Die Erfindung betrifft ein Verfahren der gleichzeitigen Herstellung von Trägerscheiben- Kontakten und Isolationsgräben von integrierten Schaltungen mit Hochspannungs- Bauelementen für dicke aktive Siliziumschichten mit Dicken gleich oder größer als 50 μm auf der Basis der SOI-Technologie und die entsprechende Grabenstrukturierung.

In SOI-Scheiben stellt sich das Problem, dass die Trägerscheibe ("Handlewafer") elektrisch isoliert ist. Um diese Trägerscheibe auf ein festes elektrisches Potential legen zu können, ist ein elektrischer Kontakt wünschenswert. Dies kann manchmal von der Scheibenrückseite aus erfolgen. Es kann aber auch nötig oder vorteilhaft sein, den Kontakt von der Vorderseite aus zu realisieren. Dieser Kontakt zur Trägerscheibe erlaubt dann das Anlegen eines definierten elektrischen Potentials an die Trägerscheibe.

Ohne einen solchen Kontakt "floated" die Trägerscheibe, d.h. sie kann auf schwankendem elektrischen Potential liegen und dadurch die elektrische Funktion der integrierten Schaltungen auf der Oberseite der Aktivscheibe negativ beeinflussen ("floating body effect").

Um den Vorteil der dielektrischen Isolation der SOI-Scheibe ausnützen zu können, vor allem für integrierte Smart-Power-Schaltkreise, bei denen unterschiedliche Teile des Schaltkreises auf zum Teil stark unterschiedlichen Potentialen liegen, z.B. Masse und 600V, werden aber auch Isolationsstrukturen benötigt, die unterschiedliche Bereiche des Schaltkreises voneinander elektrisch isolieren. Dabei kommt häufig eine Grabenisolation zum Einsatz, vor Allem bei Technologien, die SOI-Scheiben mit dicken, bspw. zumindest 50μm aktiven Siliziumschichten verwenden.

In US-A 5,314,841 ist eine Herstellung eines Trägerscheibenkontaktes beschrieben, bei der ein Graben durch die aktive Scheibe und durch das vergrabene Oxid geätzt wird. Die geöffnete Fläche in der Trägerscheibe wird bei der Source/Drain-Implantation aufdotiert und durch die normale Metallisierung kontaktiert.

Eine ähnliche Struktur wird in der Patentschrift US-A 5,945,712 beschrieben. Das dünne aktive Silizium und das vergrabene Oxid (als Isolationsschicht bezeichnet) werden durchgeätzt und bei der normalen IC-Metallisierung mitkontaktiert.

Ähnlich wird auch in der in US-A 6,300,666 vorgegangen. Auch dort werden das dünne aktive Silizium und das vergrabene Oxid durchgeätzt und das freigelegte Gebiet im Trägerwafer wird durch eine Implantation aufdotiert. Durch die normale IC- Metallisierung wird die Trägerscheibe mittels der normalen Silizidierung/Metallisierung elektrisch angeschlossen.

In US-A 6,794,716 wird ebenfalls ein Verfahren bzw. eine Struktur beschrieben, bei dem ein Graben, welcher bis unter das vergrabene Oxid reicht, mit "Metall" und Wolfram aufgefüllt wird und auf diese Weise eine Kontaktregion im Trägerwafer mit einem Teil der aktiven Schicht ("Body" eines Transistors) leitend verbindet.

Nachteil dieser Lösungen ist, dass sie nur bei sehr flachen Isolationsgräben als "shallow trench Isolation" in Dünnschicht-SOI-Techniken angewandt werden können. Bei Tiefen zu Breiten-Verhältnissen von 10 zu 1 und größer kann auf diese Art keine Kontaktierung der Trägerscheibe erreicht werden. Nachteilig bei den bislang beschriebenen Strukturen und Methoden ist auch die Metallisierung im Graben, dadurch sind keine weiteren Hochtemperaturprozesse oberhalb 400 ⁰ C möglich. Der wesentliche Punkt ist jedoch, dass mit diesen Strukturen und Methoden eine gleichzeitige Herstellung einer Grabenisolation und eines Kontaktes zur Trägerscheibe nicht möglich ist.

