DE102009010196B4

DE102009010196B4 - Halbleiterbauelemente und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102009010196B4
Application number: DE102009010196A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz 84149 Müller; Holger 82024 Pöhle
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: US20090243041A1; US20110195565A1; US7977768B2; DE102009010196A1; US8603918B2

Abstract

Halbleiterbauelement (100), aufweisend: ein Werkstück (102), das eine vergrabene Schicht (106) aufweist, angeordnet unter einem oberen Abschnitt davon; einen in dem Werkstück (102) angeordneten Graben (122), der sich mindestens durch die vergrabene Schicht (106) erstreckt; mindestens einen Sinkerkontakt (130), der in dem oberen Abschnitt des Werkstücks (102) angeordnet ist, wobei sich der mindestens eine Sinkerkontakt (130) bei Seitenwänden mindestens eines Abschnitts des Grabens (122) befindet, wobei sich der mindestens eine Sinkerkontakt (130) neben der vergrabenen Schicht (106) befindet und wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ausgebildet ist mittels Implantierens und/oder Diffundierens mindestens eines Dotierstoffs (126) durch die Seitenwände des Grabens (122) in den oberen Abschnitt des Werkstücks (102); ein an den Seitenwänden des Grabens (122) angeordnetes isolierendes Material (132); und ein innerhalb des Grabens (122) angeordnetes leitendes Material (140), das durch den Boden des Grabens (122) an einen unteren Abschnitt des Werkstücks (102) gekoppelt...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere die Ausbildung von Sinkerkontaktstrukturen in Halbleiterbauelementen.
Halbleiterbauelemente werden in einer Vielzahl von Elektronikanwendungen wie etwa beispielsweise Personal Computer (PCs), Mobilfunktelefonen, Digitalkameras und anderem Elektronikgerät verwendet, als Beispiele. Halbleiterbauelemente werden in der Regel durch sequenzielles Abscheiden von isolierenden oder dielektrischen Schichten, leitenden Schichten und halbleitenden Schichten aus Material über einem Halbleitersubstrat und Strukturieren der verschiedenen Materialschichten unter Verwendung von Lithographie zum Ausbilden von Schaltungskomponenten und Elementen darauf hergestellt, wodurch ein integrierter Schaltkreis ausgebildet wird.
Die oberen Materialschichten von Halbleiterbauelementen weisen in der Regel Metallisierungsschichten auf, die verwendet werden, um auf einem integrierten Schaltkreis (Integrated Circuit, IC) ausgebildete verschiedene elektrische Bauelemente und Elemente zusammenzuschalten. Die Metallisierungsschichten werden in der Regel in einem BEOL (Back End of Line) eines Halbleiterherstellungsprozesses ausgebildet, als Beispiel. Die unteren Schichten von Halbleiterbauelementen enthalten jedoch in der Regel kein Metall, da einige Metalle möglicherweise halbleitende Materialien bei einigen Anwendungen kontaminieren können. Die Herstellung von niedrigeren (weiter unten liegenden) Ebenen von Halbleiterbauelementen, die ausgebildet werden, bevor Metallisierungsschichten ausgebildet werden, wird oftmals als FEOL (Front End of Line) eines Halbleiterherstellungsprozesses bezeichnet, als Beispiel.
Strukturen, die in der Technik als ”Sinkerkontakte” bezeichnet werden, werden oftmals verwendet, um eine elektrische Verbindung in dem FEOL zu Bauelementen herzustellen, die auf einem Halbleiterwerkstück oder Substrat ausgebildet sind, das beispielsweise eine leitende vergrabene Schicht aufweist. Sinkerkontakte werden in der Regel durch Implantieren oder Diffundieren eines Dotierstoffs in ein Substrat und Tempern oder Erhitzen des Substrats, um den Dotierstoff tiefer in das Substrat einzutreiben, ausgebildet. Der Dotierstoff bewirkt, dass das Halbleitermaterial leitender wird; somit können Sinkerkontakte verwendet werden, um eine elektrische Verbindung zuleitenden vergrabenen Schichten in dem Substrat herzustellen.
Grabenkontakte werden in der Regel verwendet, um einen elektrischen Kontakt zu einem Substrat unter der vergrabenen Schicht herzustellen. Grabenkontakte und Sinkerkontakte weisen jedoch unterschiedlich dotierte halbleitende Materialien auf, was aufgrund unterschiedlich dotierter Siliziumbereiche während der Grabenätzung zu Problemen führen kann. Wenn Grabenkontakte näher an Sinkerkontakten platziert werden, können Kristalldefekte wie etwa Gleitlinien auftreten, die Risse in der Kristallstruktur des Siliziums sind, die möglicherweise elektrische Probleme oder Bauelementdefekte und Bauelementausfälle verursachen können. Deshalb müssen Grabenkontakte und Sinkerkontakte mit einem relativ großen Abstand von zum Beispiel etwa 10 μm bis 15 μm oder mehr voneinander im Abstand angeordnet sein, um Ätzprobleme, Gleitlinien und Kristalldefekte zu vermeiden. Grabenkontakte und Sinkerkontakte mit solch großen Entfernungen im Abstand anzuordnen, erfordert jedoch ein großes Ausmaß an Flächeninhalt auf einem Chip und begrenzt das Ausmaß, in dem ein Halbleiterbauelement von der Größe her reduziert werden kann.
In US 2005/0110116 A1 ist eine Halbleitervorrichtung beschrieben aufweisend ein Halbleitersubstrat mit einer ersten Halbleiterschicht, einer Isolationsschicht und einer zweiten Halbleiterschicht, die in dieser Reihenfolge geschichtet sind, einen Graben, der die zweite Halbleiterschicht und die Isolationsschicht durchdringt und bis zur ersten Halbleiterschicht reicht, und einer dritten Halbleiterschicht. Der Graben hat eine Ringform auf einer Hauptseite des Substrats, so dass ein Teil der zweiten Halbleiterschicht und ein Teil der Isolationsschicht von dem Graben umschlossen sind. Die dritte Halbleiterschicht ist in dem Graben angeordnet auf einem ersten Isolationsfilm, der auf einer Seitenwand des Grabens angeordnet ist, so dass die dritte Halbleiterschicht die erste Halbleiterschicht an einem Boden des Grabens kontaktiert.
In US 5 003 365 A ist ein Bipolartransistor beschrieben mit einem Subkollektor, der von einem Grabenkontakt aus mittels Diffusion gebildet wird, wobei ein Graben, der den Transistor umgibt, gebildet wird, wobei eine Öffnung in einer dielektrischen Schicht, die auf den. Seiten und dem Boden des Grabens gebildet ist, benachbart zu einem Kollektorbereich des Transistors gebildet wird, wobei der Graben mit stark n-dotiertem Polysilizium gefüllt wird und wobei während der Diffusion eines Basisbereichs der n-Typ-Dotierstoff von dem gefüllten Graben aus durch die Öffnung diffundiert, um einen n+-Subkollektor in dem Kollektorbereich zu bilden.
Was in der Technik benötigt wird, sind verbesserte und flächeneffizientere Sinkerkontaktstrukturen für Halbleiterbauelemente und Verfahren zu deren Herstellung.
Diese und weitere Probleme werden im allgemeinen gelöst oder umgangen, und technische Vorteile werden im allgemeinen erzielt durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die neuartige Sinkerkontaktstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung bereitstellen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, mit einer flächeneffizienten Sinkerkontaktstruktur.
Das Problem wird gelöst durch die Halbleiterbauelemente und die Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Halbleiterbauelement ein Werkstück mit einer vergrabenen Schicht, unter einem oberen Abschnitt davon angeordnet. Ein Graben ist in dem Werkstück angeordnet, der sich mindestens durch die vergrabene Schicht erstreckt. Mindestens ein Sinkerkontakt ist in dem oberen Abschnitt des Werkstücks angeordnet. Der mindestens eine Sinkerkontakt befindet sich bei Seitenwänden mindestens eines Abschnitts des Grabens und befindet sich neben der vergrabenen Schicht. Ein isolierendes Material ist an den Seitenwänden des Grabens angeordnet. Ein leitendes Material ist innerhalb des Grabens angeordnet und an einen unteren Abschnitt des Werkstücks gekoppelt.
Das oben Gesagte hat die Merkmale und technischen Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung recht allgemein umrissen, damit die ausführliche Beschreibung der Erfindung, die folgt, besser verstanden werden möge. Zusätzliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden.
Für ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Vorteile davon wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen.
