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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
eines SOI-Wafers durch Annealen bzw. Glühen und Oxidieren der vergrabenen
Kanäle.
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Wie
entsprechend eines Lösungsweges
bekannt ist, welcher aktuell sehr auf dem Sektor der Mikroelektronikindustrie
verbreitet ist, erhält
man das Substrat von integrierten Einrichtungen aus monokristallinen
Siliciumwafern. In den letzten Jahren wurden als eine Alternative
für Wafer,
welche allein aus Silicium hergestellt sind, schichtweise aufgebaute Wafer
vorgeschlagen, nämlich
die so genannten Silicium-auf-Isolator-(SOI-)Wafer, welche aus zwei Siliciumschichten
bestehen, von denen eine dünner
als die andere ist und welche durch eine Siliciumdioxidschicht getrennt
sind.
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Jedoch
beinhaltet das Herstellen von SOI-Wafern einige Probleme, speziell
bezüglich
der Komplexität
und der Kosten des Verfahrens und der Qualität der dünneren Siliciumschicht. Tatsächlich ist diese
Schicht so gestaltet, um sowohl elektronische Hochleistungs- als
auch Niedrigleistungseinrichtungen aufzunehmen, und das Vorhandensein
von kristallographischen Defekten kann irreparabel die Effizienz
der Einrichtungen beeinträchtigen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen von SOI-Wafern, welches speziell die obigen
Probleme angeht, wird in der EP 1 073 112-A, eingereicht am 26.
Juli 1999 im Namen der vorliegenden Anmelderin, beschrieben.
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Dieses
Verfahren befasst sich mit dem anfänglichen Bilden einer Vielzahl
von Gräben,
welche im Wesentlichen parallel und durch Siliciumzwischenwände voneinander
getrennt sind, in einem Substrat aus Halbleitermaterial, z.B. monokristallinem
Silicium. Um die Gräben
zu öffnen,
ist das Substrat anisotropisch geätzt, wobei eine feste Maske genutzt
wird, welche z.B. eine Unterbauoxidschicht und eine Siliciumnitridschicht
aufweist.
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Nachfolgend
werden durch isotropisches Ätzen
von Silicium die Gräben
aufgeweitet, um so die Zwischenwände
auszudünnen
und um Hohlräume bzw.
Ausnehmungen zu bilden, welche sich unterhalb der Oberfläche des
Substrates erstrecken, welches bei dieser Stufe noch durch die feste
Maske geschützt
ist.
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Die
Hohlräume
bzw. Aussparungen werden dann mit einer Sperr-Siliciumdioxid-Schicht gefüllt, und
die feste Maske wird entfernt, so dass die Oberfläche des
Substrats unbedeckt gelassen wird.
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Als
Nächstes
wird ein epitaxialer Wachstumsprozess ausgeführt. In dieser Stufe wächst das
Silicium auf der oberen Seite des Substrats und expandiert lateral,
um so eine gleichmäßige Epitaxialschicht
zu bilden, welche den Eingang der Hohlräume bedeckt. Jedoch verhindert
die Sperrschicht, dass das Silicium innerhalb der Hohlräume wächst, welche
demnach nicht gefüllt
werden und eingegrabene Kanäle
bilden.
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Durch
das Benutzen eines zweiten anisotropischen Ätzens werden Verbindungsgräben geöffnet, welche
eine derartige Tiefe besitzen, dass sie bis zu den Hohlräumen reichen.
Durch die Verbindungsgräben
wird dann ein thermischer Oxidationsschritt durchgeführt, so
dass die Zwischenwände,
welche die Hohlräume
trennen, vollständig
oxidiert werden, und die Hohlräume
werden mit Siliciumdioxid gefüllt. Dadurch
wird ein kontinuierlicher Iso lierbereich gebildet, welcher das Substrat
und die Epitaxialschicht voneinander trennt.
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Mit
dem Verfahren, welches in der oben erwähnten Patentanmeldung vorgestellt
wurde, werden SOI-Wafer mit hoher Qualität erzielt, vor allem bezüglich der
kristallographischen Eigenschaften der Epitaxialschicht, es hat
jedoch einige Grenzen bzw. Einschränkungen.
