DE1564963C3 - Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Halbleiterbauelements - Google Patents

Description

Siliciumdioxidschicht so bemessen wird, daß eine das Substrat beeinflussende Diffusion des Dotierungsstoffs durch die reine Siliciumdioxidschicht verhindert wird, und daß die beiden Schichten zur Bindung von durch Verunreinigungen hervorgerufenen Störstellen erhitzt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gleichmäßig dotierte Siliciumdioxidschicht mit Phosphor dotiert und wird bei einer Temperatur von etwa 400 bis 600° C abgeschieden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die mit Phosphor dotierte Siliciumdioxidschicht durch Pyrolyse einer Mischung aus den Dämpfen von Tetraäthyl-orthosilikat (TÄOS) und eines Phosphorträgers, z. B. Trimethylphosphat, gebildet.

Durch den beim Verfahren nach der Erfindung durchgeführten Erhitzungsvorgang wird dafür gesorgt, daß der die Stabilisierung hervorrufende Störstoff bis dicht an die Grenzfläche zwischen der reinen Siliciumdioxidschicht und dem Substrat herankommt. Dadurch werden die die zeitliche Instabilität hervorrufenden Störstellen an der Grenzfläche wesentlich stärker gebunden. Die nach dem beanspruchten Verfahren hergestellten Halbleiterbauelemente sind somit wesentlich stabiler als die bekannten.

Die dotierte Siliciumdioxidschicht eignet sich besonders als Isolierschicht zwischen der metallischen Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, in welchem Fall die Unterlagsschicht aus reinem Siliciumdioxid eine Diffusion des Phosphors in das Halbleitermaterial verhindert.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig.l eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

F i g. 2 eine etwas vereinfachte teilweise Schnittansicht eines erfindungsgemäß erhaltenen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors,

F i g. 3 eine schematisierte Schnittansicht eines erfindungsgemäß erhaltenen Flächentransistors.

In der Zeichnung Fig. 1 ist ein Einheitsröhrenreaktor, welcher zur Herstellung einer erfindungsgemäß zu verwendenden, mit Phosphor dotierten Siliciumdioxidschicht dienen kann, allgemein mit 10 bezeichnet. Dieser Reaktor 10 besteht aus einem Quarzrohr 12, welches ein Halbleiterplättchen 16 tragendes Quarzschiffchen 14 aufnehmen kann. Eine thermostatisch gesteuerte elektrische Wicklung 18 ist rund um das Rohr angeordnet und dient zur Erhitzung der Halbleiterplättchen auf eine vorherbestimmte Temperatur. Die Enden des Röhren- reaktors 12 sind offen; das eine nimmt ein Zuführungsrohr 20 auf, und das andere steht mit einer geeigneten Entlüftungshaube in Verbindung. Ein Behälter 22 enthält beispielsweise eine flüssige Mischung aus Tetraäthyl-orthosilikat und Trimethylphosphat. Sauerstoff wird dann durch eine Leitung 24 und das Ventil 26 eingeleitet und perlt durch die flüssige Mischung in den Behälter 22 und trägt Flüssigkeitsdämpfe durch die Leitung 28, in welcher diese mit weiterem Sauerstoff aus der Leitung 32 und dem Ventil 33 gemischt werden können, mit sich.

Gemäß einer allgemeineren Ausführungsform der Erfindung wird eine gleichmäßig mit einem Stabilisierungsmittel, z. B. Phosphor, dotierte Siliciumdioxidschicht zur Stabilisierung der Oberfläche des HaIb-. leiterkörpers in einer Halbleiteranordnung verwendet. Die mit Phosphor dotierte Siliciumdioxidschicht kann unter Verwendung der Vorrichtung 10 und nach dem folgenden Verfahren niedergeschlagen werden. Der Behälter 22 wird mit einer Mischung aus Tetraäthylorthosilikat (TÄOS) und Trimethylphosphat (TMP) gefüllt. Die Halbleiterplättchen 16 werden auf eine