Es zeigen:
1 bis 5 Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements in verschiedenen Herstellungsstadien gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Grabenring teilweise in einem oberen Abschnitt eines Werkstücks ausgebildet ist;
6 eine Draufsicht auf das in 5 gezeigte Halbleiterbauelement;
7 einen optionalen Herstellungsschritt, wobei Gebiete des Grabenrings vor der Ausbildung von Sinkerkontakten mit einem isolierenden Material ausgekleidet werden;
8 bis 11 Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements, wobei Sinkerkontakte bei den Grabenringseitenwänden in dem oberen Abschnitt des Werkstücks ausgebildet sind und ein isolierendes Material über den Sinkerkontakten ausgebildet ist;
12 eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements, wobei der Grabenring geätzt ist, um den Grabenring weiter in das Werkstück zu erstrecken;
13 bis 16 Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements, wobei ein unterer Abschnitt des Grabenrings mit einem isolierenden Material ausgekleidet ist und der Grabenring mit einem leitenden Material gefüllt ist;
17 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement, wobei die Sinkerkontakte neben Seitenwänden des ganzen Grabenrings ausgebildet sind;
18 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement, wobei die Sinkerkontakte an mindestens einem Abschnitt des Grabenrings ausgebildet sind; und
19 eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements, nachdem folgende Materialschichten über dem Halbleiterbauelement ausgebildet und elektrische Verbindungen zu den Sinkerkontakten und dem halbleitenden Material innerhalb des Grabenrings ausgebildet worden sind.
Entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein auf entsprechende Teile, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
Die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert.
Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich bei der Ausbildung von Sinkerkontakten in Halbleiterbauelementen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch auf andere elektrische Verbindungsstrukturen und Verfahren zu deren Ausbildung in Halbleiterbauelementen angewendet werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern neuartige Halbleiterbauelemente, die neuartige Sinkerkontakte und Grabenringe aufweisen. Die Sinkerkontakte werden neben Seitenwänden der Grabenringe ausgebildet und stellen dadurch neuartige platzsparende kompakte Sinkerkontaktstrukturen bereit. Die Sinkerkontakte liefern eine elektrische Verbindung zu einer vergrabenen Schicht eines Werkstücks, und ein leitendes Material innerhalb des Grabenrings liefert eine elektrische Verbindung zu dem Substrat unter der vergrabenen Schicht.
Es werden neuartige Kombinations-Sinkerkontakt-Grabenring-Strukturen offenbart, wobei ein Abschnitt des Grabenrings in ein Werkstück geätzt und dann Sinkerkontakte ausgebildet werden. Der Rest des Grabenrings wird dann geätzt. Die Sinkerkontakte werden nach einer Teilätzung des Grabenrings ausgebildet, wodurch die Notwendigkeit zum Ätzen durch verschieden dotierte halbleitende Materialien vermieden wird, was hierin näher zu beschreiben sein wird, und die Fähigkeit geliefert wird, die Sinkerkontakte bei dem Grabenring zu platzieren, zum Beispiel neben Seitenwänden des Grabenrings, was hierin ebenfalls näher zu beschreiben sein wird.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 19 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1 bis 5 zeigen Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements 100 in verschiedenen Herstellungsstadien gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Grabenring 122 in einem oberen Abschnitt des Werkstücks 102 ausgebildet wird. Zuerst unter Bezugnahme auf 1 wird ein Werkstück 102 bereitgestellt. Das Werkstück 102 kann ein Halbleitersubstrat 104 enthalten, das beispielsweise Silizium oder andere Halbleitermaterialien aufweist. Das Substrat 104 kann auch andere aktive Komponenten oder Schaltkreise enthalten, nicht gezeigt. Das Substrat 104 kann beispielsweise einkristallines Silizium aufweisen. Das Substrat 104 kann andere leitende Schichten oder andere Halbleiterelemente, zum Beispiel Transistoren, Dioden usw. enthalten. Anstelle von Silizium können Verbindungshalbleiter, GaAs, InP, Si/Ge oder SiC, als Beispiele, verwendet werden. Das Substrat 104 kann ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Substrat oder ein Germanium-auf-Isolator-(GOI)-Substrat aufweisen, als Beispiele. Das Substrat 104 wird hierin auch als ein erstes halbleitendes Material bezeichnet.
Das Werkstück 102 enthält eine über dem Substrat 104 ausgebildete vergrabene Schicht 106, wie in 1 gezeigt. Die vergrabene Schicht 106 wird hierin auch als ein zweites halbleitendes Material bezeichnet. Ein drittes halbleitendes Material 108, das einen oberen Abschnitt des Werkstücks 102 aufweist, ist über der vergrabenen Schicht 106 angeordnet.
Die vergrabene Schicht 106 kann eine leitende Schicht aufweisen, die durch Implantierung mindestens eines Dotierstoffs oder durch in-situ Abscheidung eines dotierten halbleitenden Materials, als Beispiele, gefolgt von einem Temperungsprozess ausgebildet werden kann, wenngleich die vergrabene Schicht 106 unter Verwendung anderer Verfahren ausgebildet werden kann. Die vergrabene Schicht 106 kann eine Dicke von beispielsweise etwa 2 μm bis 5 μm aufweisen, wenngleich die vergrabene Schicht 106 auch andere Abmessungen aufweisen kann. Die Dicke der vergrabenen Schicht 106 kann als Funktion der Dotierkonzentration des implantierten Dotierstoffs und/oder der Temperatur eines zum Ausbilden der vergrabenen Schicht 106 verwendeten Temperungsprozesses variieren, als Beispiel. Die vergrabene Schicht 106 kann optional eine nicht gezeigte Struktur aufweisen. Beispielsweise kann die vergrabene Schicht 106 in einer Draufsicht auf das Halbleiterbauelement 100 eine rechteckige, abgewinkelte, Mäander- oder andere Formen besitzen.
Das dritte halbleitende Material 108 weist einen oberen Abschnitt des Werkstücks 102 auf, der sich wie gezeigt über der vergrabenen Schicht 106 befindet. Das dritte halbleitende Material 108 kann durch epitaxiales Aufwachsen eines halbleitenden Materials auf der implantierten vergrabenen Schicht 106 ausgebildet werden, als Beispiel. Ein weiteres alternatives Verfahren zum Ausbilden der vergrabenen Schicht 106 erfolgt durch direktes Implantieren der vergrabenen Schicht 106 tief in das Werkstück 102 unter Verwendung von Hochenergieimplantierung gefolgt von einem Temperungsprozess, als Beispiel. Das dritte halbleitende Material 108 kann eine Dicke von etwa 5 μm aufweisen und kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 1 μm bis 10 μm aufweisen, als Beispiel, wenngleich alternativ das dritte halbleitende Material 108 des Werkstücks 102 andere Abmessungen aufweisen kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 104 zum Beispiel ein p-Substrat aufweisen, aufweisend einen Halbleiterwafer aufweisend Silizium, mit einem Dotierstoff vom p-Typ wie etwa Bor dotiert. Die vergrabene Schicht 106 kann ein n⁺-dotiertes Silizium aufweisen, als Beispiel, mit Arsen oder Antimon dotiert, und das dritte halbleitende Material 108 bei diesen Ausführungsformen kann ein n-dotiertes Silizium aufweisen, als Beispiel, mit Arsen oder Phosphor dotiert. Das Sinkerkontaktmaterial (in 1 nicht gezeigt; siehe das in 8 gezeigte halbleitende Material 130) kann n⁺-dotiertes Silizium aufweisen, als Beispiel, dotiert mit Phosphor, und das Füllmaterial des Grabenrings 122 (in 1 nicht gezeigt; siehe das in 15 und 16 gezeigte leitende Material 140) kann bei diesen Ausführungsformen ein mit Bor dotiertes Material vom p⁺-Typ aufweisen, als Beispiel.
Alternativ kann jedoch das Substrat 104 bei anderen Ausführungsformen ein n-Substrat aufweisen, als Beispiel, aufweisend einen Halbleiterwafer aufweisend Silizium, das mit einem Dotierstoff vom n-Typ wie etwa Arsen oder Phosphor dotiert ist. Die vergrabene Schicht 106 kann p⁺-dotiertes Silizium aufweisen, als Beispiel, mit Bor dotiert, und das dritte halbleitende Material 108 kann bei diesen Ausführungsformen p-dotiertes Silizium aufweisen, als Beispiel, mit Bor dotiert. Das Material des Sinkerkontakts 130 kann p⁺-dotiertes Silizium aufweisen, als Beispiel, mit Bor dotiert, und das Füllmaterial 140 des Grabenrings 122 kann ein bei diesen Ausführungsformen mit Arsen dotiertes Material vom n⁺-Typ aufweisen, als Beispiel.
