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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer
Halbleiteranordnung, bei dem eine Vertiefung in einer Oberfläche eines
Halbleitersubstrats gefüllt wird, indem dieses mit einer vorplanarisierten Füllschicht und einer
weiteren Planarisationsschicht bedeckt wird, woraufhin das Substrat in Kontakt mit
einem Ätzmittel gebracht wird, in dem die Planarisationsschicht und die vorplanarisierte
Füllschicht mit nahezu gleicher Rate geätzt werden.
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Die Vertiefung in der Oberfläche des Halbleitersubstrats kann ein in das
Substrat eingeätzter Graben sein, es kann aber auch ein Raum sein, der sich zwischen
auf dem Substrat aufgebrachten Leiterbahnen (beispielsweise aus Aluminium oder
polykristallinem Silizium) befindet, oder es kann ein in einer Isolierschicht angebrachtes
Fenster sein. Die Ätzbehandlung mit dem Ätzmittel, in dem die Planarisationsschicht
und die vorplanarisierte Füllschicht mit praktisch gleicher Rate geätzt werden, kann zu
verschiedenen Zeitpunkten gestoppt werden. Beispielsweise kann sie zu dem Zeitpunkt
gestoppt werden, zu dem die Oberfläche des Halbleitersubstrats erreicht wird; die
Vertiefung ist dann gefüllt, während auf der Oberfläche neben der Vertiefung kein
Füllmaterial vorhanden ist. So können beispielsweise Gräben in einer Siliziumoberfläche mit
einem Isoliermaterial gefüllt werden. Alternativ kann ein Leiter wie beispielsweise
Aluminium in Gräben oder Fenstern in einer Isolierschicht angebracht werden. Die
Ätzbehandlung kann auch gestoppt werden, bevor die Oberfläche des Halbleitersubstrats
erreicht wird; die Vertiefung ist dann gefüllt, während auch auf dem Substrat neben der
Vertiefung eine Schicht des Füllmaterials vorhanden ist. So können beispielsweise
Leiterbahnen in Isoliermaterial "verpackt" werden. In all diesen Fällen wird eine
Halbleiteranordnung mit einem flachen planarisierten Aufbau erhalten.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus IBM-TDB, Bd 25, Nr.
11 B, 1983, S. 6129-30 bekannt, wo ein Graben in einer Siliziumoberfläche mit
Siliziumoxid gefüllt wird. Dieses Verfahren entspricht dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die
vorplanarisierte Füllschicht wird in diesem Fall in zwei Verarbeitungsschritten gebildet.
Erst wird die Oberfläche mit einer ersten Siliziumoxidschicht bedeckt. Dann wird am
Ort der Vertiefung eine Fotolackmaske angebracht. Anschließend wird der Teil der
ersten Siliziumoxidschicht, der nicht von der Fotolackmaske bedeckt wird, weggeätzt.
Die Siliziumoberfläche neben dem Graben wird vollständig freigelegt. Es wird auch
Siliziumoxid aus dem Graben entfernt, wobei auch Silizium an einer Kante des Grabens
freigelegt wird. Nach dieser Ätzbehandlung wird die Fotolackmaske entfernt und die
Oberfläche mit einer zweiten Schicht aus Siliziumoxid bedeckt. So wird die Vertiefung
in der Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer vergleichsweise flachen
vorplanarisierten Schicht gefüllt. Wegen der zweiten Siliziumoxidschicht braucht nicht der ganze
Graben, sondern nur dessen Kante gefüllt zu werden, an der während der
Ätzbehandlung Siliziumoxid der ersten Schicht weggeätzt worden ist. Da nun wesentlich kleinere
Räume gefüllt werden müssen, hat die zweite Siliziumoxidschicht eine vergleichsweise
ebene Oberfläche.