ίο Temperatur zwischen etwa 400 und 600° C erhitzt. Die Temperaturhöhe ist nicht wesentlich; eine Temperatur von 500° C ist vorteilhaft. Durch die flüssige Mischung im Behälter 22 läßt man Sauerstoff perlen, welcher Flüssigkeitsdämpfe durch die Leitung 28 abführt, wo diese mit zusätzlichem Sauerstoff aus der Leitung 32 gemischt werden und durch die Leitung 20 in den Röhrenreaktor 12 gelangen. Gegebenenfalls kann Sauerstoff auch durch getrennte Behälter, wovon der eine TÄOS und der andere TMP enthält, perlen, und die beiden Sauerstoff ströme werden dann, bevor sie über die Substrate strömen, unter Mischung der Dämpfe der Reaktionsteilnehmer gemischt. Wenn die Dämpfe über die Substrate streichen, bildet sich auf der Oberfläche der Plättchen eine Siliciumdioxidschicht infolge der chemischen Reaktion des Tetraäthyl-orthosilikats. Das als Phosphorquelle dienende Trimethylphosphat wird ebenfalls zersetzt, und der Phosphor wird gleichmäßig in der sich bildenden Siliciumdioxidschicht dispergiert.

Das Verhältnis von Tetraäthyl-orthosilikat zu Trimethylphosphat ist nicht besonders kritisch, obwohl bei zunehmendem Trimethylphosphatanteil ein Punkt erreicht wird, wo die physikalischen Eigenschaften des Oxids unbefriedigend werden. Etwa 25 Volumprozent Trimethylphosphat und 75 Volumprozent Tetraäthyl-orthosilikat liefern gute Ergebnisse. Eine Mischung mit 50⁴Vo Trimethylphospat wurde auch mit Erfolg verwendet. Die in der Siliciumdioxidschicht enthaltene Phosphormenge hängt natürlich von dem in der flüssigen Mischung anwesenden Trimethylphosphatgehalt ab. Wenn getrennte Sauerstoffströme durch einzelne Behälter für das TÄOS und TMP bei Raumtemperatur geleitet und dann die beiden Ströme gemischt werden und wenn der TMP-Strom 1% des Gesamtvolumens der gemischten Ströme ausmacht, können etwa 100 Atome Phosphor pro Million Atome in der Siliciumdioxidschicht erwartet werden. Wenn der Trimethylphosphatstrom 25% ausmacht, können etwa 1000 Atome pro Million erwartet werden, und bei 5O«/o TMP sind 10 000 Atome pro Million zu erwarten. Die Verwendung der Vorrichtung 10 zum Niederschlagen einer mit Phosphor dotierten Siliciumdioxidschicht durch pyrolytische Zersetzung der Dämpfe von Tetraäthyl-orthosilikat und Trimethylphosphat stellt für sich keinen Teil der Erfindung dar, da es bekannt ist, daß mit verschiedenen Störstoffen in einer geregelten Konzentration dotierte Siliciumdioxidschichten nach diesem Verfahren in einem Reaktor dieser Art erhalten werden können.

In F i g. 2 ist ein erfindungsgemäß hergestellter, verbesserter Siliciumoxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor allgemein mit 50 bezeichnet. Die p-leitende Diffusion 52 ist die Quelle und die p-leitende Diffusion 54 ist die Senke. Das Substrat 56 besteht in typischer Weise aus η-leitendem Silicium. Nach dem Abziehen der Siliciumdioxidmaskierungsschicht, mit deren Hilfe die Quellen- und Senkendiffusion durchgeführt wurde, von der Substratoberfläche wird auf

der Substratoberfläche eine sehr dünne, reine Siliciumdioxidschicht 57 gebildet. Die Siliciumdioxidschicht 57 kann nach einem beliebigen geeigneten Verfahren, z. B. durch pyrolytische Zersetzung von Tetraäthylorthosilikat bei Temperaturen zwischen etwa 400 und 800° C gebildet werden; wenn das Substrat aus Silicium besteht, kann es auch Wasserdampf oder Sauerstoff bei einer Temperatur von etwa 800 bis etwa 1200° C ausgesetzt werden. Dann wird auf der

einer eindiffundierten η-leitenden Basiszone 76 und einer eindiffundierten p-leitenden Emitterzone 78. Nachdem die Basis- und die Emitterzone 76 bzw. 78 durch eine Siliciumdioxid-Diffusionsmaskierung 80 5 nach üblichen Methoden eindiffundiert wurden, wird eine reine Siliciumdioxidschicht (nicht dargestellt) auf der Oberfläche der Oxidschicht 80 niedergeschlagen. Über der Basiszone 76 wird dann sowohl in der pyrolytisch hergestellten Oxidschicht als auch in der Oxid

