DE1614455C3 - Verfahren zum Herstellen einer teils aus Siliciumoxid, teils aus Siliciumnitrid bestehenden Schutzschicht an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer teils aus Siliciumoxid, teils aus Siliciumnitrid bestehenden Schutzschicht an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers

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DE1614455C3
DE1614455C3 DE1614455A DES0108862A DE1614455C3 DE 1614455 C3 DE1614455 C3 DE 1614455C3 DE 1614455 A DE1614455 A DE 1614455A DE S0108862 A DES0108862 A DE S0108862A DE 1614455 C3 DE1614455 C3 DE 1614455C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer teils aus Siliciumoxid, teils aus Siliciumnitrid bestehenden Schutzschicht an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers, bei dem aus Siliciumoxid und aus Siliciumnitrid bestehende Schichten an der Oberfläche eines Halbleiterkristalles unmittelbar übereinander durch Abscheiden der Schutzschichtmaterialien aus der Gasphase angeordnet werden.
Es ist üblich, die Oberfläche von Halbleiterbauelementen mit einer dünnen Schutzschicht aus Siliciumoxid zu versehen. Vielfach wird diese Schutzschicht bereits bei der Herstellung des Halbleiterbauelements, z. B. bei Verwendung der sogenannten Planartechnik, benötigt, um ein lokalisiertes Eindiffundieren von Dotierungsstoffen aus der Gasphase in den Halbleitcrkristall zu ermöglichen. SiO:-Schichtcn besitzen bekanntlich die Eigenschaft, daß sie von einer Reihe der üblichen Dotierungsstoffe undurchdringbar sind. Folglich lassen sich derartige Schutzschichten als Maskierung verwenden. Neuerdings kommen als weitere Schutzschicht· materialien Siliciumnitridschichten in Betracht.
Soll eine SiO'-Schutzschicht an der Oberfläche eines Siliciumkristalls erzeugt werden, so hat man die Möglichkeit, diese Schutzschicht einfach durch Oxydation der Halbleiteroberfläche zu erreichen. Wesentlich schwieriger ist es, die Halbleiteroberfläche'zu nitrieren, um eine Siliciumnitridschicht zu erzeugen. Bei anderen Halbleitern, z. B. bei Germanium, ist man genötigt, das to Material der Schutzschicht, falls es aus SiO: bzw. SiiN-i bestehen soll, aus der Gasphase, d. h. durch thermische Umsetzung eines Reaktionsgases, an der erhitzten Oberfläche des Halbleiterkristalles niederzuschlagen. Es sind eine Reihe von Reaktionsgasen bekannt, welche das Verlangte zur Herstellung einer SiO.'-Schicht leisten. Ferner sind auch verschiedene Verfahren zur Herstellung einer SUN-»- Schutzschicht an der Oberfläche eines Halbleiterkristalls vorgeschlagen worden.
Bei diesem Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht aus einer Silicium- oder Germaniumstickstoffverbindung an der Oberfläche eines Halbleiterkristalles, vorzugsweise aus Silicium oder Germanium, oder einer AHIBV-Verbindung. durch thermische Abscheidung der Halbleiterstickstoffverbindung aus der Gasphase wird ein Reaktionsgas, welches als aktiven Bestandteil eine metallfreie flüchtige Verbindung zwischen Stickstoff und dem Halbleiter, z. B. Silicium, enthält, verwendet. Ein weiteres Verfahren bildet den Gegenstand des älteren deutschen Patents 15 44 288. Dieses bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht aus einer festen Halbleiter-Stickstoff-Verbindung für Halbleiterzwecke, insbesondere an der Oberfläche eines Halbleiterkristalls aus Silicium oder Germanium oder einer AM'BV-Verbindung, durch thermische oder elektrothermische Abscheidung der Halbleiter-Stickstoff-Verbindung aus der Gasphase, bei dem das verwendete Reaktionsgas aus einer neben Halogen höchstens noch Wasserstoff und/oder Alkyl- bzw. Arylreste enthaltenden Verbindung eines halbleitenden Elements und einer flüchtigen, gegebenenfalls alkylierten Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung erst unmittelbar an der zu beschichtenden Halbleiteroberfläche aus seinen Komponenten zusammengesetzt und an der erhitzten Halbleiteroberfläche unter Bildung von Halbleiternitrid zur Reaktion gebraucht wird.