Die Arten der Dotierung des Substrats 104, der vergrabenen Schicht 106, des dritten halbleitenden Materials 108, der Sinkerkontakte 130 und des Grabenringfüllmaterials 140 kann beispielsweise alternativ andere Dotierstoffarten aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Dotierungsart des Substrats 104, des dritten halbleitenden Materials 108 und des Grabenringfüllmaterials 140 einen ersten Typ, und der Dotierungstyp der vergrabenen Schicht 106 und des Sinkerkontaktmaterials 130 weist einen zweiten Typ auf, wobei der zweite Typ von dem ersten Typ verschieden ist, als Beispiel. Der erste Typ kann p-Typ und der zweite Typ kann n-Typ sein, oder der erste Typ kann n-Typ und der zweite Typ kann p-Typ sein, als Beispiel.
Bei einigen Ausführungsformen weisen das Substrat 104, das dritte halbleitende Material 108 und das Grabenringfüllmaterial 140 einen ersten Leitfähigkeitstyp auf, und die vergrabene Schicht 106 und das Sinkerkontaktmaterial 130 weisen einen zweiten Leitfähigkeitstyp auf, wobei der zweite Leitfähigkeitstyp von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, als Beispiel.
Die vergrabene Schicht 106 kann eine Flächenschicht aufweisen, die stark dotiert ist, so dass sie leitend ist. Die vergrabene Schicht 106 kann an einen (in den Zeichnungen nicht gezeigten) aktiven Bereich des Werkstücks 102 gekoppelt sein. Der aktive Bereich kann einen Abschnitt eines Transistors aufweisen, zum Beispiel eines Bipolartransistors oder eines Drain-Extended-MOS (DMOS), eines Hochspannungs- oder eines Niederspannungstransistors. Der aktive Bereich kann einen Abschnitt eines Transistors, einer Diode, eines Kondensators, eines Logikbauelements, eines Speicherbauelements, von anderen Schaltkreiselementen oder Kombinationen davon aufweisen, als Beispiele. Der an die vergrabene Schicht 106 gekoppelte aktive Bereich kann in dem Werkstück 102 ausgebildet werden, als Beispiel, und zwar vor oder nach den hierin beschriebenen Herstellungsverarbeitungsschritten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Kontakt zu der vergrabenen Schicht 106 herzustellen, indem ein Sinkerkontakt 130 ausgebildet wird, als Beispiel, hierin näher zu beschreiben.
Als nächstes wird ein isolierendes Material 110 über dem Werkstück 102 ausgebildet, wie in 1 gezeigt. Das isolierende Material 110 kann ausgebildet werden, indem das Werkstück 102 Sauerstoff ausgesetzt wird, wodurch die obere Oberfläche des dritten halbleitenden Materials 108 oxidiert wird. Alternativ kann das isolierende Material 110 ausgebildet werden, indem ein Oxid oder ein anderes Material abgeschieden wird, als Beispiel, wobei ein Prozess der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder ein anderer Prozess verwendet wird. Das isolierende Material 110 kann alternativ ein Oxid, ein Nitrid oder Kombinationen oder mehrere Schichten davon aufweisen, als Beispiel. Bei einigen Ausführungsformen weist das isolierende Material 110 Siliziumdioxid auf. Das isolierende Material 110 kann eine Dicke von etwa 50 nm oder weniger aufweisen, wenngleich das isolierende Material 110 alternativ andere Abmessungen aufweisen kann.
Isolationsgebiete 114 werden ausgebildet, als Beispiel, wobei ein LOCOS-Verfahren (LOCal Oxidation of Silicon) oder andere Verfahren verwendet werden. Isolationsgebiete 114 können Feldoxidgebiete, STI-Gebiete (Shallow Trench Isolation – flache Grabenisolation) oder dicke Oxidgebiete aufweisen, als Beispiel. Zum Ausbilden der Isolationsgebiete 114 unter Verwendung eines LOCOS-Verfahrens, als Beispiel, wird ein Maskierungsmaterial 112 über dem Werkstück 102 ausgebildet. Das Maskierungsmaterial 112 kann ein hartes Maskierungsmaterial aufweisen, das ein anderes Material als das isolierende Material 110 aufweist, als Beispiel. Das Maskierungsmaterial 112 kann ein Nitridmaterial wie etwa Siliziumnitrid aufweisen, wenn das isolierende Material 110 Siliziumdioxid aufweist, als ein Beispiel. Das Maskierungsmaterial 112 wird strukturiert, als Beispiel, indem eine Schicht aus lichtempfindlichem Material (nicht gezeigt) wie etwa ein Photolack, über dem Maskierungsmaterial 112 abgeschieden wird. Die Schicht aus lichtempfindlichem Material wird unter Einsatz eines Lithographieprozesses strukturiert; zum Beispiel durch Exposition zu Licht oder Strahlung, um eine Struktur von einer nicht gezeigten Lithographiemaske zu der Schicht aus lichtempfindlichem Material zu transferieren, und das lichtempfindliche Material wird entwickelt. Die Schicht aus lichtempfindlichem Material wird dann als eine Ätzmaske verwendet, während Abschnitte des Maskierungsmaterials 112 weggeätzt werden, wodurch die in 1 gezeigte Struktur zurückbleibt.
Exponierte Abschnitte der isolierenden Materialschicht 110 werden oxidiert, um die Dicke der isolierenden Materialschicht 110 zu vergrößern. Beispielsweise kann die isolierende Materialschicht 110 einer sauerstoffhaltigen Substanz, einer siliziumhaltigen Substanz und/oder erhöhter Temperatur exponiert werden, um die Dicke der isolierenden Materialschicht 110 zu vergrößern, wie in 2 gezeigt, wodurch Isolationsgebiete 114 entstehen. Die Isolationsgebiete 114 weisen ein in den Feldgebieten des Halbleiterbauelements 100 aufgewachsenes dickes Oxid auf, während aktive Bauelementgebiete durch das Maskierungsmaterial 112 geschützt sind, als Beispiel. Die Isolationsgebiete 114 können benachbarte Bauelemente oder aktive Bereiche voneinander isolieren, als Beispiel, nicht gezeigt. Das Maskierungsmaterial 112 wird dann entfernt, wie in 3 gezeigt.
Die Isolationsgebiete 114 können auch unter Verwendung anderer Verfahren ausgebildet werden. Die Isolationsgebiete 114 können vor oder nach der Ausbildung der Sinkerkontakte 130 und Gräben 122 ausgebildet werden.
Als nächstes werden Gräben 122 in einem oberen Abschnitt des Werkstücks 102 ausgebildet, zum Beispiel innerhalb des dritten halbleitenden Materials 108, sich mindestens zu der vergrabenen Schicht oder zum zweiten halbleitenden Material 106 erstreckend. Die Gräben 122 sind teilweise innerhalb des Werkstücks 102 zu einer ersten Tiefe ausgebildet, wobei die erste Tiefe die Dicke der Hartmaske 116, des isolierenden Materials 110 und des dritten halbleitenden Materials 108 aufweist. Zum Ausbilden der Gräben 122 wird eine Hartmaske 116 über den Isolationsgebieten 114 und dem dünnen isolierenden Material 110 ausgebildet, wie in 4 gezeigt. Die Hartmaske 116 kann eine, zwei oder mehr Materialschichten aufweisen. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Hartmaske 116 beispielsweise zwei Materialschichten 118 und 120 auf. Die Materialschicht 118 kann eine Nitridmaterialschicht aufweisen, und die Materialschicht 120 kann eine Oxidmaterialschicht aufweisen, als Beispiel. Die Materialschicht 118 kann Siliziumnitrid aufweisen, und die Materialschicht 120 kann bei einigen Ausführungsformen Tetraethyloxysilan (TEOS) aufweisen, als Beispiel. Die Materialschicht 120 kann ein anderes Material als die Materialschicht 118 aufweisen und kann ein Material mit einer Ätzselektivität zu dem Material der Materialschicht 118 aufweisen, als Beispiel. Alternativ können die Materialschichten 118 und 120 andere Materialien aufweisen.