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Tatsächlich sind
die Herstellschritte, welche zum Bilden des Isolierbereiches erforderlich
sind, zahlreich und komplex und führen dazu, dass das Herstellen
der Wafer kostenaufwändig
ist. Als Erstes muss während
des isotropischen Ätzens
zum Aufweiten der Gräben
und zum Bilden der Hohlräume die
Oberfläche
des Substrates geschützt
werden, speziell mit der festen Maske. Das Bilden dieser Maske erfordert
jedoch wenigstens einen Oxidationsschritt, einen Ablagerungsschritt
für die
Siliciumnitridschicht und einen Definitionsschritt, wobei eine weitere
Resist-Maske benutzt wird. Die feste Maske muss außerdem durch
weitere spezielle Schritte entfernt werden.
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Als
Zweites, bevor das epitaxiale Wachsenlassen ausgeführt wird,
müssen
die Hohlräume
mit der Sperrschicht gefüllt
werden; anderenfalls würden tatsächlich die
Zwischenwände
dicker werden und könnten
nachfolgend nicht weiter vollständig
oxidiert werden. Zusätzlich
ist es notwendig, sehr präzise
die Breite der Sperrschicht zu kalibrieren, welche teilweise während des
Entfernens der festen Maske entfernt wird.
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Ein
Beispiel für
ein Verfahren zum Herstellen von Silicium auf Kerb-(SON-)Strukturen
durch Wandeln von Sub-Mikrometer-Gräben in leere Räume in Silicium
wird in Tsunashima Y et al. beschrieben: A new substrate structure
engineering technique to realize silicon on noching (SON) structure
utilizing transformation of sub-micron trenches to empty space in
silicon (ESS) by surface migration" HIGH PURITY SILICON VI. PROCEEDINGS
OF THE SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM (ELECTRO-CHEMICAL SOCIETY PROCEDDINGS
BAND 2000-17) (SPIE BAND 4218), PHOENIX, AZ, USA, 22.-27. OKT. 2000,
S. 532-545.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb dar in, die Nachteile
des oben beschriebenen Herstellprozesses zu überwinden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von
SOI-Wafern durch Glühen
und Oxidieren von eingegrabenen Kanälen beschrieben, wie es in
Anspruch 1 definiert ist.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
derselben beschrieben, rein als nicht eingrenzendes Beispiel, mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen,
in welchen:
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1-4 Querschnittsansichten
eines Wafers aus Halbleitermaterial in aufeinander folgenden Herstellschritten
entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind;
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5 eine
Draufsicht auf den Wafer der 4 ist;
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6 eine
Querschnittsansicht des Wafers der 5 entsprechend
der Linie VI-VI ist;
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7-10 Querschnittsansichten
des Wafers der 5 entsprechend einer Linie VII-VII
in aufeinander folgenden Herstellschritten sind;
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11 eine
Draufsicht eines Wafers aus Halbleitermaterial in einem Anfangsherstellschritt entsprechend
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist;
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12 und 13 Querschnittsansichten des
Wafers der
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11 entsprechend
jeweils der Linien XII-XII und XIII-XIII sind, und
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14 dieselbe
Ansicht wie in 12 für einen nachfolgenden Herstellschritt
des Wafers wiedergibt.
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In 1 wird
ein Wafer aus Halbleitermaterial, z.B. aus monokristallinem Silicium,
mit 1 bezeichnet und weist ein Substrat 2 auf.
In einem Anfangsschritt des Verfahrens entsprechend der Erfindung wird
eine Resist- bzw. Schutzschicht direkt auf der Oberseite einer Fläche 3 des
Wafers 1 aufgebracht und ist dafür bestimmt, eine Maske 4 zu
bilden.
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Als
Nächstes
wird das Substrat 2 anisotropisch geätzt, z.B. durch einen STS-Ätzvorgang,
und tiefe Gräben 5 werden
an den Bereichen links, welche durch die Maske 4 unbedeckt
sind, geöffnet,
wie dies in 2 gezeigt wird. Detaillierter
ausgedrückt, die
tiefen Gräben 5 sind
im Wesentlichen geradlinig und erstrecken sich parallel zueinander
in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene. Alle tiefen Gräben 5 haben
eine Anfangshöhe
H und eine gleiche Anfangsbreite W und sind voneinander durch eine Wand 7 getrennt,
welche eine Anfangsbreite von S besitzt. Die Anfangsbreite W der
tiefen Gräben 5 ist im
Wesentlichen gleich der Anfangsbreite S der Wände 7 (z.B. 1 µm), während die
Anfangstiefe H wesentlich größer ist;
vorzugsweise ist das Verhältnis
zwischen der Anfangstiefe H und der Anfangsbreite W nicht kleiner
als 5.