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Außer der Tatsache, daß bei dem beschriebenen bekannten Verfahren zwei
Abscheidungen von Siliziumoxid erforderlich sind, hat dieses Verfahren weiterhin den
Nachteil, daß während der zweiten Abscheidung die sehr kleinen Räume an der Kante
der Vertiefung gefüllt werden müssen. Um zu vermeiden, daß Aushöhlungen in der
Schicht gebildet werden, muß ein Abscheideprozeß mit einer sehr guten
Stufenbedeckung angewendet werden, oder es muß eine Siliziumoxidschicht angebracht werden,
die sich während einer dann zusätzlich durchzuführenden Wärmebehandlung verflüssigt,
wobei dann alle vorhandenen Aushöhlungen verschwinden. Im letztgenannten Fall muß
das Siliziumoxid eine relativ große Menge an Zusätzen wie Bor oder Phosphor
enthalten. Dies kann sehr hinderlich sein, da dieser Zusatz während der Wärmebehandlung
zur Verflüssigung der Siliziumoxidschicht in das darunterliegende und benachbarte
Silizium diffundieren kann. Es können dann in unerwünschter Weise dotierte
Halbleiterzonen in der Siliziumschicht gebildet werden, oder bereits in ihr vorhandene Zonen
können unerwünschte Eigenschaften annehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es unter anderem, die genannten Nachteile zu
beseitigen.
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Dazu ist dieses Verfahren erfindungsgemäß so wie in Anspruch 1 definiert
gekennzeichnet.
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Eine einzelne Abscheidung ist ausreichend, um die vorplanarisierte
Füllschicht
anzubringen. Da die Schicht aus Füllmaterial nur über einen Teil ihrer Dicke
weggeätzt wird, bleibt die Vertiefung auf ihrer gesamten Fläche mit Füllmaterial
bedeckt. An den Kanten der Vertiefungen werden keine Räume gebildet, in denen das
darunterliegende Substrat freigelegt wird. Da die Vertiefungen relativ groß sind, ist es
relativ einfach, sie zu füllen. Darum brauchen nicht so strenge Anforderungen an die
Stufenbedeckung des angewendeten Abscheideprozesses gestellt zu werden. Außerdem
braucht das Füllmaterial keine weiteren Zusätze zu enthalten, die zu einer leichten
Verflüssigung während einer zusätzlichen Wärmebehandlung führen würden. Diese
zusätzliche Wärmebehandlung kann entfallen. Auch wird so einer unerwünschte
Dotierung des darunterliegenden und des benachbarten Substrats entgegengewirkt.
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Eine flache vorplanarisierte Schicht wird erhalten, wenn der Prozeß zur
Ätzung des Füllmaterials erfindungsgemäß fortgesetzt wird, bis die Schicht aus
Füllmaterial neben den Vertiefungen praktisch das gleiche Niveau wie am Ort der
Vertiefungen erreicht hat.
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In der Praxis kann dies auf sehr einfache Weise verwirklicht werden,
wenn die Schicht aus Füllmaterial erfindungsgemäß mit einer obersten Schicht gebildet
wird, die selektiv weggeätzt werden kann und eine Dicke hat, die nahezu gleich der
Tiefe der Vertiefung ist. Die Bezeichnung "oberste Schicht, die selektiv weggeätzt
werden kann" ist hier so zu verstehen, daß damit eine oberste Schicht gemeint wird, die
auf eine solche Weise weggeätzt werden kann, daß der unter der obersten Schicht
liegende Teil der Füllschicht praktisch nicht angegriffen wird, oder daß mittels einer
Endpunktdetektion leicht die Tatsache erkannt werden kann, daß der unter der obersten
Schicht liegende Teil der Füllschicht erreicht worden ist. Im zweiten Fall muß dann die
Ätzbehandlung gestoppt werden. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß, wenn die
oberste Schicht der Schicht aus Füllmaterial neben der Vertiefung entfernt worden ist,
diese Schicht dort genau das gleiche Niveau erreicht hat wie am Ort der Vertiefung.
Dies kann auf einfache Weise erreicht werden, indem die Füllschicht am Ort der
Vertiefung mit einer Ätzmaske versehen wird und das Substrat dann einer Ätzbehandlung
unterzogen wird, bei der Teile der obersten Schicht, die nicht von der Ätzmaske
bedeckt sind, selektiv entfernt werden.