reinen Siliciumdioxidschicht 57 und über dem Sub- ίο schicht 80 eine Öffnung gebildet, wobei man jedoch strat nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren die Emitterzone 78 von der pyrolytisch hergestellten eine Schicht 58 aus mit Phosphor oder mit einem Oxidschicht bedeckt läßt. Durch die Öffnung wird anderen, eine η-Leitfähigkeit ergebenden dotierenden dann eine n⁺-leitende Basiskontaktzone 82 in die Störstoff dotierte Siliciumdioxidschicht gebildet. Basiszone 76 eindiffundiert. Das Dotierungsmittel für

Der Hauptzweck der reinen Oxidschicht 57 besteht 15 die n⁺-leitende Kontaktzone 82 ist oft Phosphor, weldarin, als Diffusionssperre zu wirken, um eine Diffu- eher aus einer auf der Oberfläche des Substrats niesion von Phosphor aus der dotierten Siliciumdioxid- dergeschlagenen Phosphorglasschicht eindiffundiert schicht 58 in das Substrat 56 zu verhindern. Die wird. Die Diffusion dauert in der Regel etwa 6 Minureine Siliciumdioxidschicht 57 soll daher nur so dick ten. Dann wird das Substrat einer Entglasung und sein, daß keine störende Menge Phosphor das Sub- 20 Wasserauskochung unterworfen, wobei als entglasenstrat56 erreichen kann, und zu diesem Zweck ist des Medium eine 10%ige Lösung von Fluorwassereine Dicke von etwa 500 A in der Regel ausreichend. stoffsäure z. B. während einer ausreichenden Zeit, Zur Erzielung bester Ergebnisse werden die Oxid- die im allgemeinen zwischen 1 und 2 Minuten beträgt, schichten dann durch Erhöhung der -Substrattempe- dient, so daß sowohl die Phosphoroxidschicht als ratur auf etwa 850° C während 15 bis 30 Minuten 25 auch die pyrolytisch hergestellte Oxidschicht entfernt erhitzt. Man nimmt an, daß dadurch Störstoffe in wird. Dadurch werden wieder die Kontaktfenster soder nichtdotierten Oxidschicht 57 veranlaßt werden, wohl über der Emitterzone 78 als auch über der in die mit Phosphor dotierte Oxidschicht 58 abzu- Basiskontaktzone 82 geöffnet. Dann wird die mit wandern; auch scheint eine gewisse chemische Reak- Phosphor dotierte pyrolytisch hergestellte Siliciumtion zwischen dem Phosphor, Siliciumdioxid und 30 dioxidschicht 72 auf der Oberfläche des Substrats Störstoffen unter Bildung einer Molekularstruktur, niedergeschlagen, indem man eine dampfförmige welche die Störstoffionen unbeweglich macht, da- Mischung aus Tetraäthyl-orthosilikat und Trimethyldurch gefördert zu werden. phosphat auf die vorstehend beschriebene Weise

Die Quellenelektrode, die Senkenelektrode und oxydiert. Eine typische Dicke für die Schicht 72 bedie Steuerelektrode 60 bzw. 62 bzw. 64 können dann 35 trägt etwa 3200 bis 3500 Ä, die nach 30minutiger gebildet werden, indem man zunächst Öffnungen in Niederschlagung unter Verwendung von 25% Tridie Siliciumdioxidschichten 57 und 58 nach üblichen methylphosphat erzielt wird. In der mit Phosphor photolithographischen Methoden einätzt und dann dotierten pyrolytisch hergestellten Oxidschicht 42 einen Metallfilm niederschlägt und ebenfalls nach werden dann über der Emitterzone 78 und über der photolithographischen Methoden in Form eines 40 Basiskontaktzone 82 nach üblichen photolithogra-Musters bringt. Da die Ätzgeschwindigkeit der reinen phischen Methoden öffnungen gebildet. Das läßt sich Siliciumdioxidschicht 57 und der dotierten Silicium- leicht erzielen, da nur die Schicht 72 durchgeätzt zu dioxidschicht 58 nicht wesentlich verschieden ist, werden braucht. Alsdann schlägt man einen geeignewird die dotierte Schicht 58, die die höhere Ätz- ten Metallfilm nieder und formt ihn zu einem vergeschwindigkeit aufweist, während der photolitho- 45 breiterten Basiskontakt 84 und einem verbreiterten graphischen Behandlung zur öffnung der Fenster Emitterkontakt 86.