In der US-A 6,521,947 wird eine den bisher Genannten prinzipiell ähnliche Methode verwendet. Anstelle von Metall wird dort Polysilizium als Kontaktierungsmaterial verwendet.

In der US-A 6,649,964 wird folgendes Verfahren beschrieben. In eine SOI-Scheibe werden Gräben mit unterschiedlicher Breite geätzt. Die Gräben sind dabei tiefer als das vergrabene Oxid und "durchstoßen" dieses gewissermaßen. Anschließend wird eine Halbleiterschicht, Polysilizium oder amorphes Silizium, abgeschieden und durch eine schräge Implantation dotiert. Durch eine anisotrope Ätzung wird ein sog. Spacer aus dotiertem Silizium an der Grabenseitenwand erzeugt, der von der Oberfläche der SOI- Scheibe bis in den Trägerwafer reicht. In einigen Gräben wird danach eine Metallisierung eingebracht und strukturiert, d.h. es ist neben der Strukturierung der Gräben mindestens eine weitere Fotolackmaske nötig. Mittels einer Abscheidung von Siliziumdioxid werden die Gräben verfüllt und mittels eines CMP-Prozesses (chemischmechanische Politur) wird die Scheibe eingeebnet.

Dieses Verfahren hat die folgenden Nachteile: es werden mindestens zwei Strukturierungsschritte benötigt. Aufgrund der durchgeführten Metallisierung können im Anschluss an dieses Verfahren keine Hochtemperaturprozesse durchgeführt werden.

Durch den dotierten Spacer ist die Trägerscheibe dauernd leitend mit der Aktivscheibe verbunden. Eine von der aktiven Siliziumscheibe isolierte Kontaktierung der Trägerscheibe ist damit nicht möglich. In der beschriebenen Struktur sind alle Gebiete der aktiven Schicht mit der Trägerscheibe verbunden und damit kurzgeschlossen.

In der US-A 6,521,947 werden Strukturen bzw. ein Verfahren beschrieben, bei dem zunächst flache Isolationsgräben ("shallow Trench Isolation") geätzt werden. Als Resultat entstehen mit Nitrid abgedeckte Siliziuminseln. Anschließend wird eine Oxidschicht abgeschieden. In Gebieten abseits der Siliziuminseln wird durch eine reine Oxidätzung ein Graben erzeugt, der durch die abgeschiedene Oxidschicht und durch das vergrabene Oxid der SOI-Scheibe reicht. Der durch das Oxid reichende und auf dem Substrat endende Graben wird danach mit Polysilizium verfüllt. Auf diese Weise ist eine Struktur erzeugt worden, bei der sowohl Isolationsgräben als auch Kontakte zur Trägerscheibe enthalten sind. Diese Struktur hat jedoch den Nachteil, dass zur Erzeugung derselben ein Verfahren angewendet muss, bei dem für den Isolationsgraben und den Kontakt zwei unterschiedliche Strukturierungen und zwei unterschiedliche Ätzschritte verwendet werden müssen. Dies bedeutet einerseits Aufwand, zum anderen bedeutet dies aber, dass diese Struktur in dieser Form nicht für tiefe Isolationsgräben, typische Tiefe 50μm, angewendet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem solche Strukturen hergestellt werden können, die sowohl eine Grabenisolation als auch eine Trägerscheibenkontaktierung von SOI-Scheiben mit dicken (größer oder gleich 50μm) aktiven Schichten ermöglichen und die mit wenigen Prozessschritten deutlich einfacher herstellbar sind.

Gelöst wird die Aufgabe mit dem Herstellverfahren und der Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 und 16 oder Anspruch 11.

Erfindungsgemäß wird eine Verfahrensweise zur Herstellung von Grabenstrukturen angegeben, die sowohl als eine Grabenisolation als auch als eine Trägerscheibenkontaktierung für im Wesentlichen 50μm dicke oder auch dickere aktive Siliziumschichten von SOI-Scheiben mit integrierten Hochspannungsbauelementen verwendet werden können und die mit den gleichen Prozessschritten, d.h. mit geringem Aufwand hergestellt werden können.