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Als
Nächstes
wird die Maske 4 entfernt, und ein epitaxiales Wachsenlassen
wird durchgeführt (3).
Das Silicium wächst um
einen gesteuerten Betrag auf der obersten Oberfläche der Vorderseite 3 des
Wafers 1 und erstreckt sich lateral, bis es die Eintrittsöffnungen
zu den tiefen Gräben 5 schließt, wobei demnach
praktisch vergrabene Kanäle 8 gebildet werden,
welche in dem Wafer 1 eingebettet sind und vollständig von
Silicium umgeben sind. In einer Anfangsstufe des epitaxialen Wachsenlassens
wächst Silicium
also innerhalb der tiefen Gräben 5,
bevor die letzteren an der obersten Seite geschlossen werden. Folglich
besitzen die vergrabenen Kanäle 8 Querschnitte,
welche im Wesentlichen oval sind und sich in eine Richtung senkrecht
zur Oberfläche 3' des Wafers 1 länglich erstrecken.
Speziell ausgedrückt,
die vergrabenen Kanäle 8 haben
eine Zwischenweite W' und
eine Zwischenhöhe
H', welche jeweils
kleiner als die Anfangsbreite W und die Anfangshöhe S der tiefen Gräben 5 ist.
Die Zwischenweite S' der
Wände 7 ist
stattdessen bezüglich
der Anfangsbreite S erhöht (z.B.
besitzen die vergrabenen Kanäle 8 eine
Zwischenbreite W' von
0,5 µm
und eine Zwischenhöhe H' von 3 µm, und
die Zwischenwände 7 besitzen
eine Zwischenbreite von S' von
1,5 µm).
Zusätzlich
sind die vergrabenen Kanäle 8 in
der gleichen Atmosphäre
angesiedelt, in welche der Wafer 1 eingetaucht ist, wenn
das epitaxiale Wachsenlassen durchgeführt wird. Im Detail besitzt
diese Atmosphäre
eine hohe Wasserstoffkonzentration und ist deoxidierend.
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Wie
in 4 gezeigt wird, wird der Querschnitt der vergrabenen
Kanäle 8 nachfolgend
durch einen thermischen Glühprozess
modifiziert, welcher eine gesteuerte Dauer besitzt. Beispielsweise
wird der Wafer 1 auf 1150°C für 5 Stunden erhitzt. In diesem
Schritt gibt es kein Entfernen von Silicium. In der Praxis, wenn
der Wafer 1 in einer deoxidierenden Atmosphäre erhitzt
wird, wandern die oberflächlichen Siliciumatome
um die vergrabenen Kanäle 8 herum und
neigen dazu, minimale Energieverteilungen anzunehmen, wie dies im
Artikel "A New Substrate
Engineering for the Formation of Empty Space in Silicon (ESS) Induced
by Silicon Surface Migration" von
T. Sato, N. Aoki, I. Mizushima und Y. Tsunashima, IEDM 1999, S.
517-520, erklärt
wird. Detaillierter ausgedrückt,
die vergrabenen Kanäle 8,
welche anfangs einen ovalen Querschnitt besitzen, neige n dazu,
einen im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt anzunehmen. Am Ende des Glühschrittes besitzen die vergrabenen
Kanäle 8 eine
Endhöhe
H'' und eine Endbreite W'', welche annähernd gleich zueinander sind
(beispielsweise 1,5 µm),
und die Zwischenwände 7 sind ausgedünnt, um
eine Endbreite S'' kleiner als die
Anfangsbreite S (beispielsweise 0,5 µm) zu erreichen.
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Nach
dem Glühen
wird ein zweites maskiertes Grabenätzen durchgeführt, um
in dem Wafer 1 wenigstens einen Verbindungsgraben 10 zu öffnen, welcher
eine Tiefe besitzt, um so all die vergrabenen Kanäle 8 zu
erreichen, und eine Breite größer als
die Endbreite S'' der Zwischenwände 7 (beispielsweise
1 µm)
besitzt. Vorzugsweise erstreckt sich der Verbindungsgraben 10 entlang
einer geschlossenen Linie und grenzt einen isolierten monokristallinen
Siliciumbereich 11 ab, welcher nachfolgend eine aktive
Fläche
für die
Aufnahme integrierter Komponenten bilden soll (5-7).