über der diffundierten Quell- und Senkenzone 52 Auf die in F i g. 3 dargestellte Weise erhaltene

bzw. 54 nicht wesentlich unterschnitten. Transistoren zeigen eine Ausfallrate von etwa 1 bis

Gemäß Fig. 2 hergestellte Feldeffekttransistoren 2%, wenn sie bei hoher Temperatur und angelegter wurden getestet, indem man eine gegenüber dem 50 Spannung belastet werden. Im Vergleich dazu zeigen Substrat 56 positive 20-Volt-Spannung an die Steuer- Transistoren mit nur einer nichtdotierten Siliciumelektrode 64 in einer Umgebung von 175° C anlegte. dioxid-Passivierungsschicht unter den gleichen Be-Nach etwa sechzehn Stunden beobachtete man An- dingungen eine Ausfallrate von 100%. Bis heute bederungen der Schwellenspannung von 10 bis 20%. steht kein Anhaltspunkt dafür, daß, wenn der ProTransistoren mit der gleichen Geometrie, die aus den 55 zentgehalt an Trimethylphosphat in der flüssigen gleichen Materialien, jedoch mit einer nichtdotierten Mischung weniger als etwa 10% beträgt, der Dotie-Siliciumdioxidisolierschicht hergestellt wurden, zeig- rungsgrad des Phosphors nicht ausreichen würde, um ten Änderungen der Schwellenspannung unter den den Transistor noch immer zu stabilisieren, gleichen Testbedingungen von 100 bis 500%. Ganz allgemein können die mit Phosphor dotierten

Gemäß einer anderen spezifischen Ausführungs- 60 oder anderweitig dotierten Siliciumdioxidschichten form der Erfindung kann auch ein Flächentransistor, zur Verbesserung der Stabilität einer Halbleiteranz. B. der allgemein in Fig. 3 mit 70 bezeichnete, Ordnung dienen, wo Instabilitäten durch Ladungsbedurch eine pyrolytisch hergestellte, mit Phosphor do- wegung innerhalb einer Oxidschicht hervorgerufen tierte Siliciumdioxidschicht 72 stabilisiert werden. Der werden. Das dotierte Siliciumdioxid wurde z. B. auch Transistor besteht aus einer durch das Halbleiter- 65 erfolgreich zur Stabilisierung einer als Pseudo-Lichtsubstrat gebildeten, p-leitenden Kollektorzone 74, emissionsquelle verwendeten Flächendiode verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 strom- und Instabilitätsprobleme können als AnPatentansprüche: Sammlung oder Bewegung positiver Ladungen in dem • Siliciumdioxid, angrenzend an den Halbleiter, erklärt

1. Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten werden, was eine entsprechende Anhäufung oder Halbleiterbauelements mit einem dotierten Sub- S Bewegung negativer Ladungen in dem Halbleiter an strat, das entgegengesetzt dotierte Diffusionszonen dessen Oberfläche zur Folge hat. Der Überschuß an aufweist, und mit einer im wesentlichen reinen negativen Ladungen an der Oberfläche bedingt eine Siliciumdioxidschicht auf der Substratoberfläche, Verbiegung der Energiebänder, und wenn eine ausdadurch gekennzeichnet, daß auf die reine reichend große Ladungsmenge sich ansammelt, kann Siliciumdioxidschicht eine gleichmäßig dotierte io eine p-leitende Halbleiterzone in eine η-leitende Zone Siliciumdioxidschicht abgeschieden wird, daß die umgewandelt werden, da sich an der Oberfläche eine Dicke der reinen Siliciumdioxidschicht so be- Umkehrschicht bildet. Da ein Metalloxid-Halbleitermessen wird, daß eine das Substrat beeinflussende Feldeffekttransistor (MOS) für seinen Betrieb auf eine Diffusion des Dotierungsstoffs durch die reine äußerst reproduzierbare, durch ein elektrisches Feld Siliciumdioxidschicht verhindert wird, und daß 15 induzierte Umkehrschicht angewiesen ist, ist er bedie beiden Schichten zur Bindung von durch sonders empfindlich für jede Änderung der Ober-Verunreinigungen hervorgerufenen Störstellen flachenleitfähigkeitseigenschaften, die durch die die erhitzt werden. metallische Steuerelektrode von dem Halbleiter iso-