Die Erfindung weist die Vorteile auf, dass mit den gleichen Prozessschritten sowohl ein Isolationsgraben zur Isolation gegen hohe Spannungen als auch ein leitender Kontaktgraben zur Trägerscheibe erzeugt wird. Durch die gemeinsame Herstellung einer dielektrischen Grabenisolation und eines elektrischen Kontaktes zur

Trägerscheibe der SOI-Anordnung wird die Anzahl der Prozessschritte verringert und damit eine positive Auswirkung auf Zuverlässigkeit und Ausbeute von Schaltungen erhöht und nebenbei werden Kosten eingespart.

Ausgangspunkt für den aus einem Graben entstehenden Kontakt mit einer leitfähigen Füllschicht ist ein breiterer Graben. Ausgangspunkt für den isolierenden Graben, der mit einer dielektrischen Füllschicht gefüllt ist, ein schmälerer Graben, die benachbart sind. Diese Gräben werden zunächst mit einem Ätzschritt in die aktive Schicht eingebracht, wobei eine Maskierungsschicht vorgibt, wo die Gräben in ihrer Tiefe bis zur vergrabenen Isolierschicht des SOI-Wafers ausgebildet werden sollen. Die Breite der Gräben ist unterschiedlich. Der breitere Graben ist bis zu dreimal breiter als der schmälere Graben (Anspruch 17), mindestens aber wird der breite Graben um im Wesentlichen 50% breiter sein als der schmälere Graben. Diese in Rohform vorliegenden Gräben werden anschließend weiterbehandelt oder bearbeitet. Eine Isolierschicht wird ausgebildet, die beide Gräben betrifft, dabei zumindest an der Seitenwand der Gräben angeordnet ist, aber auch am Boden angeordnet sein kann, wo diese Isolierschicht die vergrabene Oxidschicht überlagert.

Danach wird der schmälere Graben gefüllt, und der breitere Graben gerade nicht ganz gefüllt, sondern nur an seinen Seitenwänden mit der isolierenden Schicht des ersten Verfüllmaterials bedeckt. Naturgemäß wird die vollständige Füllung des schmäleren Grabens dazu führen, dass auch der Boden bedeckt wird und im breiteren Graben wird dieser Boden ebenfalls bedeckt.

Hochsperrende Bauelemente sind nicht explizit eingezeichnet, können zuvor oder nach den hier beschriebenen Fertigungsschritten in das aktive Substrat eingebracht werden, dieses bearbeitete Substrat mit den beiden unterschiedlich funktionsfähigen Gräben hat die Eigenschaft, solche - hohe Spannungen sperrenden - Halbleiter nach passenden Halbleitertechnologien aufzunehmen.

Bevorzugt ist die isolierende erste Schicht, welche den schmäleren Graben ganz füllt ein Polysilizium. Bevorzugt ist auch die Maskierungsschicht mit einer Dicke versehen, die größer (stärker) ist, als die vergrabene Oxidschicht.

Es versteht sich auch, dass bei einem Ätzschritt, der in den Graben hinein reicht, die Schichten, welche auf der Oberfläche liegen, einer ebensolchen Verringerung ihrer Stärke unterliegen, so bspw. die den schmalen Graben verfüllende erste Verfüllschicht, welche später im breiteren Graben, den sie nicht vollständig ausfüllt, abgedünnt wird. Dabei wird auch die Oberfläche dieser Schicht außerhalb des Grabens in ihrer Schichtstärke reduziert. Ein Abtragen der isolierenden Bodenfläche des breiteren

Grabens, welche sowohl die vergrabene Oxidschicht, wie auch die anfangs eingebrachte Grabenisolations-Schicht in ihren Bodenabschnitten betrifft, führt dazu, dass auch an der Oberfläche eine Reduzierung der Isolationsschicht statt findet. Diese ist - wie zuvor beschrieben - stärker, so dass ein Stück dieser Isolation verbleibt, bevor die am Boden befindlichen Isolationsschichten des breiten Grabens ganz abgetragen sind. Dadurch entsteht Raum und Durchgang für eine leitfähige Füllschicht, die zwischen die isolierenden Spacer eingebracht wird und die Funktion des verbliebenen Zwischenraums im breiteren Graben als leitfähige Kontaktschicht realisiert.

Damit entstehen zwei unterschiedlich funktionsfähige Gräben, der schmälere Graben ist isolierend, der breitere Graben ist leitend. Beide liegen nahe beieinander und werden zusammen ausgebildet mit den beanspruchten und im Folgenden näher beschriebenen Prozessschritten.