Es wurde nun bereits vorgeschlagen, solche aus Siliciumnitrid und Siliciumoxiden kombinierten Schutzschichten an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers anzuwenden. Durch die Anwendung einer aus mindestens zwei übereinander angeordneten Schutzschichten, von denen mindestens eine aus Siliciumdioxid und mindestens ein eine aus Siliciumnitrid besteht, lassen sich die Vorteile beider Schutzschichten, nämlich die niedere Termdichte einer SiO2-Schutzschicht und eine gute Maskierungswirkung einer SijN^Schicht gegen loneneinwanderung von der Schichtoberl'läche miteinander vereinigen.
Eine Möglichkeit der Erzeugung einer solchen Schutzschicht an der Oberfläche eines aus Silicium bestehenden Kristalls besteht darin, daß man zunächst die Siliciumoberfläche thermisch oxydiert und dann auf der Schutzschicht, beispielsweise unter Verwendung der eingangs beschriebenen Verfahren, aus der Gasphase eine Siliciumnitridschicht auf der Siliciumoxidschicht zur Abscheidung bringt. Umgekehrt besteht die Möglichkeit, zunächst ein Reaktionsgas zu verwenden, welches zur Abscheidung einer Siliciumnitridschicht
befähigt ist und dann dieses Reaktionsgas später durch ein Reaktionsgas zu ersetzen, welches zur Abscheidung einer Siliciumoxidschicht befähigt ist.
Als übliches Reaktionsgas zur Herstellung einer Siliciumdioxidschicht kann man z. B. ein. Gemisch von SiCk und Wasserdampf (gegebenenfalls mit einem Inertgas verdünnt) oder ein Gemisch aus Inertgas und Tetraäthoxisilan (= Si[OC2H>]4) verwenden, während zur Darstellung der Siliciumnitndschicht die in den eingangs genannten Patentanmeldungen geschilderten Methoden bzw. ein Gemisch aus Silan (= S1H4) und Ammoniak dienen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zum Herstellen einer teils aus Siliciumoxyd, teils aus Siliciumnitrid bestehenden Schutzschicht anzugeben, bei dem der Wechsel von der Oxid- zur Nitridabscheidung leicht zu vollziehen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß während des gesamten Abscheideprozesses ein zur Abscheidung , von Siliciumnitrid befähigtes Reaktionsgas vorhanden und diesem Reaktionsgas wird während eines Teils des Abscheidungsprozesses ein zur Abgabe von Sauerstoff befähigtes Reaktionsgas in einer solchen Konzentration zugemischt, daß neben mindestens einer zusammenhängenden Schicht aus Siliciumnitrid mindestens eine zusammenhängende Schicht aus Siliciumdioxid an der gleichen Stelle der Halbleiteroberfläche abgeschieden wird.
Den bisher ausgeübten Verfahren gegenüber weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, daß ein Wechsel der aktiven Komponente des Reaktionsgases und auch des Trägergases nicht notwendig ist, und daß der Wechsel von einer Nitridabscheidung zu einer Oxidabscheidung lediglich durch Zugabe einer weiteren, von dotierend oder gar verunreinigend wirkenden Bestandteilen freien Gaskomponente erzielt werden kann, wobei nach Entfernung dieser Komponente aus dem Reaktionsgas die Abscheidung des Siliciumdioxides wieder in die Abscheidung von Siliciumnitrid übergeführt werden kann. Das Auftreten zusätzlicher, gegebenenfalls eine Beeinträchtigung nachfolgend abzuscheidender Siliciumnitridsehichten bewirktender Bestandteile des für die Abscheidung der Siliciumdioxidschicht verwendeten Reaktionsgases, die sich dann später während der Abscheidung der Siliciumnitridschicht ungünstig bemerkbar machen könnten, ist also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.
