DE1614540A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE1614540A1 DE1967S0110396 DES0110396A DE1614540A1 DE 1614540 A1 DE1614540 A1 DE 1614540A1 DE 1967S0110396 DE1967S0110396 DE 1967S0110396 DE S0110396 A DES0110396 A DE S0110396A DE 1614540 A1 DE1614540 A1 DE 1614540A1
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silicon
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Description

SpERHY RAHD CORPORAi?IÖK, Hew York, R,Y,, USA
Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft HaXbleiteranordnungen sowie Verfahren zu deren Herstellung.
Pei Halbleiteranordnungen, insbesondere in integrierten Schaltungen, ist es notwendig, eine Schicht aus isolierendem Material aufzubringen, beispielsweise als Dielektrikum in Metall-Oxyd-Halbleitertransiatoren und -dioden, oder ale Passivierungsschicht über p-n-Übergftngen, welche sich bis zu freiliegenden Oberflächen erstrecken. Die Schicht dient ferner im allgemeinen auch als Diffusionemaske bei der Herstellung.
Im Falle von Silioiuraanordnungen ist ea bekannt, für diese Zwecke Schichten aus Siliciuir.dioxyd herzustellen? derartige
:■■■■■■■ ■■-■■■ '.--V;. ■'"■-" ■ .; - :'.; -"■': BAD
Schichten haben jedoch bestimmte Nachteile, vor allem sind zu ihrer Herstellung in "bestimmten Fällen Temperaturen von 1000 0O während langer Zeitdauern erforderlich, während welcher Dotierungselemente durch das Silicium diffundieren und dabei die elektrischen Eigenschaften der Anordnung verändern können. Auch können die Schichten geringe elektrische Stabilität aufweisen» Außerdem ist auch der Dicke derartiger Schichten eine Grenze gesetzt, und zwar durch die Geschwin~ digkeit, mit welcher Sauerstoff während des Herstellungsgangs durch die neu gebildete Oxydschioht diffundieren kann. In dem älteren Patent . ·*·..·, (Patentanmeldung S 104 415 VIb/48b) der Anmelderin ist ein Verfahren zur Herstellung einer isolierenden Schicht aus Siliciumnitrid auf Halbleitern vorgeschlagen, das diesen Nachteilen weniger unterliegt; dieses Verfahren sieht die Reaktion von Siliciumhydrid und Ammoniak an der Halbleiteroberfläche vor. Derartige Sehich= ten führen jedoch zu der weiteren Schwierigkeit bei bestimmten Herstellungsverfahren von Halbleiteranordnungen, daß sie nicht leicht weggeätzt werden können.
Durch die vorliegende Erfindung soll eine Halbleiteranordnung mit einer isolierenden Schicht dieser Art geschaffen werden, welcher leichter ätzbar 1st als reines Siliciumnitrid.
- - ·.. ■ ' " " BAD C3:C£3Ä
•A
00982.7/0480
TS 145.40
Z-u -diesem. Zweck" ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Hal"bleiteranordmmg eine aus oxygeniertem Siliciumnitrid "bestellende Isolierschicht aufweist.
Die Erfindung "betrifft auch ein bevorzugtes Verfahren aur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung mit einer derartigen Isolierschicht» dieses bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung sieht als einen Verfahrensschritt vor, daß man einen Halbleiter in einer Silan9ArffiBoaiak und Stickstoffoxyä enthaltenden Atmosphäre, wohei das Verhältnis des Stickstoff= oxydgehalts zu dem Ammoiiiakgehält bis zu O99 betragen kann, auf eine Temperatur im Bereich von 600 bis 1000 0C erhitzt.
Die genannten Gase können in den erforderlichen Anteilsverhältnissessi: durch ein Reaktionsgefäß geleitet werden9 in v/elchem die erforderliche Temperatur aufrechterhalten wird! sie können dabei mit einem inerten Gas wie beispielsweise Argon verdünnt sein. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann die Temperatur 900 0C und das Verhältnis von Stickst off oxyd zu Ammoniak O925 betragene
Im folgenden werden Äusführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert! in dieser zeigern ; 'ί ,
Figc J in Schnittansicht eii\e nach eineai Verfahren gemäß einer /uisführuügsform der Erfindung hergestellte PlammUoüe?
Ii g„ 2 in Sclmittaiisieht eine nach einem Verfahren gemäß einer Ausftihrmigsform der Erfindung hergestellte Metall -Isolierschicht-Halbleiteranordnurig.