Die Hartmaske 116 wird unter Verwendung von Lithographie mit einer Struktur für mindestens einen Graben 122 strukturiert, und exponierte Abschnitte eines oberen Abschnitts des Werkstücks 102 werden unter Verwendung der strukturierten Hartmaske 116 als Maske weggeätzt, wie in 5 gezeigt, wodurch der obere Abschnitt des Werkstücks 102 mit mindestens einem Graben 122 strukturiert wird. Nur ein Abschnitt eines Grabens 122 ist in der Querschnittsansicht von 5 gezeigt. Der Graben 122 kann einen Grabenring aufweisen, wie in einer Draufsicht in 6 gezeigt. Nur ein Graben 122 ist in 5 und 6 gezeigt; es können jedoch über die Oberfläche des Halbleiterbauelements 100 in einigen Anwendungen mehrere Gräben 122 ausgebildet werden, zum Beispiel dutzende, hunderte oder tausende von Gräben 122, nicht gezeigt.
Der Ätzprozess zum Ausbilden des Grabens 122 kann einen Nass- oder Trockenätzprozess aufweisen, als Beispiel, und kann bei einigen Ausführungsformen einen reaktiven Ionenätzprozess (RIE) aufweisen, als Beispiel. Der Ätzprozess kann anisotrop, isotrop oder eine Kombination davon sein, als Beispiel. Der Ätzprozess zum Ausbilden des Grabens 122 kann angepasst sein, an dem zweiten halbleitenden Material 106 anzuhalten, wodurch eine obere Oberfläche des zweiten halbleitenden Materials 106 exponiert wird, wie gezeigt. Alternativ kann ein zeitlich gesteuerter Ätzprozess verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein oberer Abschnitt, als Beispiel einige wenige Nanometer, des zweiten Halbleitermaterials 106 während des Ätzprozesses zum Ausbilden des Grabens 122 entfernt werden, als Beispiel, nicht gezeigt. Der Graben 122 verläuft ganz durch das dritte halbleitende Material 108 des Werkstücks 102, wie in 5 gezeigt.
Der Graben 122 kann in einer Querschnittsansicht eine Breite aufweisen, die eine Abmessung d₁ von etwa 2 μm bis 3 μm aufweist, und der Graben 122 kann sich längenmäßig erstrecken, als Beispiel in das Papier und aus dem Papier heraus, wie in 5 gezeigt, um mehrere μm bis etwa 1 mm oder größer, als Beispiel. Der Graben 122 kann einen Grabenring wie in der Draufsicht von 6 gezeigt aufweisen, wobei der Grabenring 122 eine Breite aufweist, die eine Abmessung d₂ in einer Draufsicht von etwa 20 μm oder größer aufweist, und eine Länge, die eine Abmessung d₃ in einer Draufsicht von etwa 20 μm oder größer aufweist, als Beispiele. Alternativ können die Abmessungen d₁, d₂ und d₃ je nach der Größe des gewünschten Grabens 122 oder Grabenrings 122 andere Werte aufweisen, als Beispiel.
Die Seiten des Grabenrings 122 können in im Wesentlichen geraden Linien verlaufen, wie in 6 gezeigt, oder sie können willkürliche Gestalten oder Wege aufweisen, als Beispiel können sie eckig oder geschlängelt sein. Der Graben 122 kann einen rechteckigen Grabenring aufweisen, wie in der Draufsicht von 6 gezeigt, wenngleich der Graben 122 alternativ L-förmig, S-förmig, quadratisch, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, trapezförmig oder sechseckig sein kann oder andere Formen über eine Oberfläche des Werkstücks 102 aufweisen kann, als Beispiel.
Der Graben 122 kann einen Grabenring 122 aufweisen, der eine Gestalt aufweist, die einen Abschnitt des Werkstücks 102 kapselt. Der Grabenring 122 kann eine durchgehende Schleife aufweisen, wobei der Grabenring 122 um einen Abschnitt des Werkstücks 102 angeordnet ist und dieses einschließt, wie gezeigt.
Als nächstes können in einem optionalen Schritt vorbestimmte Gebiete des Werkstücks 102 oxidiert werden, wie in 7 in einer Querschnittsansicht gezeigt. Das Werkstück 102 kann Sauerstoff ausgesetzt werden, um an den Seitenwänden des Grabens 122 innerhalb des dritten halbleitenden Materials 108 und über der oberen Oberfläche des zweiten halbleitenden Materials 106 ein Oxidmaterial 124 auszubilden. Das Oxidmaterial 124 kann eine Dicke von etwa 100 nm oder weniger aufweisen, als Beispiel, wenngleich alternativ das Oxidmaterial 124 andere Abmessungen aufweisen kann.
Einige Gebiete oder Abschnitte des Werkstücks 102 (z. B. einige Gebiete oder Abschnitte des Grabens 122), können maskiert sein, während die unmaskierten Gebiete entweder durch das Oxidmaterial 124 implantiert werden oder wobei Abschnitte des Oxidmaterials 124 weggeätzt werden. Beispielsweise kann eine nichtgezeigte Schicht aus Photolack über dem Werkstück 102 ausgebildet und unter Verwendung von Lithographie strukturiert werden, um die Gebiete oder Abschnitte des Grabens 122 zu exponieren, die (z. B. mit einem Dotierstoff vom n-Typ) dotiert oder weggeätzt werden. Nachdem das Oxidmaterial 124 von Abschnitten des Grabens 122 weggeätzt ist oder nachdem Abschnitte des Grabens dotiert sind, wird die Schicht aus Photolack dann entfernt.
Das optionale Oxidmaterial 124 entfällt bei Ausführungsformen, bei denen Sinkerkontakte entlang des ganzen Umkreises und Innendurchmessers des Grabenrings 122 ausgebildet wird, als Beispiel. Das Oxidmaterial 124 wird verwendet, wenn ein oder mehrere Sinkerkontakte entlang einem Abschnitt des Grabenrings 122 ausgebildet werden, als Beispiel, hierin näher zu beschreiben.
Als nächstes wird mindestens ein Sinkerkontakt 130 in dem oberen Abschnitt des Werkstücks 102 ausgebildet, zum Beispiel innerhalb des dritten halbleitenden Materials 108, wie in 8 gezeigt. Der mindestens eine Sinkerkontakt 130 wird ausgebildet durch Implantieren oder Diffundieren mindestens eines Dotierstoffs 126 in die exponierten Seitenwände des dritten halbleitenden Materials 108, Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts 130 bei den Seitenwänden von mindestens einem Abschnitt des Grabens 122. Die Hartmaske 116 schützt von den Seitenwänden des Grabens 122 weg in einem Abstand angeordnete Gebiete davor, mit dem Dotierstoff 126 implantiert zu werden.
Der Implantierungsprozess des Dotierstoffs 126 kann mindestens einen Dotierstoff 126 wie etwa Phosphor aufweisen, der verwendet wird, um innerhalb des dritten halbleitenden Materials 108 ein Gebiet mit hoher Leitfähigkeit auszubilden, die Sinkerkontakte 130 bildet. Alternativ können auch andere Dotierstoffe verwendet werden, wie etwa Bor oder Arsen. Das Werkstück 102 kann getempert werden, um den Dotierstoff 126 weiter, zum Beispiel seitlich, in das dritte halbleitende Material 108 einzutreiben. Das Werkstück 102 kann bis auf eine Temperatur von ungefähr 1000 Grad C oder größer für etwa eine Stunde oder mehr erhitzt werden, wenngleich andere Temperaturen und Zeitdauern ebenfalls für den Temperungsprozess verwendet werden können, mit dem der Dotierstoff 126 der Sinkerkontakte 130 seitlich innerhalb des oberen Abschnitts des Werkstücks 102 diffundiert wird.
Die Sinkerkontakte 130 können eine Breite aufweisen, die eine Abmessung d₄ in einer Querschnittsansicht auf beiden Seiten des Grabens 122 von etwa 1 μm bis 2 μm aufweist, als Beispiel, wenngleich alternativ die Abmessung d₄ andere Werte aufweisen kann. Die Sinkerkontakte 130 können eine Abmessung d₄ aufweisen, die ausreichend groß ist, um in einem nachfolgenden Herstellungsprozess einen Kontakt oder Durchkontakt zu landen (z. B. wie etwa in 19 gezeigte Kontakte oder Durchkontakte 148). Die Breite oder Abmessung d₄ kann eine Funktion der Dicke des epitaxial ausgebildeten dritten Halbleitermaterials 108 und der Dotierstoffkonzentration der Sinkerkontakte 130 sein, als Beispiel.