Bedenkt man, daß die Bindungsenergie der Si-N-Bindung 105 Kc/Mol, die der Si-O-Bindung hingegen 192 Kc/Mol beträgt und somit fast doppelt so groß ist, so wird verständlich, daß Sauerstoff in der Lage ist, bei entsprechender Aktivierung die Stickstoff-Siliciumbindung zu zerreißen und sich an die Stelle des Stickstoffes zu setzen. Die Bemessung der Konzentration an dem Reaktionsgas zum Zwecke der Siliciumdioxidabscheidung zuzusetzendem Sauerstoff, Wasserdampf oder anderem, zur Abgabe von Sauerstoff an das Silicium befähigtem Reaktionsgas läßt sich somit ohne Schwierigkeit festlegen.
Auf Grund der viel höeren Affinität vom Sauerstoff können bei Temperaturen bis etwa 1200° C in Anwesenheit ausreichender Mengen von Sauerstoff und/oder Wasserdampf und/oder Sauerstoff- bzw. Wasserdampf-abspaltender Verbindungen auch bei Vorliegen eines Reaktionsgases, dessen aktiver Bestandteil bereits die Si-N-Bindung im vornherein erhält, reine SiO2-Schichten gebildet werden, die kein Siliciumnitrid mehr enthalten.
Für das Reaktionsgas kommen vor allem folgende Stoffe in Betracht: Silane z. B. S1H4 oder Halogensilane, z. B. SiCU, die mit Ammoniak oder einer anderen Wasserstoff und Stickstoff enthaltenden gasförmigen oder leicht flüchtigen Verbindung versetzt sind, gegebenenfalls im Gemisch mit einem inerten Trägergas wie Argon oder Stickstoff, ferner die in den beiden eingangs genannten Patentanmeldungen aufgeführten Stoffe. Diese sind z. B. Silacane, die bereits im vornherein eine Si-N-Bindung enthalten. Allen diesen Stoffen wird beispielsweise reiner Sauerstoff und/oder Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, gegebenenfalls im Gemisch mit Wasserstoff, zugegeben, um an Stelle der an sich erfolgenden Abscheidung von Siliciumnitrid eine Abscheidung von Siliciumdioxid zu erhalten. Insbesondere, will man einen mehrmaligen Wechsel von Siliciumnitrid- und Siliciumdioixidschichten erreichen, empfiehlt es sich, mit strömendem Reaktionsgas zu arbeiten. Als Apparatur kann eine der üblichen Epitaxieanlagen oder ein Rohrofen verwendet werden.
Ein Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an Hand der Figur gegeben.
Ein aus Quarz bestehendes Reaktionsgefäß 1 ist mit einer Zufuhr 2 und einer Abfuhr 3 für das verwendete Reaktionsgas ausgerüstet. Im Innern des Reaktionsgefäßes, beispielsweise an dessen Boden, liegen die mit der Schutzschicht zu versehenden Halbleiterscheiben 5, beispielsweise Halbleiteranordnungen. Aus einem Vorratsgefäß 4 strömt die zur Herstellung der Siliciumnitridsehichten zu verwendende Verbindung im Gemisch mit einem inerten Trägergas, beispielsweise Stickstoff, in das Reaktionsgefäß 1. Zur Erhitzung der zu beschichtenden Scheiben 5 ist eine Heizvorrichtung, beispielsweise eine elektrische Heizplatte 6, vorgesehen, die, wie im Beispielsfalle, außerhalb des Reaktionsraumes angeordnet sein kann. Die anzuwendende Temperatur richtet sich nach speziellen, insbesondere mit der jeweiligen Phase des Herstellungsprozesses verbundenen Gesichtspunkten. Beispielsweise kann man zum Zwecke eines nachfolgenden Diffusionsprozesses mit einer Schutzschicht zu versehende Siliciumeinkristalle weitaus höheren Temperaturen aussetzen (650 bis 1200° C) als dies für nachträglich mit einer Schutzschicht zu überziehende fertige Halbleiterbauelemente der Fall ist. Will man mit besonders niedrigen Temperaturen arbeiten, so genügt es, das Reaktionsgas an der Oberfläche der zu beschichtenden Halbleiterkristalle mit einer niedertemperierten elektrischen Gasentladung, beispielsweise einer Glimmentladung, zu aktivieren.