Soweit gewünscht, kann eine Planarisierung der Oberfläche noch hinzutreten, die so ausgeführt wird, dass alle in den Gräben senkrecht stehenden Schichten an dieser planaren Oberfläche enden, wobei der breitere Graben mehr in Vertikalrichtung ausgerichtete, parallel liegende Schichten aufweist, als der schmälere Graben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen sowie in der folgenden detaillierten Beschreibung angegeben.

Es werden weitere Ausführungsformen unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Figur 1 schematisch in Schnittdarstellung einen Isoliergraben in einer SOI-Schichtanordnung, der dem Stand der Technik entspricht.

Figur 2 bis

Figur 9 schematisch in jeweiliger Schnittdarstellung Schritte der

Herstellung mehrerer Beispiele der Erfindung zum Erhalt der doppelten Grabenstruktur in einer SOI-Schichtanordnung.

Ausgangsmaterial ist in Figur 1 eine SOI-Scheibe bei der die Trägerscheibe 1 von der aktiven Siliziumschicht 3 durch ein vergrabenes Oxid 2 elektrisch isoliert ist. Der Isolationsgraben 6 besteht aus einer isolierenden Schicht 4, z.B. Siliziumdioxid an den Seitenwänden des Grabens und einer Verfüllschicht 5, die z.B. Polysilizium sein kann.

Bei einem der Beispiele wird ebenfalls von einer SOI-Scheibe, bestehend aus der Trägerscheibe 1 , dem vergrabenen Isolator 2 und der aktiven Siliziumschicht oder -scheibe 3 ausgegangen und auf der aktiven Siliziumschicht 3 eine Maskierungsschicht 7 erzeugt und strukturiert, die in einer Ausführungsform aus Siliziumdioxid aufgebaut ist, während in anderen Ausführungsformen auch andere geeignete Materialien, bspw. Siliziumnitrid, eingesetzt werden können, siehe Fig. 2.

In der gezeigten Ausführungsform ist die Maskierungsschicht 7 als Oxidschicht vorgesehen und daher wird die Schicht auch als Maskierungsoxidschicht 7 bezeichnet, die dann eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke der Schicht 2 als vergrabenes Oxid.

Bei Verwendung von beispielsweise Siliziumnitrid kann die Maskierungsschicht 7 auch mit einer geringeren Dicke hergestellt werden. Mit Hilfe der Maskierungsschicht 7 werden Gräben 8 und 9 mit unterschiedlicher Breite bis auf die vergrabene Oxidschicht 2 geätzt, siehe Figur 3.

Es wird danach eine Grabenisolationsschicht 10 (auftragend) abgeschieden oder (thermisch) gebildet.

In einer ersten Ausführungsform gemäß Figur 4 ist diese Grabenisolationsschicht 10 eine CVD-Schicht. Ein verbleibender Graben 9 ¹ oder 8 ¹ ist weniger breit als der

Ausgangsgraben 9 bzw. 8. In anderen Ausführungsformen wird eine Grabenisolationsschicht 10' (nicht gesondert dargestellt, aber für den Fachmann gut vorstellbar) im Wesentlichen selektiv an den Grabenseitenwänden durch eine thermische Oxidation gebildet.

Mit der Abscheidung eines Verfüllmaterials, bspw. In Form einer Polysiliziumschicht 11 , wird der schmale Graben 8' mit einer Füllschicht 18 ausgefüllt, der breite Graben 9' wird nur an den gegenüberliegenden Grabenseitenwänden ausgekleidet, d.h. nicht komplett verfüllt, wie das in Figur 5 dargestellt ist. Es verbleibt ein noch schmälerer offener Graben 9", seitlich und unten begrenzt von den abgeschiedenen Schichtabschnitten 11a,11b und 11c der Schicht 11 bei der ersten Ausführung.

In Figur 6 ist die Struktur nach einem Polysiliziumätzschritt gezeigt. Das Polysilizium 11 wurde an der Oberfläche und am Grabenboden 9a im breiten Graben 9" entfernt, so dass die Grabenisolationsschicht 10 mit ihrem Bodenabschnitt 10a freigelegt wird, wenn diese durch CVD Abscheidung gebildet ist.