Dotiertes isolierendes Material 128 kann während der Dotierstoff-, zum Beispiel Phosphor-, -Diffusions- und Temperungsprozesse ausgebildet werden, die verwendet werden, um die Sinkerkontakte 130 auszubilden, wie in 8 gezeigt. Das dotierte isolierende Material 128 kann Phosphorglas, Phosphorsilikatglas (PSG) oder andere dotierte isolierende Materialien aufweisen, als Beispiel. Das dotierte isolierende Material 128 wird unter Verwendung eines Ätzprozesses entfernt, wodurch die in 9 gezeigte Struktur zurückbleibt.
Die Sinkerkontakte 130 weisen leitende Gebiete auf, die eine elektrische Verbindung von einer oberen Oberfläche des Werkstücke 102 zur vergrabenen Schicht 106 bereitstellen. Die Sinkerkontakte 130 sind an allen exponierten Seitenwänden des dritten halbleitenden Materials 108 entlang dem Grabenring 122 ausgebildet. Wenn bei Ausführungsformen, in denen die Sinkerkontakte 130 durch Diffusion ausgebildet werden, das in 7 gezeigte optionale Oxidmaterial 124 in einigen Gebieten des Grabenrings 122 zurückbleibt, werden die Sinkerkontakte 130 in den Gebieten mit dem Oxidmaterial 124 innerhalb des Grabenrings 122 nicht ausgebildet.
Die Sinkerkontakte 130 weisen ein viertes halbleitendes Material auf, wobei das vierte halbleitende Material den gleichen Dotierungstyp und/oder Leitfähigkeitstyp wie das zweite halbleitende Material oder die vergrabene Schicht 106 aufweisen kann, als Beispiel.
Ein optionaler isolierender Liner 132 kann über den exponierten Seitenwänden der Sinkerkontakte 130 und der exponierten oberen Oberfläche des zweiten halbleitenden Materials 108 ausgebildet sein, wie in 10 gezeigt. Der isolierende Liner 132 wird hierin auch als ein isolierendes Material bezeichnet. Der isolierende Liner 132 kann ein über den Seitenwänden der Sinkerkontakte 130 und der exponierten oberen Oberfläche des zweiten halbleitenden Materials 108 abgeschiedenes Oxidmaterial aufweisen. Der isolierende Liner 132 kann durch Oxidation ausgebildet werden, als Beispiel, wenngleich zum Ausbilden des isolierenden Liners 132 auch ein Abscheidungsprozess verwendet werden kann. Der isolierende Liner 132 kann beispielsweise eine Dicke von etwa 100 nm oder weniger aufweisen. Alternativ kann der optionale isolierende Liner 132 andere Materialien und Abmessungen aufweisen.
Ein isolierendes Material 134 wird über der oberen Oberfläche der Hartmaske 116 und an den Seitenwänden und der unteren Oberfläche des Grabens 122 ausgebildet, wie in 10 gezeigt. Das isolierende Material 134 kann etwa 100 nm TEOS aufweisen, als ein Beispiel, wenngleich alternativ das isolierende Material 134 andere Abmessungen und Materialien aufweisen kann. Das isolierende Material 134 wird hierin auch als eine Opfermaterialschicht bezeichnet.
Das Werkstück 102 wird einem Ätzprozess 136 ausgesetzt, wie in 10 gezeigt, wobei der Ätzprozess 136 einen anisotropen gerichteten Ätzprozess aufweist, der dafür ausgelegt ist, das isolierende Material 134 von den oberen Oberflächen des Werkstücks 102 zu entfernen, zum Beispiel von über der Hartmaske 116 und auch von über der unteren Oberfläche des Grabens 122, zum Beispiel von über der oberen Oberfläche der vergrabenen Schicht 106, wodurch das isolierende Material 134 an den Seitenwänden des Grabens 122 zurückbleibt, wie in 11 gezeigt. Der optionale isolierende Liner 132, falls er vorliegt, wird ebenfalls während des Ätzprozesses 136 von dem Boden des Grabens 122 entfernt, wie gezeigt, wodurch die obere Oberfläche des zweiten halbleitenden Materials 106 innerhalb des unteren Abschnitts des Grabens 122 exponiert bleibt.
Ein Ätzprozess wird dann verwendet, um den Grabenring 122 ganz oder vollständig zu einer zweiten Tiefe innerhalb des Werkstücks 102 auszubilden, wobei die zweite Tiefe größer ist als die erste Tiefe, wie in 12 gezeigt. Die zweite Tiefe des Grabenrings 122 enthält die erste Tiefe (z. B. innerhalb der Hartmaske 116, des isolierenden Materials 110 und des dritten halbleitenden Materials 108) und enthält auch die Dicke des zweiten halbleitenden Materials 106 und optional einen oberen Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 104. Der Grabenring 122 kann sich um eine Abmessung d₅, die etwa 0 μm bis 5 μm aufweist, als Beispiel, wenngleich alternativ die Abmessung d₅ andere Werte aufweisen kann, in den oberen Abschnitt des ersten halbleitenden Materials 104 erstrecken.
Das isolierende Material 134 und der optionale isolierende Liner 132 an den Seitenwänden der Sinkerkontakte 130, der Hartmaske 116 und des Oxidmaterials 110 innerhalb des Grabens 122 schützt den oberen Abschnitt des Grabens 122 davor, in dem Ätzprozess geätzt zu werden, der verwendet wird, um den Grabenring 122 weiter in das Werkstück 102 zu erweitern, zum Beispiel zu der zweiten Tiefe.
Mindestens die obere Oberfläche des ersten halbleitenden Materials 104 wird nach dem Ätzprozess exponiert, um den Graben 122 zu vertiefen. Der Graben 122 kann auch innerhalb des ersten halbleitenden Materials 104 um die Abmessung d₅ erweitert werden, wie in 12 gezeigt.
Das isolierende Material 134 kann optional von den Seitenwänden des Grabens 122 entfernt werden, wie in 13 gezeigt. Alternativ kann das isolierende Material 134 an den Seitenwänden des Grabens 122 zurückgelassen werden, als Beispiel, nicht gezeigt. Mindestens ein Abschnitt des isolierenden Liners 132 kann an den Seitenwänden des Grabens 122 unter der Hartmaske 116 zurückgelassen werden, wie in 12 gezeigt, und zwar nach dem Entfernen des isolierenden Materials. Alternativ kann der isolierende Liner 132 während des Entfernens des isolierenden Materials 134 vollständig von den Seitenwänden des Grabens 122 entfernt werden, als Beispiel, nicht gezeigt.
Ein isolierendes Material 138 wird an Seitenwänden und einer unteren Oberfläche des Grabens 122 ausgebildet, wie in 13 gezeigt. Das isolierende Material 138 kann etwa 700 nm eines Oxidmaterials aufweisen, als Beispiel, wenngleich das isolierende Material 138 alternativ andere Abmessungen und Materialien aufweisen kann. Das isolierende Material 138 kann ein Oxid aufweisen, das durch Oxidieren des Werkstücks 102 ausgebildet wird, zum Beispiel durch Oxidieren der unteren Oberfläche und der Seitenwände des Grabens 122, als Beispiel. Bei anderen Ausführungsformen kann das isolierende Material 138 ein Oxid, ein Nitrid oder Kombinationen oder mehrere Schichten davon aufweisen, als Beispiel. Das isolierende Material 138 wird über der unteren Oberfläche und den Seitenwänden des im ersten halbleitenden Material 104 ausgebildeten Grabenrings 122, über den Seitenwänden des zweiten halbleitenden Materials 106 oder der vergrabenen Schicht und über den Seitenwänden des optionalen isolierenden Liners 132, falls er vorliegt, oder über den Seitenwänden der Sinkerkontakte 130, falls der isolierende Liner 132 nicht vorliegt, ausgebildet und kleidet diese aus.
Als nächstes wird ein anderer anisotroper Ätzprozess verwendet, um das isolierende Material 138 vom Boden des Grabens 122 zu entfernen, wie in 14 gezeigt. Das isolierende Material 138 und optional auch der isolierende Liner 132, falls enthalten, wird an den Seitenwänden des Grabens 122 zurückgelassen. Die Sinkerkontakte 130 befinden sich direkt bei den isolierenden Materialien 132 und 138, die an den Seitenwänden des Grabenrings 122 angeordnet sind, und stoßen an diese an. Der anisotrope Ätzprozess kann auch dazu führen, dass die Materialschicht 120 der Hartmaske 116, die eine Oxidmaterialschicht aufweisen kann, von der oberen Oberfläche des Werkstücks 102 entfernt wird, ebenfalls in 14 gezeigt.
