine erste Isolierschicht 22 vorgesehen, welche die Siliziumschicht 18 gegenüber der Metallschicht 21 isoliert.

Im folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung der I lalbleitcrschaltungsanordnung mit dem beschriebenen Aufbau zunächst anhand der F i g. 3A bis 3F und 4 und sodann anhand der F i g. 5 und 6 erläutert.

Zunächst wird gemäß F i g. 3A die epitaxiale Siliziumschicht 13 mit einer Dicke von 0,5 bis 1,5 μπι und einer π Typ-Fremdatomkonzentration von 1 χ ΙΟ¹⁵ bis ^r) χ 10¹⁶CMi ' auf einem η+ -Typ-Halbleitersubstrat, ζ. Β. einem η '-Siliziumsubstrat 11 ausgebildet. Sodann werden zur Festlegung von Inselzonen die beispielsweise I iim dicken versenkten Oxidschichten 12 durch Ätzen und Oxidation mit Maske geformt.

Sodann wird gemäß F i g. 3B auf der Oberfläche jeder Inselzone eine streifenförmige, z. B. etwa 0,4 um dicke Oxid-Isolierschicht 14 ausgebildet Unter Heranziehung dieser Oxidschicht 14 als Maske werden p-Typ-Fremdatome, ".vie Bor, von der nach außen hin freiliegenden Oberfläche der Inselzone 13 aus eindiffundiert um p-Typ-Zonen 15 und 16 zu formen. Die Diffusionstiefe kann dabei z. B. 0,6 μπι betragen, und der Schichtwiderstand der Zonen 15 und 16 kann bei 250 Ω/D bzw. Ω/cm² liegen. Bei diesem Diffusionsvorgang wird auf der freiliegenden Oberfläche der Inselzone 13 eine dünne Siliziumoxidschicht 19i> mit einer Dicke von z. B. etwa 0,05 μΐη ausgebildet Im nächsten, in Fig. 3C veranschaulichten Verfahrensschritt wird eine Isolierschicht, z. B. eine Siliziumnitridschicht 19a mit einer Dicke von 0,1 um nach einem chemischen Aufdampfverfahren (CVD) auf der gesamten Oberfläche der Anordnung nach Fig.3B ausgebildet, ohne daß die Siliziumoxidschicht 19fe entfernt wird. Sodann werden die Siliziumnitridschicht 19a und anschließend die Siliziumoxidschicht 19£>auf den p-Typ-Kollektorzonen 16 nach einem Photoätzverfahren zur Ausbildung von Kollektor-Kontaktlöchern 23 selektiv geätzt. Hierauf wird gemäß F i g. 3D auf der Gesamtoberfläche der Anordnung die beispielsweise etwa 0,4 μίτι dicke polykristalline Siliziumschicht 18, die in hoher Konzentration von z.B. ΙΟ¹⁹ bis 10²¹ cm-^J mit n-Typ-Fremdatomen, wie Phosphor oder Arsen, dotiert ist, ausgebildet. Die Ausbildung dieser dotierten, polykristallinen Siliziumschicht 18 kann durch unmittelbares Niederschlagen von dotiertem polykristallinen Silizium in einer n-Typ-Fremdatome enthaltenden Atmosphäre nach dem chemischen Aufdampfverfahren erfolgen; wahlweise kann nach dem chemischen Aufdampfverfahren undotiertes polykristallines Silizium niedergeschlagen und dann mit einem lonenimplantationsverfahren mit vorbestimmten n-Typ-Fremdatomen dotiert werden. Auf die zuletzt beschriebene Weise kann diese Siliziumschicht 18 gleichmäßiger und schneller hergestellt werden, weil sich undotiertes polykristallines Silizium schneller niederschlagen läßt.

Im nächsten Verfahrensschritt wird die dotierte polykristalline Siliziumsrhicht 18 selektiv weggeätzt, wobei die Teile dieser Siliziumschicht zurückbleiben, unter denen Kollektoren ausgebildet werden sollen und die sich zum Teil auf den Siliziumnitridschichten 19a befinden, so daß Löcher 24 gebildet werden, durch welche hindurch die Siliziumnitridschichten 19a nach außen freiliegen. Anschließend werden die Kollektorzonen 17 ausgebildet, indem die in der dotierten polykristallinen Siliziumschicht 18 enthaltenen Fremdatome durch Erwärmung auf etwa 800 bis 1000⁰C in einer Sauerstoff atmosphäre oder in (Wasser-)Dampf eindiffundiert werden. Gleichzeitig damit werden auf den Oberflächen und Seitenflächen der verbliebenen Teile der freigelegten polykristallinen Siliziumschicht 18 (vgl. F i g. 3E) dicke Siliziumoxidschichten 22 mit einer Dicke von z. B. 0,2 μπι bis 0,3 μιτι ausgebildet. Bei diesem Vorgang werden die nach außen freiliegenden Siliziumnitridschichten 19a nicht oxidiert.