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Vorzugsweise wird die oberste Schicht erfindungsgemäß auf einer
Zwischenschicht angebracht, die selektiv weggeätzt werden kann. Die oberste Schicht kann
dann selektiv von der Zwischenschicht abgeätzt werden, die ihrerseits von einer
darunterliegenden Schicht der unter der Zwischenschicht liegenden Füllschicht abgeätzt
werden kann. In diesem Fall besteht die Füllschicht also aus drei Teilschichten: der
obersten Schicht, der Zwischenschicht und der Basisschicht. Nach einer
Vorplanarisierung, bei der die oberste Schicht neben der Vertiefung beseitigt wird, besteht die
vorplanarisierte Füllschicht aus benachbarten Teilen der obersten Schicht (oberhalb der
Vertiefung) und der Basisschicht (unterhalb der Vertiefung). Da diese Teile aus
demselben Material hergestellt sind, kann die nächste Planarisierungsbehandlung - bei
der eine Planarisierungsschicht gebildet wird - ohne Schwierigkeiten durchgeführt
werden. Wenn sich auf dem Substrat nebeneinander Gebiete aus unterschiedlichen
Materialien befinden, kann dies zu Ätzinhomogenitäten führen. Wenn beispielsweise
Fotolack- und Siliziumoxidgebiete nebeneinander liegen, hängt die Rate, mit der der
Fotolack geätzt wird, stark von der Größe der benachbarten Siliziumoxidschicht ab.
Wenn viele dieser Gebiete unterschiedlicher Größe sich nebeneinander auf dem Substrat
befinden, verändert sich die Ätzrate von Stelle zu Stelle, so daß ein inhomogener
Ätzprozeß erhalten wird. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Fall, vor
allem dann nicht, wenn die relativ dünne Zwischenschicht neben der Vertiefung vor der
weiteren Planarisierungsbehandlung entfernt wird.
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Vorzugsweise wird erfindungsgemäß während des Ätzens der Schicht aus
Füllmaterial eine Fotolackmaske verwendet, deren transversale Abmessungen kleiner
sind als die der Vertiefungen; in einer Projektionsansicht liegt die Fotolackmaske dann
innerhalb der Vertiefungen. So wird eine vorplanarisierte Schicht erhalten, die Gräben
oberhalb der Kanten der Vertiefungen aufweist. Eine solche Schicht ist zur weiteren
Planarisierung besser geeignet. Oberhalb der Vertiefungen liegende Teile der
Fotolackmaske können ebenfalls transversale Abmessungen haben, die größer oder gleich den
Abmessungen der Vertiefungen sind. Nach dem Ätzen weist die Füllschicht dann
erhabene Teile auf, die sich oberhalb der Kanten der Vertiefungen befinden. Diese Form ist
zur weiteren Planarisierung weniger geeignet.
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Wenn eine Schicht aus Füllmaterial angebracht wird, die eine
Gesamtdicke von weniger als dem Zweifachen der Tiefe der Vertiefung in der Oberfläche hat,
ist die Vertiefung homogen gefüllt, nachdem die weitere Planarisierung durchgeführt
worden ist. Neben dem Material der vorplanarisierten Füllschicht ist dann kein Material
der weiteren Planarisierungsschicht in den Vertiefungen vorhanden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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die Figuren 1 bis 5 schematisch und im Querschnitt einige
aufeinanderfolgende Herstellungsstadien für eine Halbleiteranordnung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren und
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die Figuren 6 bis 16 schematisch und im Querschnitt einige zu den in den
Figuren 1 bis 5 gezeigten Stadien alternative Stadien.
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Die Figuren 1 bis 5 zeigen schematisch und im Querschnitt einige
aufeinanderfolgende Herstellungsstadien für eine Halbleiteranordnung nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren, wobei Vertiefungen 1, 2 und 3 in einer Oberfläche 4 eines
Halbleitersubstrats 5 gefüllt werden. Diese Vertiefungen können in das Substrat geätzte
Gräben sein, es können aber auch Räume sein, die sich zwischen auf dem Substrat
angebrachten Halbleiterbahnen befinden, oder in einer Isolierschicht angebrachte
Fenster. Die Erfindung soll im folgenden für in das Halbleitersubstrat 4 aus
monokristallinem Silizium geätzte Gräben 1, 2 und 3 beschrieben werden. Die Vertiefungen 1, 2
und 3 werden gefüllt, indem die Oberfläche 4 mit einer Füllschicht aus Siliziumoxid 6
bedeckt wird, die mittels einer am Ort der Vertiefungen 1 und 3 angebrachten
Fotolackmaske 7 vorplanarisiert ist. Die vorplanarisierte Schicht 8 wird dann mit einer weiteren
Planarisierungsschicht 9 aus beispielsweise Fotolack HPR 204 von Hunt oder mit einer
mit Phosphor und Bor dotierten Siliziumoxidschicht bedeckt und dann in Kontakt mit
einem Ätzmittel gebracht, in dem die Planarisierungsschicht 9 und die vorplanarisierte
Füllschicht 8 mit nahezu gleicher Rate geätzt werden.