Der Graben 122 wird dann mit einem Füllmaterial 140 gefüllt, das ein leitendes Material aufweist. Das Füllmaterial 140 kann bei einigen Ausführungsformen beispielsweise ein halbleitendes Material wie etwa Polysilizium aufweisen. Das Füllmaterial 140 kann auch amorphes Silizium, kristallines Silizium, ein kohlenstoffhaltiges Material wie etwa Graphit, oder andere Materialien aufweisen, als Beispiel. Das Füllmaterial 140 wird an einen unteren Abschnitt des Werkstücks 102 gekoppelt, z. B. an das erste halbleitende Material 104. Das Füllmaterial 140 kann bei einigen Ausführungsformen ein dotiertes halbleitendes Material aufweisen, z. B. mit einem ähnlichen Dotierstoff oder einem Dotierstoff vom gleichen Typ wie ein Dotierstoff des ersten halbleitenden Materials 104 dotiert.
Das Verwenden eines Füllmaterials 140, das das gleiche Material wie das erste halbleitende Material 104 des Werkstücks 102 aufweist, kann bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, um die Stresseigenschaften der Struktur des Halbleiterbauelements 100 zu verbessern. Das Verwenden eines Füllmaterials 140, das das gleiche Material wie das erste halbleitende Material 104 des Werkstücks 102 aufweist oder ähnliche Stresseigenschaften des ersten halbleitenden Materials 104 des Werkstücks 102 aufweist, ist vorteilhaft, weil der Stress des ersten halbleitenden Materials 104 angepasst ist, als Beispiel. Alternativ können zum Füllen des Grabenrings 122 beispielsweise andere Materialien verwendet werden.
Das Füllmaterial 140 wird hierin bei einigen Ausführungsformen auch als ein fünftes halbleitendes Material bezeichnet. Das fünfte halbleitende Material kann den gleichen Dotierungstyp und/oder Leitfähigkeitstyp wie das erste halbleitende Material 104 des Werkstücks 102 aufweisen, als Beispiel.
Das Füllmaterial 140 kann wie abgeschieden eine obere Oberfläche 142 aufweisen, die über der oberen Oberfläche der Materialschicht 118 der Hartmaske 116 angeordnet ist, wie in 15 im Umriss gezeigt. Ein Ätzprozess und/oder ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP) kann verwendet werden, um das überschüssige Füllmaterial 140 von über der oberen Oberfläche des Werkstücks 102 zu entfernen, so dass das Füllmaterial 140 eine obere Oberfläche aufweist, die mit der oberen Oberfläche des dritten halbleitenden Materials 108 im wesentlichen koplanar ist.
Die Hartmaske 116 wird dann von über der oberen Oberfläche des Werkstücks 102 entfernt, und Abschnitte des Oxidmaterials 110 werden entfernt, wie in 16 gezeigt, als Beispiel, unter Verwendung eines Ätzprozesses oder von Ätzprozessen. Das Entfernen der Abschnitte des Oxidmaterials 110 kann einen Ätzprozess aufweisen, der auch die Dicke der Isolationsgebiete 114 reduziert, wie in 16 gezeigt.
Bei einem anderen optionalen Schritt können Abschnitte 143 der Sinkerkontakte 130 mit einem Dotierstoff implantiert werden, um die Leitfähigkeit der Sinkerkontakte 130 heraufzusetzen und um Sinkerkontakte 130 auszubilden, die einen niederohmigeren Kontakt aufweisen, wie in 16 gezeigt. Beispielsweise kann eine Schicht aus Photolack (nicht gezeigt) über dem Werkstück 102 ausgebildet und unter Verwendung von Lithographie strukturiert werden, und exponierte Abschnitte der Sinkerkontakte 130 können einem Implantationsprozess unterzogen werden, um mindestens einen Dotierstoff in die obere Oberfläche der Sinkerkontakte 130 einzuführen. Wenn die Sinkerkontakte 130 ein Material vom n-Typ aufweisen, können die Sinkerkontakte 130 beispielsweise mit einem n⁺-Material implantiert werden. Das Gebiet 143 kann ein stark dotiertes Gebiet bei einer oberen Oberfläche von mindestens einem Abschnitt des Sinkerkontakts 130 aufweisen, als Beispiel.
Nur ein Sinkerkontakt 130 ist gezeigt, der einen stark dotierten Abschnitt 143 in 16 aufweist; alternativ können die Sinkerkontakte 130 auf beiden Seiten des Grabens 122 mit einem Dotierstoff implantiert sein, um die stark dotierten Abschnitte 143 auszubilden, nicht gezeigt.
17 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Sinkerkontakte 130 bei Seitenwänden des ganzen Grabenrings 122 ausgebildet sind. Die Sinkerkontakte 130 weisen einen bei Seitenwänden des Inneren des Grabenrings 122 ausgebildeten ersten Sinkerkontakt 130 und einen bei Seitenwänden des Äußeren des Grabenrings 122 ausgebildeten zweiten Sinkerkontakt 130 auf (durch stark dotierte Gebiete 143 des Sinkerkontakts 130 in der Draufsicht von 17 dargestellt). Der erste Sinkerkontakt und der zweite Sinkerkontakt 130 sind elektrisch von dem leitenden Füllmaterial 140 innerhalb des Grabenrings 122 durch die isolierenden Materialien 132/138 an den Seitenwänden des Grabenrings 122 getrennt. Die Sinkerkontakte 130 befinden sich direkt neben dem isolierenden Material 132/138 an den Seitenwänden des Grabenrings 122. Bei dieser Ausführungsform ist der zum Ausbilden des Oxidmaterials 124 verwendete, in 7 gezeigte optionale Schritt nicht in dem Herstellungsprozess enthalten, als Beispiel.
18 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Sinkerkontakte 130 an mindestens einem Abschnitt des Grabenrings 122 gebildet sind. Die Sinkerkontakte 130 können an einem inneren Abschnitt des Grabenrings 122 und an einem äußeren Abschnitt des Grabenrings 122 (bei 143 gezeigt) an einem einzelnen Abschnitt des Grabenrings 122 ausgebildet sein, wie im Gebiet 144a gezeigt. Die Sinkerkontakte 130 können auch an mehreren Abschnitten des Grabenrings 122 ausgebildet sein, zum Beispiel entlang des Grabenrings 122 in Gebieten 144b und 144c angeordnet, wie im Umriss gezeigt. Die Sinkerkontakte 130 können auch an einer oder mehreren Ecken des Grabenrings 122 ausgebildet sein, wie im Gebiet 144c im Umriss gezeigt.
Ein elektrischer Kontakt wird durch leitendes Material 140 im Grabenring 122 mit dem ersten halbleitenden Material 104 hergestellt, und ein elektrischer Kontakt wird durch die Sinkerkontakte 130 mit dem zweiten halbleitenden Material 106 hergestellt. Beispielsweise zeigt 19 eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 100, nachdem zusätzliche Materialien 146, 148 und 150 über dem Halbleiterbauelement 100 ausgebildet sind und elektrische Verbindungen zu den Sinkerkontakten 130 und dem leitenden Material 140 innerhalb des Grabenrings 122 hergestellt sind. Beispielsweise kann ein isolierendes Material 146 über dem Werkstück 102 ausgebildet sein, und Durchkontakte oder Kontakte 148 können in dem isolierenden Material 146 ausgebildet sein, um einen elektrischen Kontakt zu dem leitenden Material 140 im Grabenring 122 und/oder dem Sinkerkontakt 130 herzustellen. Eine Leitung oder ein Kontaktpad 150 kann an die Durchkontakte oder Kontakte 148 gekoppelt und darüber ausgebildet sein, wie gezeigt.
Die Sinkerkontakte 130 und das leitende Material 140 innerhalb des Grabens 122 kann eine elektrische Verbindung zu einem aktiven Bereich des Werkstücks 102 bereitstellen, als Beispiel. Das Halbleiterbauelement 100 kann eine Leitung oder ein leitendes Pad 150 und/oder einen Kontakt 148 angeordnet über und bei den Sinkerkontakten 130 oder dem leitenden Material 140, angeordnet innerhalb des Grabens 122, enthalten, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt 130 oder das leitende Material 140, innerhalb des Grabens 122 angeordnet, eine elektrische Verbindung der Leitung oder des leitenden Pads 150 und/oder Kontakts 148 zu nicht gezeigten aktiven Bereichen des Werkstücks 102 bereitstellt. Die aktiven Bereiche können einen Abschnitt eines Transistors, einer Diode, eines Kondensators, eines Logikbauelements, eines Speicherbauelements, von anderen Arten von Schaltungselementen oder Kombinationen davon aufweisen, als Beispiel.