Im nächsten Verfahrensschritt gemäß Fig. 3F werden unter Benutzung der Siliziumoxidschichten 22 als Maske die freiliegenden Siliziumnitridschichten 19a durch reaktives lonenätzen oder Plasmaätzen geätzt, während die freiliegenden Siliziumoxidschichten 196 unter Benutzung der restlichen Siliziumnitridschicht 19a als Maske geätzt werden. Da die Siliziumoxidschichten 22 ausreichend (z. B. 4- bis 6mal) dicker sind als die Siliziumoxidschichten 196, werden sie beim Ätzvorgang

nicht abgetragen. Auf diese Weise werden die Basis-Kontaktlöcher 20 mit Selbstausrichtung bzw. -justierung ausgebildet. Mit anderen Worten: Die Basis-Kontaktlöcher 20 werden ohne die Notwendigkeit für eine Maskenjustierung geformt. Zum besseren Verständnis der Erfindung veranschaulicht Fig. 4 die Anordnung nach F i g. 3F schematisch in Aufsicht.

Schließlich wird eine Metallschicht, etwa eine Aluminiumschicht (die Aluminiumschicht 21 gemäß Fig. 2), auf der Oberfläche des in Fig. 3F dargestellten Gebildes geformt. Nach einer vorbestimmten Musterformung dieser Aluminiumschicht 21 wird die in Fig. 2 dargestellte I²L-Halbleiterschaltungsanordnung erhalten.

Bei der beschriebenen Anordnung kann ein Kurz-Schluß zwischen Kollektor und Basis des npn-Vertikaltransistors durch die Siliziumnitridschichten 19a im wesentlichen auch dann verhindert werden, wenn die Siliziumoxidschichten 196 nicht vorgesehen sind. Wenn jedoch die Siliziumnitridschichten unmittelbar auf Silizium ausgebildet werden, kann an ihrer Grenzfläche eine Kristallversetzung auftreten. Aus diesem Grund werden bevorzugt die Siliziumoxidschichten 19ö ausgebildet, um diese Kristallversetzung möglichst klein zu halten.

Die durch thermische Oxidation der polykristallinen Siliziumschicht hergestellten Siliziumoxidschichten 22 neigen zur Bildung von Feinlöchern, wobei gelegentlich ein Kurzschluß zwischen den Metallschichten 21 und den polykristallinen Siliziumschicht 18 auftreten kann. Zur Vermeidung dieser Erscheinung kann nach der Herstellung des Gebildes gemäß Fi g. 3D nach dem chemischen Aufdampfverfahren gemäß F i g. 5 eine Siliziumoxidschicht 50 auf der polykristallinen Siiiziumschicht 18 ausgebildet werden, worauf die angestrebte Halbleiterschaltungsanordnung nach dem anhand der F i g. 3E und 3F beschriebenen Verfahren hergestellt bzw. fertiggestellt werden kann. Nach dem Eindiffundieren der Fremdatome zur Herstellung der Kollektoren wird die Oxidschicht 50 erwärmt, so daß sie eine Dichte erhält, welche derjenigen einer thermisch oxidierten Schicht vergleichbar ist.

Weiterhin können gemäß Fig. 6 dünne polykristalline Siliziumschichten 60, die p-Typ-Fremdatome, z. B. Bor. mit einer Konzentration von IxIO¹⁹ bis 1 χ 10²⁰cm- ¹ enthalten, in einer Dicke von z. B. 0,2 μπι bis 03 μπι auf den durch die Basis-Kontaktlöcher 20 hindurch nach außen freiliegenden Teilen der Senkenzonen 16 ausgebildet werden, wonach die Aluminiumschicht 21 auf dieser Anordnung ausgebildet und gemustert werden kann. Auf diese Weise kann eine Trennung der Aiuminiumschicht 21 aufgrund der überhängenden Anordnung beim Ätzen der Siliziumoxidschichten 19£> nach dem Ätzen der Siliziumnitridschichten 19a verhindert werden. Weiterhin wird durch das Eindiffundieren der p-Typ-Fremdatome aus der polykristallinen SiIiziumschicht 60 die Kollektor-Basis-Sperrschicht des npn-Vertikaltransistors weiter nach einwärts verlagert Außerdem kann durch Ausbildung der Schicht 60 der Basis-Kontaktwiderstand wirksam herabgesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer I²L-Halbleiterschaltungsanordnung mit folgenden Verfahrensschritten:

a) in einer dielektrisch isolierten Halbleiter-Inselzone eines ersten Leitungstyps werden eine Emitter- und eine Kollektorzone eines zweiten, dem ersten Leitungstyps entgegengesetzten Leitungstyps so ausgebildet, daß ein Lateraltransistor durch die Emitterzone, die Kollektorzone und die Inselzone gebildet wird,

b) eine, Dotierstoffe des ersten Leitungstyps enthaltende polykristalline Siliziumschicht wird so ausgebildet, daß sie die freiliegende Fläche der Kollektorzone zumindest teilweise bedeckt,

c) eine Halbleiterzone des ersten Leitungstyps wird in der Kollektorzone durch Ausdiffusion der Dotierstoffe aus der polykristallinen SiIiziumschicht gebildet und

d) eine erste Isolierschicht wird auf der Oberfläche und der Seitenflächen der polykristallinen Siliziumschicht ausgebildet,