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Die Ätzbehandlung kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten gestoppt
werden, beispielsweise, wie in Figur 5 gezeigt, zu dem Zeitpunkt, zu dem die Oberfläche 4
des Halbleitersubstrats 5 erreicht wird. Die Vertiefungen 1, 2 und 3 sind dann gefüllt,
während auf der Oberfläche 4 neben den Vertiefungen 1, 2 und 3 kein Füllmaterial
vorhanden ist. Wenn die Vertiefungen mit Isoliermaterial gefüllt sind, können die
gefüllten Vertiefungen 1, 2 und 3 als Feldisolationsbereiche in der Halbleiteranordnung
dienen. Transistoren und andere Halbleiterelemente können dann in üblicher Weise in
den zwischen diesen Isolationsbereichen liegenden Siliziumbereichen 10 angebracht
werden. Wenn die Vertiefungen 1, 2 und 3 Gräben oder Fenster in einem
Isoliermaterial
sind, kann ein Leiter aus Aluminium oder polykristallinem Silizium in diesen Gräben
1, 2 und 3 angebracht werden.
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Die Ätzbehandlung kann auch gestoppt werden, bevor die Oberfläche 4
des Halbleitersubstrats erreicht worden ist. Ein solcher Fall ist in Figur 6 gezeigt. Die
Vertiefungen 1, 2 und 3 sind in diesem Fall die zwischen den Leiterbahnen 11 auf dem
Substrat 5 liegenden Räume. Die Leiterbahnen sind in diesem Fall in Isoliermaterial der
Füllschicht 8 "verpackt".
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Erfindungsgemäß wird die vorplanarisierte Füllschicht 8 gebildet, indem
die Oberfläche mit einer Schicht aus Füllmaterial 6 bedeckt wird und diese Schicht dann
neben den Vertiefungen 1, 3 bis auf einen Teil ihrer Dicke entfernt wird. Der Prozeß
zum Erhalt der vorplanarisierten Füllschicht 8 ist somit ein vergleichsweise einfacher
Prozeß; außerdem kann jeder der Gräben 1, 2 und 3 homogen mit nur einer Materialart
gefüllt werden.
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Vorzugsweise wird der Prozeß zur Ätzung der Schicht aus Füllmaterial 6
erfindungsgemäß fortgesetzt bis letzteres auf der Oberfläche 4 neben den Vertiefungen
1, 2 und 3 das gleiche Niveau 12 wie das Niveau 13 am Ort der Vertiefungen 1, 2 und
3 erreicht hat, wo die Fotolackmaske 7 angebracht ist. So wird eine vergleichsweise
flache vorplanarisierte Schicht 8 erhalten.