Mindestens ein Isolationsgebiet 114 kann innerhalb des dritten halbleitenden Materials 108 bei mindestens einer Seite des Grabenrings 122 angeordnet sein, wie in der Querschnittsansicht von 19 gezeigt. Die Isolationsgebiete 114 können vor oder nach der Ausbildung des Grabenrings 122 und/oder des Sinkerkontakts 130 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind vorteilhaft, wenn sie dazu verwendet werden, Sinkerkontakte 130 auszubilden, zum Beispiel in Bipolarbauelementen. Beispielsweise können die Sinkerkontakte 130 dazu verwendet werden, einen elektrischen Kontakt zu einer vergrabenen Schicht 106 herzustellen, der als ein stark dotierter, in einem Bipolartransistor verwendeter Subcollector fungiert. Ein weiteres Beispiel einer Anwendung, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung implementiert werden können, ist in intelligenten Leistungstechnologien, wo eine vergrabene Schicht 106 eine Hochspannungsisolation gegenüber dem Substrat oder dem ersten halbleitenden Material 104 liefern kann. Bei solchen Anwendungen muss die vergrabene Schicht 106 elektrisch durch einen Sinkerkontakt 130 verbunden werden, als Beispiel. Ein weiteres Beispiel einer Anwendung, in der die neuartigen Sinkerkontakte 130 von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung implementiert werden können, die oftmals in intelligenten Leistungstechnologien anzutreffen ist, als Beispiel, ist bei vertikalen Drain-Extended-MOS-Transistoren (Drain-erweiterten MOS-Transistoren), bei denen eine erweiterte Drainelektrode vertikal in der Epitaxialschicht ausgebildet wird, zum Beispiel dem oben auf einer vergrabenen Schicht 106 angeordneten dritten halbleitenden Material 108. Bei solchen Anwendungen kann der Sinkerkontakt 130 beispielsweise direkt als ein Drainkontakt fungieren. Alternativ können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in anderen Anwendungen implementiert werden.
Durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich technische Vorteile erzielen durch Bereitstellen von neuartigen Strukturen für Sinkerkontakte 130 und neuartige Verfahren zur Herstellung derselben. Zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zählen Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen 100 und unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren hergestellte Halbleiterbauelemente 100.
Zu Vorteilen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zählen das Bereitstellen neuartiger Grabenringe 122 und Sinkerkontakte 130, die unter Einsatz der hierin beschriebenen neuartigen Herstellungsverfahren kleiner ausgeführt werden können. Weil die Sinkerkontakte 130 nach einer Teilätzung des Grabenrings 122 ausgebildet werden, wird das Ätzen des Grabenrings 122 durch einen stark dotierten Bereich vermieden. Weil die Sinkerkontakte 130 ausgebildet werden, bevor die Grabenringe 122 komplett geätzt und mit dem leitenden Material 140 gefüllt werden, wird weiterhin die Erzeugung von Gleitlinien während des Hochtemperaturtemperungsprozesses für die Ausbildung der Sinkerkontakte 130 vermieden.
Vorteilhafterweise kann die Breite von Grabenringen 122 bei Designs des Halbleiterbauelements 100 reduziert werden, so dass mehr von dem Oberflächeninhalt des Halbleiterbauelements 100 für aktive Bereiche und andere Bauelemente und Komponenten anstatt für Bereiche des Sinkerkontakts 130 und Grabenrings 122 verwendet werden können. Beispielsweise können kleinere Grabenringe 122 verwendet werden (z. B. können die Abmessungen d₂ und d₃ reduziert werden), wobei die Grabenringe 122 kleiner sind und weniger Platz erfordern. Weiterhin können benachbarte Bauelemente in dem Werkstück 102 näher an den hierin beschriebenen neuartigen Sinkerkontakten 130 und Grabenringen 122 platziert werden.
Die Sinkerkontakte 130 und Grabenringe 122 weisen eine neuartige Kombinationsstruktur zum Herstellen eines elektrischen Kontakts sowohl zu der vergrabenen Schicht 106 als auch dem Substrat 104 des Werkstücks 102 auf. Die Sinkerkontakte 130 werden bei den Seitenwänden des Grabenrings 122 ausgebildet, anstatt von dem Grabenring 122 in einem Abstand angeordnet zu sein. Die Sinkerkontakte 130 sind direkt bei dem isolierenden Material 132/138 an den Seitenwänden des Grabens 122 angeordnet und stoßen daran an. Die Sinkerkontakte 130 sind durch die Dicke des isolierenden Materials 132/138 von dem leitenden Material 140 innerhalb des Grabenrings 122 in einem Abstand angeordnet, als Beispiel. Somit können die Gebiete des Sinkerkontakts 130 und des Grabenrings 122 von Halbleiterbauelementen 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung von der Größe her weiter herunterskaliert werden.
Die neuartigen Sinkerkontakte 130 und Grabenringe 122 können leicht und preiswert in Herstellungsprozessflüssen für Halbleiterbauelemente 100 implementiert werden. Beispielsweise können die hierin beschriebenen neuartigen Verfahren und Sinkerkontakte 130 leicht in existierende Herstellungsprozessflüsse, Lithographiemaskendesigns und Lithographieanlagen und -systeme implementiert werden, wobei für die Implementierung der Erfindung wenige zusätzliche Verarbeitungsschritte erforderlich sind.
Ausführungsformen der Erfindung können in Halbleiteranwendungen wie etwa Transistoren, Speicherbauelemente, Logikbauelemente, Mixed-Signal-Bauelemente (Mischsignal-Bauelemente) und anderen Anwendungen implementiert werden, als Beispiele. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind besonders vorteilhaft, wenn sie bei Hochspannungstransistoranwendungen verwendet werden, z. B. mit einer Arbeitsspannung von etwa 3 V oder größer, als Beispiele. Alternativ können die neuartigen Sinkerkontakte 130 und Grabenringe 122 auch in Niederspannungstransistoranwendungen verwendet werden.

Claims

Halbleiterbauelement (100), aufweisend: ein Werkstück (102), das eine vergrabene Schicht (106) aufweist, angeordnet unter einem oberen Abschnitt davon; einen in dem Werkstück (102) angeordneten Graben (122), der sich mindestens durch die vergrabene Schicht (106) erstreckt; mindestens einen Sinkerkontakt (130), der in dem oberen Abschnitt des Werkstücks (102) angeordnet ist, wobei sich der mindestens eine Sinkerkontakt (130) bei Seitenwänden mindestens eines Abschnitts des Grabens (122) befindet, wobei sich der mindestens eine Sinkerkontakt (130) neben der vergrabenen Schicht (106) befindet und wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ausgebildet ist mittels Implantierens und/oder Diffundierens mindestens eines Dotierstoffs (126) durch die Seitenwände des Grabens (122) in den oberen Abschnitt des Werkstücks (102); ein an den Seitenwänden des Grabens (122) angeordnetes isolierendes Material (132); und ein innerhalb des Grabens (122) angeordnetes leitendes Material (140), das durch den Boden des Grabens (122) an einen unteren Abschnitt des Werkstücks (102) gekoppelt ist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ein leitendes Gebiet aufweist, aufweisend mindestens einen Dotierstoff, in den oberen Abschnitt des Werkstücks (102) implantiert und/oder diffundiert, wobei das leitende Gebiet eine elektrische Verbindung von einer oberen Oberfläche des Werkstücks (102) zu der vergrabenen Schicht (106) liefert.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der untere Abschnitt des Werkstücks (102) ein erstes halbleitendes Material aufweist, wobei die vergrabene Schicht (106) ein zweites halbleitendes Material aufweist, wobei der obere Abschnitt des Werkstücks (102) ein drittes halbleitendes Material aufweist, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ein viertes halbleitendes Material aufweist, wobei das innerhalb des Grabens (122) angeordnete Material ein fünftes halbleitendes Material aufweist, wobei das fünfte halbleitende Material den gleichen Dotierungstyp wie das erste halbleitende Material aufweist, und wobei das vierte halbleitende Material den gleichen Dotierungstyp wie das zweite halbleitende Material aufweist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 3, wobei das erste halbleitende Material ein Material vom p-Typ aufweist und wobei das zweite halbleitende Material ein Material vom n-Typ aufweist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 3, wobei das erste halbleitende Material ein Material vom n-Typ aufweist und wobei das zweite halbleitende Material ein Material vom p-Typ aufweist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine Leitung, ein leitendes Pad oder ein über und bei dem mindestens einen Sinkerkontakt (130) oder dem innerhalb des Grabens (122) angeordneten leitenden Material angeordneten Kontakt und wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) oder das innerhalb des Grabens (122) angeordnete leitende Material eine elektrische Verbindung der Leitung, des leitenden Pads oder des Kontakts zu einem aktiven Bereich des Werkstücks (102) liefert.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 6, wobei der aktive Bereich einen Abschnitt eines Transistors, einer Diode, eines Kondensators, eines Logikbauelements, eines Speicherbauelements, einer anderen Art von Schaltkreiselement oder Kombinationen davon aufweist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Graben (122) einen Grabenring aufweist, der eine durchgehende Schleife aufweist, wobei der Grabenring um einen Abschnitt des Werkstücks (102) herum angeordnet ist und diesen einschließt.