Für eine selektiv an den Seitenwänden hergestellte Grabenisolationsschicht 10', beispielsweise durch die thermische Oxidation, wird durch diesen Ätzschritt die vergrabene Schicht 2 freigelegt.

Der schmale Graben 8 bleibt weiterhin mit Polysilizium verfüllt. Im breiter gewordenen Graben 9* bleibt an jeder Seitenwand ein Polysiliziumspacer 12 stehen.

Durch eine (gezielte) Einstellung der Polysiliziumätzung wird erreicht, dass der Polysiliziumspacer 12 eine gewünschte Höhe erhält. Figur 7 zeigt die Struktur nach einer Oxidätzung, vorzugsweise mittels einer plasmachemischen Ätzung ausgeführt, bei der das vergrabene Oxid 2 am Boden 9a des erneut breiter gewordenen Grabens 9** und die Schicht 10a (als Teil der Schicht 10) am Boden durchgeätzt wurden. In der anderen (thermischen) Ausführungsform ist der Schichtabschnitt 10a am Grabenboden im Wesentlichen nicht ausgebildet und es wird somit im Wesentlichen nur die vergrabene Schicht 2 durchgeätzt.

Dabei wird auch ein Teil des Oxids in der gezeigten Ausführungsform von der Oberfläche entfernt. Da die Maskierungsschicht 7, wenn diese aus Oxid aufgebaut ist, eine größere Dicke hatte als die vergrabene Oxidschicht 2, bleibt auf der Oberfläche eine Restoxidschicht 13 stehen.

Wenn die Maskierungsschicht 7 Siliziumnitrid aufweist, kann das Oxid der vergrabenen Schicht 2 und, falls dort ausgebildet, das Oxid des Schichtabschnitts 10a selektiv zu

dem Siliziumnitrid der Maskierungsschicht 7 entfernt werden, ohne dass die Dicke der Maskierungsschicht kritisch ist.

Der schmalere Isolationsgraben 8 mit isolierendem Füllstoff 18 auf der linken Seite in Figur 7 bleibt komplett ausgefüllt.

Anschließend wird durch die Abscheidung einer zweiten Verfüllschicht 14 mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit auch der breitere Isolationsgraben 9 hier in der Breite als 9** mit leitfähigem Verfüllmaterial 19 verfüllt, siehe Fig. 8. Mit einer CMP (chemisch mechanische Politur) wird die Oberfläche 20 bevorzugt planarisiert, siehe Figur 9.

Alle vertikalen Schichten in beiden Gräben 9,8 erreichen die planarisierte Oberfläche.

Bauelemente, wie hochsperrende Halbleiter, bspw. MOSFET mit Sperrspannungen oberhalb von 300 V können auf oder in die aktive Schicht eingebracht werden; Verfahren der Halbleitertechnologie sind dazu bekannt.

Durch die elektrisch leitende zweite Verfüllschicht 19 kann die Trägerscheibe 1 von der Oberfläche aus elektrisch kontaktiert werden. Nebendran steht ein isolierender Graben 8 zur Verfügung. Das Substrat floatet potentialmäßig nicht mehr.

Bezugszeichen.

1 : Trägerscheibe der SOI-Scheibe, "Handlewafer"

2: Vergrabene isolierende Schicht, z.B. SiO ₂ als

"Buried Oxide"

3: aktive Siliziumschicht "Devicewafer"

4: isolierende Schicht, z.B. SiO ₂

5: Füllschicht, z.B. Polysilizium

6: Isolationsgraben ("Trench")

7: Maskierungsschicht aus SiO ₂

8: Isolationsgraben mit geringer Breite

8': Isolationsgraben im Zuge der Bearbeitung

9: Graben mit größerer Breite

9',9",9*,9**: Graben 9 im Zuge der Bearbeitung

9a Grabenboden

10a Isolationsabschnitt am Grabenboden

10: Isolationsoxid

11 : erste Verfüllschicht (isolierend)

12: Zurückgeätzte Verfüllschicht 11 im breiteren

Graben als Spacer 12

13: Zurückgeätzte Maskierungsschicht 7, bspw. Oxid

14: zweite leitende Verfüllschicht

18: Verfüllung des schmalen Isolationsgrabens 8

19: Verfüllung des breiten Grabens 9

20: Planarisierte Oberfläche

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