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Dies kann in der Praxis auf sehr einfache Art und Weise erreicht werden,
wie in Figur 7 und 8 gezeigt, wenn die Schicht aus Füllmaterial 6 erfindungsgemäß mit
einer obersten Schicht 15 gebildet wird, die selektiv weggeätzt werden kann und eine
durch eine Abmessung 16 angegebene Dicke aufweist, die praktisch gleich der Dicke
der Vertiefungen 1, 2 und 3 ist, die durch eine Abmessung 17 angegeben wird. Die
beispielsweise aus polykristallinem Silizium bestehende oberste Schicht 15 liegt auf
einer beispielsweise aus Siliziumoxid bestehenden Basisschicht 18. Die oberste Schicht
15 kann von der Basisschicht 18 in üblicher Weise abgeätzt werden, wobei die
Basisschicht 18 nahezu nicht angegriffen wird. Die oberste Schicht 15 kann auch weggeätzt
werden, bis die Basisschicht 18 erreicht wird, wobei dies mittels einer
Endpunktdetektion festgestellt wird, woraufhin der Ätzprozeß gestoppt wird. Im ersten Fall kann
eine Naßätzbehandlung eingesetzt werden, während im zweiten Fall eine
Trockenätzbehandlung in einem Ätzplasma durchgeführt werden kann. Nach Anbringung der
Fotolackmaske 7 wird der nicht von der Fotolackmaske 7 bedeckte Teil der obersten Schicht
15 der Schicht aus Füllmaterial 6 weggeätzt. Es zeigt sich, daß die Teile neben und
oberhalb der Vertiefungen 1, 3 der in Figur 8 gezeigten vorplanarisierten Füllschicht 19
sich genau auf dem gleichen Niveau befinden.
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Vorzugsweise wird die oberste Schicht 15 erfindungsgemäß - wie in Figur
9 gezeigt - auf einer Zwischenschicht 20 angebracht, die selektiv geätzt werden kann.
Die oberste Schicht 15 aus beispielsweise Siliziumoxid kann dann selektiv von der
Zwischenschicht 20 aus beispielsweise Siliziumnitrid abgeätzt werden, die ihrerseits von
der Basisschicht 18 aus beispielsweise Siliziumoxid selektiv abgeätzt werden. Nachdem
die nicht von der Fotolackmaske bedeckten Teile der obersten Schicht 15 entfernt
worden sind, wird die vorplanarisierte Schicht 21 gebildet. Wenn nun die unbedeckten
Teile der Zwischenschicht 20 ebenfalls entfernt werden, hat die vorplanarisierte Schicht
22 das in Figur 11 gezeigte Aussehen. Diese Schicht 22 besteht oberhalb und neben den
Vertiefungen 1, 2 und 3 aus demselben Material (was übrigens auch bei der Schicht 8
aus Figur 4 der Fall war, aber in diesem Fall war es viel schwieriger, den Ätzprozeß
rechtzeitig während der Vorplanarisierung zu stoppen). Dies hat den Vorteil, daß, wenn
während der weiteren Planarisierung (bei der die Planarisierungsschicht 9 gebildet und
geätzt wird, wobei diese Schicht 9 mit praktisch der gleichen Rate wie die Füllschicht
22 geätzt wird) das mit einer gestrichelten Linie 23 angegebene Niveau erreicht wird,
praktisch nur die gleichen Materialien geätzt werden müssen. Dies gilt um so mehr,
wenn die Schicht 9 ebenfalls aus Siliziumoxid besteht. In einem solchen Falle erfolgt
der Ätzprozeß in sehr viel homogenerer Art und Weise, als wenn unterschiedliche
benachbarte Materialien geätzt werden müssen.
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Während des Ätzprozesses kann die Zwischenschicht 20 bei der weiteren
Planarisierung auch zur Endpunktdetektion genutzt werden; der Ätzprozeß kann
gestoppt werden, wenn das mit einer gestrichelten Linie 24 angegebene Niveau erreicht
wird. Dann stellt sich die in Figur 13 gezeigte Situation ein oder, nach Entfernung der
noch verbliebenen Teile der Zwischenschicht 20, die in Figur 14 gezeigte Situation.
Die in Figur 14 gezeigte Situation, bei der noch Füllmaterial der Basisschicht 18 auch
auf der Oberfläche 4 neben den Vertiefungen vorhanden ist, kann vollständig mittels
Trockenätzung in einem Plasma oder mit reaktiven Ionen erhalten werden. Wenn die
Ätzbehandlung in einem Ätzbad fortgesetzt wird, kann die in Figur 5 gezeigte flache
Struktur erhalten werden, wobei die Siliziumgebiete während der Trockenätzbehandlung
nicht beschädigt worden sind. Während dieser Behandlung wurden diese Gebiete durch
die Basisschicht 18 geschützt. Die Basisschicht 18 muß zu diesem Zweck geringfügig
dicker sein als die Tiefe 17 der Vertiefungen 1, 2 und 3.