Figo 1 zeigt in Schnittansicht eine Planardiode unter Verwendung eia&r oxygeniertea Siliciumnitridschicht zur Passivierung von p-a-Übergängen bzw. Sperrschicht en. Der p-n-Übergang 1 ist an den Stellen» wo der Hand des Übergangs an die Oberfläche des Halbleiters 2 reicht« durch die oxygenierte Silleiuranitriäsohieht 3 geschützt« In einem typischen Fall kann der p-a--Übergang 1 durch Eiadiffundieren von Phosphor in ρ Silicivini mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm·-era hergestellt sein» Die zur Passivierung vorgesehene oxygenierte Silieiuninitridschicht dient einerseits als Diffu s ionsmasice und schützt andererseits die Hfinder des p-n~Übergangs 1 nach dessen Herstellung durch den DiffusionsVorgang, Kittels der Elektroden 4 und 5 werden die Vorspannpotentiale für die Diode angelegt. Die vorliegende Erfindung eignet sich selbstverständlich ebensowohl zur Anwendung bei p-auf»n=Diöden wie bei n-auf-p-Dioden gemäß Pig, I.
0.09 8 27/04 «fl
Fig, 2 zeigt einen
mit n^ltanal in Planartechnik (''planar silicon W-=-channei iasulated-gats fielö-effect transistor") leiter Verwendung voa oxygeniertem Siliciumnitrid gemäß derErfindung als p-n--tii>srgQ2igrspassi<He.3?aagssehlcht 6 sowie auch als Isolier=» schicht 7 für das Tor, AuSerdem dienen die öxygenisrten SiliciiirascMchten 6 und T als Piffuaionamasfee währead der Herstellung der Quellesperrsohicht 8 imd der Senkesperrsehiaht 9ο Die Betriebsspannimgen werden an die Quelle^' elelttrode iO9 die Torelektrode 11 und "die SeBkeelektrode angelegte Die Yerwendung vom oxygenisrtein SiliciiMfflflitrld gemäß der ErfisidiABg anstelle iron SiIieiumdioxyd für Schichten 6 und 7 ergibt eine höhere Stabilität des eff ekttransistors» Biese Verlaegsesimig wurde bei Tests an vielen Feldeffekttransistören mit isoliertem Τθγ festgestellt, bei welchen oxygeniertes Siliciuainitrid geailß dar Eriia&iang für die Sperrachicht-Pagsivierungs- xmä Isoliersohichten wurde. Bei den geprüften Anordnungen hatt@ii di@ ten Siliciumnityidsohiehtan eine Susamffienaetsmigi wi© sie sich bei Verwendung eines SasStroms mit einem TerhSltnia dea Stickstöffoxjögasstroms zu ötm AmmpaiakgasstroBi τοπ ÖS25 bei- Anwendung- des w©it©r uaten bes0hri@b©Ea.E Die Tfanel&toreuVttur&ea 24' StuaAen laag in eine atmosphäre auf 300 0O arhitst und vor~ sowie 'xiaoh"dar
■16H5AQ
behandlung hinsichtlich ihrer Senfce-Ouelle-Durchbruchspaimung und Tor-Schwellspannung untersucht. Die nur kleinen änderungen, der gemessenen Spannungswerte als Folge der langzeitigen Wärmebehandlung lassen eine hohe Stabilität erkennen* die der vergleichbarer Anordnungen mit Siliciumdioxyd wesentlich überlegen ist«
Im folgenden wird nun das Verfahren zum Aufbringen der Passivierungsschicht beschrieben« Die Reaktion des Silane, Ammoniaks und Stickstoffoxyds wird in einem vertikalen Quarz-Heaktions-« rohr von etwa 1 Soll Durchmesser ausgeführt, in welchem der Träger be^w. das Substrat etwa 1 Zoll unterhalb der Gaseintrittsöffnung an der Oberseite des Hohrs angeordnet ist* Der Träger bsw. das Substrat besteht aus Elnkristall-Silicium mit mechanisch polierter Oberfläche= Die Oberfläche des Substrats bzw. trägers wird in dem Heaktionsgefäß dielektrisch auf etwa 900 0C während etwa 10 Minuten bei Atmosphärenäruck in Gegenwart von 1 Vol.-# Ammoniak in Argon mit einem Durchsatz von etwa 52 ml pro Minute erhitzt. Sodann wird die NH,«-Zufuhr gesperrt und durch das geeignete Gemisch von 1 $ Ammoniak in Argon und 1 $> Stickstoffoxyd in Argon ersetzt, die im Stroor-mit einem Gesamtdurchsatz von 52 ffll pro Minute etwa 5 Minuten lang durohgeleitet werden« Während der nächsten 10 Minuten wird Silan mit einem Durchsatz von 6,5 ml pro Minute
16H54Q
· Sofiaxm wird das Silan abgeschaltet;* und inaa l&ßt
das Substrat in der ÄniTnpniak-Stiokstoffoxyä'-Ärgosi-Ätimosphäre auf £immei*te.mperatur abkühlen* Das Argon dient lediglich als Transportmittel für die Sila&~« Ammoniak- und Stickstoffoxydgase durch das Reaktionsrohr» Das Gasgemisch mit. .1 $ Sticksstoffoxyd in Argon und dag Gasgemisch mit 1 $ Ammoniak in Argon werden in solchem Verhältnis'gemischt> da® da? Verhältnis der Strömiiiigsdurchsätze des Stickstoffoxyds au dem des Ammoniaks im Bereich von 0 his etwa 0,9liegt* Jeder Wert innerhalb dieses "Bereichs führt zur Abscheidung einer Schicht aus oxygeniertem Siliciumnitrid t welehe sich durch eine im Vergleich zu reinem Siliciumnitrid günstige Stabilität und *tsgeschwindigkeit auszeichnete Bei Anwesidung des angegebenen Durchsataverhältnisses ^g- == 0,25 erhält man unter
den angegebenen Bedingungen der ReaktionsgefäSgeometrie, der Reaktionstemperatur und der Gasdurchsätze eine Dicke von etwa 1/2 Mikron für den oxy^genierten Siliciumnitriauberzug auf dem. Substrat? diese Oherzugsdieke ist für Zwecke der Diffusionsraa8kierung und der p-n^tibergangspassiviersing geeignet.