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Als
Nächstes
wird das thermische Oxidieren der Zwischenwände 7 und der Wände des
Verbindungsgrabens 10 ausgeführt, um so einen Siliciumdioxd-Isolierbereich 12 zu
bilden. Der erforderliche Sauerstoff wird in die vergrabenen Kanäle 8 durch den
Verbindungsgraben 10 geführt. In diesem Schritt werden
die Oxidbereiche auf Kosten der Siliciumbereiche wachsen gelassen,
welche die Zwischenwände 7 und
die Wände
des Verbindungsgrabens 10 bilden. Spezieller ausgedrückt, die
Zwischenwände 7 sind
aufgrund der Breitenverminderung, welche durch den vorherigen Glühschritt
verursacht wird, vollständig
oxidiert. Wie in 8 gezeigt wird, umgibt der Isolierbereich 12 den
isolierten Bereich 11 lateral und am Boden, wobei er diesen
elektrisch vom Substrat 2 isoliert. Stattdessen werden
die vergrabenen Kanäle 8 und
der Verbindungsgraben 10 teilweise mit thermischem Oxid
gefüllt,
sie bleiben jedoch teilweise offen.
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Als
Nächstes
(9) wird auf der Oberfläche 3' des Wafers 1 eine Schicht 13 aus
dielektrischem Material aufgebracht, beispielsweise aus Tetraethylorthosilicat-(TEOS-)Oxid,
welches durch den Verbindungsgraben 10 hindurchgeht und
die vergrabenen Kanäle 8 und
den Verbindungsgraben 10 füllt, vorzugsweise vollständig. In
der Praxis bildet das abgelagerte dielektrische Material einen Füllfläche 14 innerhalb
des Isolierbereiches 12. Folglich bilden der Isolierbereich 12 und
der Füllbereich 14 eine
Isolierstruktur, welche kompakt und im Wesentlichen ohne jegliche
Hohlräume
darin ist. Jedoch können
Bereiche mit sehr kleinem Durchmesser ungefüllt bleiben, sie ändern jedoch
nicht wesentlich die Eigenschaften der Isolierstruktur. Insbesondere
stellen zusätzlich zur
elektrischen Isolierung die wesentliche Kontinuität des Isolierbereichs 12 und
des Füllbereichs 14 die thermische
Leitfähigkeit
zwischen dem Isolierbereich 11 und dem Substrat 2 sicher
und damit die Dispersion bzw. Streuung der Wärme, welche in den Einrichtungen
erzeugt wird, welche in dem Wafer 1 hergestellt wurden.
Die Schicht 13 aus dielektrischem Material wird dann entfernt.
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Der
Wafer 1 der 10 wird damit erhalten, wobei
die Struktur vom SOI-Typ klar erkannt werden kann. Insbesondere
zeigt 8 den isolierten Bereich 11 und das Substrat 2 durch
den Isolierbereich 12 und den Füllbereich 14 getrennt
voneinander. Das Substrat 2, welches eine größere Breite
besitzt, führt hauptsächlich die
Funktionen des Stützens
und der Wärmeabfuhr
aus, während
es innerhalb des isolierten Bereiches 11, welcher dünn ist,
möglich
ist, aktive und passive integrierte Einrichtungen entsprechend irgendeinem
bekannten Prozess zu bilden.
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Entsprechend
einer unterschiedlichen Ausführungsform
der Erfindung, welche in 11-14 gezeigt
wird, werden Silicium säulen 17 anfangs
in einem Substrat 16 eines Halbleiterwafers 15 gebildet,
wobei die Siliciumsäulen 17 vorzugsweise
eine hexagonale Form im Grundriss besitzen und in einer Honigwabenweise
angeordnet sind, um eine maximale Packungsdichte zu erhalten. Zu diesem
Zweck wird Silicium selektiv durch Grabenätzen entfernt, und es werden
miteinander verbundene Gräben 18 gebildet,
welche die Säulen 17 abgrenzen.
In der Praxis sind die in Verbindung stehenden Gräben 18 so
miteinander verbunden, dass sie einen hohlen Bereich bilden, welcher
eine komplexe Form besitzt, in welchen sich die Säulen 17 erstrecken.