Halbleiterbauelement (100), aufweisend: ein Werkstück (102) mit einem ersten halbleitenden Material (104), einem über dem ersten halbleitenden Material angeordneten zweiten halbleitenden Material (106) und einem über dem zweiten halbleitenden Material angeordneten dritten halbleitenden Material (108); einen Grabenring, innerhalb des Werkstücks (102) angeordnet, sich durch das zweite halbleitende Material (106) erstreckend; mindestens einen Sinkerkontakt (130), innerhalb des dritten halbleitenden Materials (108) bei Seitenwänden von mindestens einem Abschnitt des Grabenrings angeordnet, wobei sich der mindestens eine Sinkerkontakt (130) neben dem zweiten halbleitenden Material (106) befindet, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ein viertes halbleitendes Material aufweist und wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ausgebildet ist mittels Implantierens und/oder Diffundierens mindestens eines Dotierstoffes (126) durch die Seitenwände des Grabensrings in das dritte halbleitende Material (108); ein an Seitenwänden des Grabenrings angeordnetes isolierendes Material (138); und ein innerhalb des Grabenrings über dem isolierenden Material (138) angeordnetes fünftes halbleitendes Material (140), wobei das fünfte halbleitende Material (140) durch den Boden des Grabenrings an das erste halbleitende Material (104) gekoppelt ist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 9, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) mehrere auf mehreren Abschnitten des Grabenrings angeordnete Sinkerkontakte (130) aufweist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) folgendes aufweist: einen entlang des ganzen Grabenrings bei einem Inneren des Grabenrings angeordneten ersten Sinkerkontakt (130); und einen entlang des ganzen Grabenrings bei einem Äußeren des Grabenrings angeordneten zweiten Sinkerkontakt (130).
Halbleiterbauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das erste halbleitende Material und das fünfte halbleitende Material einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen und wobei das zweite halbleitende Material und das vierte halbleitende Material einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei der zweite Leitfähigkeitstyp vom ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist.
Halbleiterbauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner aufweisend ein stark dotiertes Gebiet bei einer oberen Oberfläche von mindestens einem Abschnitt des mindestens einen Sinkerkontakts (130).
Halbleiterbauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) sich neben dem an den Seitenwänden des Grabenrings angeordneten isolierenden Material befindet.
Halbleiterbauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, ferner aufweisend mindestens ein Feldoxidgebiet, flaches Grabenisolationsgebiet (STI) oder dickes Oxidgebiet, in dem dritten halbleitenden Material bei mindestens einer Seite des Grabenrings angeordnet.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements (100), wobei das Verfahren folgendes aufweist: Bereitstellen eines Werkstücks (102), wobei das Werkstück (102) eine unter einem oberen Abschnitt des Werkstücks (102) angeordnete vergrabene Schicht (106) aufweist; Ausbilden eines Grabenrings in dem Werkstück (102), sich mindestens durch die vergrabene Schicht (106) erstreckend; Ausbilden mindestens eines Sinkerkontakts (130) entlang mindestens einem Abschnitt des Grabenrings bei Seitenwänden des Grabenrings, wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) an die vergrabene Schicht gekoppelt ist und wobei der mindestens eine Sinkerkontakt (130) ausgebildet wird mittels Implantierens und/oder Diffundierens mindestens eines Dotierstoffes (126) durch die Seitenwände des Grabenrings in den oberen Abschnitt des Werkstücks (102); Ausbilden eines isolierenden Materials (132) an den Seitenwänden des Grabenrings; und Ausbilden eines leitenden Materials (140) innerhalb des Grabenrings, Koppeln des leitenden Materials (140) durch den Boden des Grabenrings an einen unteren Abschnitt des Werkstücks (102) unter der vergrabenen Schicht (106).
Verfahren gemäß Anspruch 16, ferner aufweisend das Ausbilden eines Oxidmaterials innerhalb mindestens eines Gebiets des Grabenrings vor dem Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts (130), wobei das Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts (130) das Nicht-Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts (130) in dem mindestens einen Gebiet des Grabenrings, das Oxidmaterial enthaltend, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei das Ausbilden des isolierenden Materials das Oxidieren einer unteren Oberfläche und der Seitenwände des Grabenrings und Entfernen des isolierenden Materials von der unteren Oberfläche des Grabenrings aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Ausbilden des Grabenrings folgendes aufweist: zuerst teilweises Ausbildendes Grabenrings zu einer ersten Tiefe innerhalb des Werkstücks (102) und dann das Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts (130); und zweitens das vollständige Ausbilden des Grabenrings zu einer zweiten Tiefe innerhalb des Werkstücks (102), wobei die zweite Tiefe größer ist als die erste Tiefe, und dann Ausbilden des isolierenden Materials (132) an den Seitenwänden des Grabenrings und Ausbilden des leitenden Materials (140) innerhalb des Grabenrings.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts (130) das Implantieren oder Diffundieren mindestens einen Dotierstoffs in die Seitenwände des Grabenrings aufweist, ferner aufweisend das Erhitzen des Werkstücks (102), was verursacht, dass der mindestens eine Dotierstoff seitlich innerhalb des oberen Abschnitts des Werkstücks (102) diffundiert.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Implantieren des mindestens einen Dotierstoffs in die Seitenwände des Grabenrings das Ausbilden eines dotierten isolierenden Materials an Seitenwänden des Grabenrings aufweist, ferner aufweisend das Entfernen des dotierten isolierenden Materials von den Seitenwänden des Grabenrings.
Verfahren gemäß Anspruch 21, ferner aufweisend das Ausbilden eines isolierenden Liners (132) innerhalb des Grabenrings über Seitenwänden des oberen Abschnitts des Werkstücks (102) und über der vergrabenen isolierenden Materialschicht (106).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, ferner aufweisend, nach dem Ausbilden des mindestens einen Sinkerkontakts (130), das Ausbilden einer Opfermaterialschicht über den Seitenwänden und einer unteren Oberfläche des Grabenrings, das anisotrope Ätzen des Opfermaterials, um das Opfermaterial von einer oberen Oberfläche des Werkstücks (102) und über einer oberen Oberfläche der vergrabenen Schicht (106) zu entfernen, und dann Ausbilden des Grabenrings zu der zweiten Tiefe unter Verwendung eines Ätzprozesses, und/oder ferner aufweisend, nach dem Ausbilden des isolierenden Materials an den Seitenwänden des Grabenrings, das anisotrope Verätzen des isolierenden Materials, das Entfernen des isolierenden Materials von mindestens einer unteren Oberfläche des Grabenrings.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Ausbilden des Grabenrings in dem Werkstück folgendes aufweist: Ausbilden einer Hartmaske (116) über dem Werkstück (102), wobei die Hartmaske (116) eine Nitridmaterialschicht und eine über der Nitridmaterialschicht angeordnete Oxidmaterialschicht aufweist; Ausbilden einer Schicht aus lichtempfindlichem Material über der Hartmaske (116); Strukturieren der Schicht aus lichtempfindlichem Material; Verwenden der Schicht aus lichtempfindlichem Material als Maske zum Strukturieren der Hartmaske (116); und Verwenden mindestens der Hartmaske (116) als eine Ätzmaske zum Strukturieren des oberen Abschnitts des Werkstücks (102).
Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei das Entfernen des isolierenden Materials von mindestens der unteren Oberfläche des Grabenrings weiterhin das Entfernen der Oxidmaterialschicht der Hartmaske (116) aufweist.