Ein "bedeutsames Merkmal des Verfahrens gemäß der Ir^indtmg "besteht darin, daß die Silan^Ammoniak-■Stickstoffoxyö-»leaktion nur unschädliche Nebenprodukteergibt. Dies steht im Gegensatz
9827/öiftO
16H54G
zn manchen "bekannten Verfahren nach dem Stande der Technik, hei welchen Säuren als Nebenprodukte entstehen« Derartige Verfahren sind selbstverständlich unvex*einbar mit der Herstellung von Kiederschlagsschiohten auf Metallen oder Halbleitern 9 insoferne die als Nebenprodukt gebildete Säure das Substrats auf welchem die Schicht hergestellt werden soll, angreift.
Man darf vermuten«, daß die chemische Reaktion bei dem Verfahren gemäß der Erfindung deshalb bei der verhältnismäßig niedrigen Temperatur im Bereich von 600 bis 1000 0C vor sich geht? weil das Sllan, Ammoniak und Stickstoffoxyd sich zu atomarem Silicium, atomarem Stickstoff und atomarem Sauerstoff zersetzen, welche sich ihrerseits bereitwillig unter Bildung des oxygenierteil Siliciuuinitrids miteinander verbinden« Die kommerziell verfügbaren Formen von Silicium* Stickstoff und Sauerstoff benötigen,, anders als die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung durch die Zersetzung der Einsatzverbindüngen erhaltenen entsprechenden Elemente 9 Reaktionstemperaturen wesentlich oberhalb iOOO 0C9 welche schädlich ftlr die in den Halbleitersubstraten vorhandenen p-n-Übergangs-Profile sind.
Das oxygenierte Siliciumnitrid wird auf einem SiliciumplMttohen
". bad 0r:s:mä|4,.
009827/0400
als fest haftendery glatter liberzug abgeaqMeäen* der in seinem Aussehen stark dem reiner Nitridschichten ähnelt. Silieiumnitridscliichten ergeben "bei Untersuchung; mittels Elektronenbeugung ia Reflexion ziemlich diffuse Beugungs·=· rauster, was andeutet,, daß die Schichten stark am&rph sind. Experimente haben gezeigt? daß die Zusammensetzung von oxy» geniertem Siliciumnitrid kontinuierlich von reinem Siliciumnitrid bis zu Siliciumdioxyd variierbar ist* Am sauerstoff= armen Ende dieses Zusammensetsungsberelcha weist sowohl die Untersuchung mittels Elektronenbeugung als auch mittels Infrarotspektroskopie auf ein Material hin«, das strukturell zu reinem Siliciumnitrid in Beziehung steht* Entsprechend geben am sauer st of Seichen Ende dieses Zusammensetzungsbereiehs beide Unterauehgungsmethoden Hinweise auf ein Material» das strukturell in Beziehung zu Siliciumdioxid steht.
Als Iiö*sungs~ bzw. Ktzmi-ttel zur Dickenkontrolle der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Schichten aus oxygeniertem Siliciumnitrid eignet sich Fluorwasserstoffsäure. Verdünnte Fluorwasserstoffsäure gestattet die kontrollierte Abtragung der Siliciumnitridschicht in ganz analoger Weise, in welcher nach dem bekannten Stande der Technik Silicium·*· dipxydschichten in ihrer Bicke verringert werden. Eine selektive Flächenätzung der oxygenierten
16.1Α5ΛΟ
- ίο
läßt sieh, unter Verwendung von Wachs als Maske gegen die Säureätzung durchführen. Auoh herkömmliche Photoabdeckermasken sind anwendbar wie im Falle der ätzverfahren für Siliciumdioxyd.