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Wie in den Figuren 15 und 16 gezeigt, können die oberhalb der
Vertiefungen 1 und 3 liegenden Teile der Fotolackmaske 25 transversale Abmessungen
haben, die größer oder gleich denjenigen der Vertiefungen sind. Nach dem Ätzprozeß
weist die vorplanarisierte Schicht 26 erhabene Teile 27 oberhalb der Kanten der
Vertiefungen 1 und 3 auf. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß, wie in Figur 2 gezeigt,
während des Prozesses zur Ätzung der Schicht aus Füllmaterial 6 eine Fotolackmaske
verwendet, deren transversale Abmessungen kleiner sind als diejenigen der Vertiefungen
1 und 3. Die Fotolackmaske 7 liegt dann, in Projektionsansicht betrachtet, innerhalb der
Vertiefungen 1 und 3, wie mit gestrichelten Linien 28 angegeben ist. So wird eine
vorplanarisierte Schicht 8 erhalten, die Gräben 29 oberhalb der Kanten der Vertiefungen
1 und 3 aufweist. Eine solche Schicht ist zur weiteren Planarisierung besser geeignet.
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In der Praxis braucht die Fotolackschicht 7 nur oberhalb der Vertiefungen
1 und 3 angebracht zu werden, in denen die Schicht aus Füllmaterial 6 eine nahezu
ebene Oberfläche 19 aufweist. Diese Vertiefungen sind in der Praxis Vertiefungen mit
vergleichsweise großen transversalen Abmessungen (beispielsweise mehr als 3 x 3 um).
Mittels einer einzelnen Planarisierungsschicht und einer Ätzbehandlung ohne weitere
Mittel können so große Vertiefungen in üblicher Weise nur unter Schwierigkeiten in
planarisierter Form gefüllt werden. Bei kleinen Vertiefungen (beispielsweise von
ungefähr 1 x 1 um), wie beispielsweise die Vertiefung 2 in der Zeichnung, ist dies
jedoch gut möglich. Die Vertiefung 2 wird mittels der Planarisierungsschicht 9 gefüllt,
und die Ätzbehandlung wird nach Anbringung dieser Schicht durchgeführt. Es wird
dann eine zufriedenstellende Planarisierung erhalten. Darum ist es praktisch und
einfach, die Füllschicht 6 nur am Ort der relativ großen Vertiefungen 1 und 3
vorzuplanarisieren.
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Die einzelne Schicht aus Füllmaterial 6 wird, wie in Figur 2 gezeigt, mit
einer Dicke angebracht, die durch eine Abmessung 30 angegeben wird und wenigstens
das Zweifache der durch die Abmessung 17 angegebenen Tiefe der Vertiefungen 1, 2
und 3 in der Oberfläche beträgt. Nach der weiteren Planarisierung werden die
Vertiefungen 1, 2 und 3 homogen mit Füllmaterial gefüllt. In den Vertiefungen 1, 2 und 3
ist nur Material der Füllschicht 6 vorhanden.
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Die Vertiefungen 1, 2 und 3, die in der Praxis Abmessungen von mehr als
0,5 x 0,5 um haben, können einfach und zufriedenstellend gefüllt werden, indem die
Oberfläche mit einer Schicht aus Füllmaterial 6 dadurch bedeckt wird, daß das Substrat
5 in einem nur Tetraethylorthosilicat und ein Inertgas enthaltenden Gasstrom auf eine
Temperatur von 600 bis 800º C erhitzt wird. So werden die Vertiefungen 1, 2 und 3
mit Siliziumoxid gefüllt, das weiter keine Substanzen enthält, die in das
darunterliegende Substrat 5 diffundieren könnten und dort eine unerwünschte Dotierung
hervorrufen würden. Um noch kleinere Vertiefungen zu füllen, werden häufig Phosphor und
Bor zugesetzt. Eine solche Schicht folgt exakt der Oberfläche 4, so daß
Niveauunterschiede in der Schicht oberhalb und neben den Vertiefungen genau gleich der Tiefe der
Vertiefungen 1, 2 und 3 sind. Vorzugsweise wird die gesamte Füllschicht auf diese
Weise gebildet, auf jeden Fall jedoch die Basisschicht und im Falle einer
Zwischenschicht auch die oberste Schicht.