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Als
Nächstes
werden das epitaxiale Wachsenlassen und das Glühen, wie oben beschrieben, ausgeführt. Im
Einzelnen sind während
des epitaxialen Wachsenlassens die tiefen Gräben 18 geschlossen,
und ein tiefer Hohlraum 19 wird gebildet, während während des
Glühens
die Säulen 17 in
einem zentralen Teil ausgedünnt
werden, um so eine Stundenglas- Bzw. Sanduhr-Form anzunehmen (13).
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Der
Vorgang wird dann, wie vorher beschrieben, zu Ende geführt. Insbesondere
wird ein Verbindungsgraben 20 geöffnet, die Säulen 17 werden
vollständig
oxidiert, um so einen Isolierbereich 21 zu bilden, welcher
einen isolierten Siliciumbereich 22 abgrenzt, und der vergrabene
Hohlraum 19 wird mit TEOS-Oxid gefüllt, womit damit die Füllregionen 23 gebildet
werden.
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Der
hier beschriebene Vorgang bzw. Prozess ist extrem einfach, zur gleichen
Zeit erlaubt er das Herstellen von SOI-Wafern, welche frei von kristallographischen
Defekten sind. Tatsächlich
sind die erforderlichen Verfahrensschritte nicht so zahlreich wie
bei bekannten Verfahren und sie können leicht in Standardverfahren
zum Herstellen integrierter Einrichtungen aufgenommen werden.
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Speziell
vorteilhaft ist das Anwenden des Glühschrittes, welcher entsprechend
der Erfindung anstatt des isotropen Ätzens durchgeführt wird,
welches zuvor zum Verbreitern der Gräben benutzt wurde. Das Bilden
der Strukturen, wie z.B. der Wände oder
Säulen,
begrenzt durch Hohlräume
und eingebettet in das Silicium ist an sich einfach, insofern, da es
nur ein maskiertes Grabenätzen
und ein epitaxiales Wachsenlassen erfordert. Der nachfolgende Glühschritt
gestattet es, dass die Oberflächen
der eingegrabenen Hohlräume
(vergrabene Kanäle 8 und
vergrabener Hohlraum 19) modifiziert werden, wobei letztere
verbreitert werden und die Breite der Siliciumstrukturen reduziert
wird (Zwischenwände 7 und
Säulen 17),
so dass die Siliciumstrukturen dann oxidiert werden können. Die
Oberfläche
des Wafers ist jedoch nicht involviert und muss deshalb nicht geschützt werden;
folglich sind alle Schritte zum Bilden und Entfernen von festen
Masken eliminiert. Auch ist die Notwendigkeit für die Sperrschicht überwunden: Da
das Glühen
auf das epitaxiale Wachsenlassen folgt, ist das Bilden des Siliciums
innerhalb der tiefen Gräben 5 (oder
der in Verbindung stehenden Gräben 18)
innerhalb tragbarer Grenzen, vorausgesetzt, dass diese tiefen Gräben nicht
vollständig
gefüllt sind.
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Zusätzlich ist
die Atmosphäre,
welche innerhalb der vergrabenen Hohlräume eingeschlossen ist, die
gleiche, welche für
das epitaxiale Wachsenlassen benutzt wird, nämlich eine Atmosphäre mit einer
hohen Wasserstoffkonzentration. In der Praxis kann der Glühschritt,
welcher normalerweise das Gebrauchen eines Wasserstoffofens erfordert,
durchgeführt
werden, indem ein thermischer Standardprozess benutzt wird. Außerdem ist
es mit einem einzelnen thermischen Prozess möglich, sowohl das Glühen als
auch andere Herstellungsschritte auszuführen, welche normalerweise
für das
Herstellen von Komponenten und/oder integrierten Schaltungen ins
Auge gefasst werden müssen;
beispielsweise kann das Glühen gleichzeitig
mit der Diffusion einer vorher implantierten Dotierspezies durchgeführt werden.
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Schließlich ist
es klar, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen an dem hier beschriebenen
und dargestellten Verfahren vorgenommen werden können, wobei alle in den Umfang
der Erfindung fallen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
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Insbesondere
kann der Prozess bzw. das Verfahren für das selektive Isolieren von
Bereichen des Wafers benutzt werden. Alternativ kann sich der Isolierbereich über den
gesamten Wafer erstrecken.
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Das
Glühen
kann sogar vor dem epitaxialen Wachsenlassen ausgeführt werden.
In diesem Fall wäre
es jedoch notwendig, einen Wasserstoffofen zu benutzen.
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Außerdem kann
die Anfangsform der Gräben
unterschiedlich von den hier gezeigten Formen sein.