Das vorstehend beschriebene Silanverfahren für die Abachei*= dung oxygenierter Siliciumnitridschichten auf Halbleitersubstraten erbringt nicht nur eine Vereinfachung und Erleichterung der Herstellung der gewünschten Halbleiteranordnungen9 sondern verleiht diesen auch bessere Betriebseigenschaften, Eines der Hauptprobleme in Verbindung mit oxydgeschützten Silioiumanordnungen besteht in der elektrostatischen Wechselwirkung der Oxydschichten mit dem Silicium und insbesondere in den Veränderungen dieser Wechselwirkung bei änderungen der Ladungsverteilung innerhalb der Oxydsohicht. Diese verhältnismäßig langsamen änderungen können durch langzeitiges Anlegen einer elektrischen Vorspannung» durch Diffusion von Unreinheiten „ oder durch chemische Reaktion hervorgerufen werden. 'Beispielsweise wurde gefunden, daß der Arbeitspunkt des iPors eines Metall-Oxyd-Halbleitertransiators (MOS-Transistors) um mehr als 10 V allein dadurch verschoben werden kann, daß man an den Transistor einige Stunden lang bei etwa 100 0C eine Vorspannung anlegt· Derartige Verschiebungen rühren von der Wanderung von Ionen durch die Oxyd-
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16 H 5Λ O
schicht unter dem Einfluß des angelegten Feldes her« Die änderungen werden durch die Umgebungstemperaturen beschleunigt. - ,
Ein bedeutsamer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin9 daß die lonendrift durch eine Schicht aus oxygenierteni Siliciumnitr.id um Größenordnungen kleiner als die lonendrifterseheinungen durch eine Siliciumdioxydschicht ist. Dies wurde bei einem Vergleich von Daten an Netall~Silieiumdioxyd~> Silieium-Kondensätoren einerseits und Met^all-oxygeniertes Silidumnitrid-Silicium^iCondensatoren andererseits beobachtet, die beide mit Watriumionen kontaminiert und zwei Stunden lang bei 150 0G einer Vorspannung von 4-30 V unterworfen wurden. Während man für die erste ICondensatorkategorie Verschiebungen von etwa 20 V in der iCapazität/fepannungs-Kennlinie beobachtete, blieb diese Kennlinie bei den Kondensatoren der zweiten Kategorie (d.h. mit oxygeniertem Siliciuinnitird gemäß der Erfindung) praktisch unverändert. Die für diese Versuche ver«· wendeten Kondensatoren mit oxygeniertem Siliciumnitrid enthielten Material^ das nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Anwendung unterschiedlioher Verhältnisse der Durchsätze von Stickstoffoxyd und Ammoniak im Bereich von 0 bis 0,9 hergestellt waren. Das heißt, da0 das
■;·.'. 009827/0480
ν ■ ■■ .
für das Dielektrikum der v.nt ersucht en Kondensatoren verwen=· dete oxygenierte Silieiumnitridmaterial ge.mäB der Erfindung einen weiten Zusammeiasetzungsbereieh von reinem Siliciumnitrid in Richtung auf Silieiumdioxyd aufwies» Über den gesamten. Zusammensetzimgsbereich des untersuchten oxygenier= tem Silieiumiiitt'iäs ergab sich das unerwartete Verhalten, daß bei diesen Stoffen die erwünschte UndurchlSssigkeit des Silieiumnitrids gegenüber Ionenwanderung selbst für Zusammensetzungen erhalten bleibt, welche in ihrer Struktur stark Silieiumdioxyd ähneln. Umgekehrt hat sich ergeben, daß das · oxygenierte Siliciumnitrid gemäß der Erfindung '^tzgeschwindigkeiten aufweist, die den erwünschten hohen Xtzgeschwindigkeiten von Silieiumdioxyd nahekommen, und zwar selbst für Zusammensetzungen 9 die strukturell stark Siliciumnitrid ähneln.
Patentansprüche:
BAD ORIGI
009827/0480

Claims (1)

  1. Patent a a s ρ r Uc he
    "ίο HaIbXe it eranor&mang mit einer auf der Oberfläche des Halb-Isiters aufgebrachten Isolierschicht/ dadurch g e k e η η ~ zeichnet 9 daß die Schicht (3, Pig« 1) aus oxygeniertem Siliciumnitrid besteht.
    2ο Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnungmit einer isolierenden OberflMchensehicht nach Anspruch 1? dadurch g e fc e η η se ic h η et , daß der Halbleiter (2, Pig* 1) in einer Silan, Ammonium und Stickstofföxyd enthaltenden Atmosphäre,, wobei das Anteilsverhältnia von Stickstoffoxyd zu Ammoniak bis zu Ö,9 betrage» kann9 auf eine Temperatur im Bereich von 600 bis 1000 °e erhitzt wird«
    00:9017/1410
    L e e r s e i t e
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