Zum Zwecke der Siliciumoxidabscheidung ist noch ein weiteres Vorratsgefäß 7 vorgesehen, welches beispielsweise Sauerstoff enthält, der nach Belieben dem aus dem Behälter 4 in das Reaktionsgefäß 1 strömenden Reaktionsgas beigemischt werden kann.
Will man statt der Siliciumnitridsehichten Siliciumoxidschichten erhalten, so braucht man nur die entsprechende Menge von sauerstoffhaltigem Gas bei sonst unveränderten Abscheidebedingungen dem Reaktionsgas beimischen. Die erforderlichen Mengen ergeben sich auf Grund stöchiometrischer Überlegungen, die natürlich je nach der Art des zu verwendenden Reaktionsgases zu etwas unterschiedlichen Ergebnissen führen. Im allgmeinen ist jedoch eine sorgfältige Bemessung des Sauerstoffgehalts nicht erforderlich, weil die anzuwendenden Gase in stark verdünntem Zustand angewendet werden und es dann keine Schwierigkeiten bereitet, einen Überschuß an dem
oxydierenden Gas zu erhalten.
Durch mehr oder weniger schnelles Ab- oder Zuschalten der oxydierenden Komponente kann der Übergang der Oxid- in die Nitridschicht und umgekehrt langsam oder abrupt verlaufend erhalten werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer teils aus Siliciumoxid, teils aus Siliciumnitrid bestehenden Schutzschicht an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers, bei dem aus Siliciumoxyd und aus Siliciumnitrid bestehende Schichten an der Oberfläche eines Halbleiterkristalles unmittelbar übereinander durch Abscheiden der Schutzschichtmaterialien aus der Gasphase angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß während des gesamten Abseheideprozesses ein zur Abscheidung von Siliciumnitrid befähigtes Reaktionsgas vorhanden ist und diesem Reaktionsgas während eines Teils des Abscheidungsprozesses ein zur Abgabe von Sauerstoff befähigtes Reaktionsgas in einer solchen Konzentration zugemischt wird, daß neben mindestens einer zusammenhängenden Schicht aus Siliciumnitrid mindestens eine zusammenhängende Schicht aus Siliciumoxid an der gleichen Stelle der Halbleiteroberfläche abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsgas zum Zwecke der Erzielung einer Abscheidung von Siliciumoxid mindestens eines der Gase Sauerstoff, Wasserstoff b/.vv. bei erhöhter Temperatur Wasserdampf bildende Gase, wie Co: und H_>, zugegeben werden.
J. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgas zur Abscheidung der Siliciumnuridschichten mindestens eine flüchtige Verbindung der folgenden Art vorhanden ist: Siliacan. Aminosilan, Silan, Halogensilan, Alkylsilan. Arylsilan. gegebenenfalls im Gemisch mit flüchtigen Stickstoffverbindungen wie NHi oder einem flüchtigen Amin.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung aus dem Reaktionsgas durch Erhitzung der zu beschichtenden Halbleiterkristalle erreicht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung des Reaktionsgases mittels einer elektrischen Gasentladung bewirkt wird.
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