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das lierende Oxidschicht hervorgerufen wird. Frühere Halbleiterbauelement ein Feldeffekttransistor ist, 20 Versuche zur Lösung dieses Problems richteten sich dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht auf die Reinigung des Oxids, indem man jede Veraus im wesentlichen reinem Siliciumdioxid etwa unreinigung zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens auf 500 Angström beträgt. einem Minimum hielt, da man der Ansicht war, daß

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Verunreinigungen in dem Oxid die Streuladungen gekennzeichnet, daß die Dicke der gleichmäßig 25 verursachen würden. Selbst wenn dies zutrifft, ist dotierten Siliciumdioxidschicht etwa 3200 bis dieser Versuch doch äußerst schwierig bei einer 3500 Angström beträgt. größeren Produktion durchzuführen, da die Quelle

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 für die Oxidverunreinigung nicht genau bekannt ist. bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gleich- Bei einem weiteren bekannten Verfahren können mäßig dotierte Siliciumdioxidschicht eine mit 3° Halbleiterbauelemente mit stabilen Eigenschaften Phosphor dotierte Siliciumdioxidschicht ist, die hergestellt werden, die ein dotiertes Substrat mit entbei einer Temperatur von etwa 400 bis 600° C gegengesetzt dotierten Diffusionszonen besitzen, abgeschieden wird. Dieses bekannte Verfahren besteht im wesentlichen

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 darin, daß über einer Siliciumdioxidschicht auf dem bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Er- 35 Substrat eine Schicht aus Phosphorsilikat gebildet hitzung der beiden Schichten das Substrat etwa wird. Durch diese Phosphorsilikatschicht sollen die 15 bis 20 Minuten lang auf eine Temperatur von von Verunreinigungen in der Siliciumdioxidschicht etwa 850° C erhitzt wird. gebildeten Störstellen an der Grenzschicht zwischen

der Siliciumdioxidschicht und dem Substrat gebunden 40 werden. Diese Störstellen werden als Ursache für die

zeitliche Instabilität von Halbleiterbauelementen angesehen. Da die Phosphorsilikatschicht jedoch in ziemlich großem Abstand von der Grenzfläche angebracht ist, hat sie auch nur einen begrenzten Ein-

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren 45 fluß auf die Bindung der schädlichen Störstellen. Die zum Herstellen eines stabilisierten Halbleiterbau- Phosphorsilikatschicht hat außerdem noch einen entelements, ausgehend von einem Halbleiterbauelement scheidenden Nachteil, der sich bei der Fertigstellung mit einem dotierten Substrat, das entgegengesetzt des Halbleiterbauelements herausstellt. Im Anschluß dotierte Diffusionszonen aufweist, und mit einer im an das Aufbringen der Schichten müssen bis zum wesentlichen reinen Siliciumdioxidschicht auf der 50 Substrat reichende Fenster gebildet werden, damit Substratoberfläche. die Metallkontakte an den einzelnen Diffusionszonen

Es ist allgemein bekannt, daß die Oberfläche einer angebracht werden können. Das Anbringen dieser Halbleiteranordnung eine wesentliche Rolle bei der Fenster erfolgt durch übliche Maskierungs- und Ätz-Festlegung der endgültigen elektrischen Eigenschaften verfahren. Da sich das Phosphorsilikat wesentlich der Vorrichtung spielt. Aus diesem Grund wurden 55 schneller als das darunterliegende Siliciumdioxid Halbleiteranordnungen bisher stets in hermetisch ätzen läßt, greift das Ätzmittel, nachdem die nichtabgedichteten Packungen eingekapselt, und die Be- maskierten Bereiche weggeätzt worden sind, stark strebungen gehen derzeit dahin, eine ebene Geometrie auf die von der Maske abgedeckten Flächen über, anzuwenden, wobei die Anordnungen mit einer so daß die Fenster schließlich wesentlich breiter als Siliciumdioxidschicht bedeckt werden, die eine Über- 60 erwünscht geätzt werden. Da es in zunehmendem gangspassivierung ergibt. Die auf dem Halbleiter- Maße ja auf kleine Abmessungen ankommt, ist das gebiet vorliegende Literatur zeigt an, daß viele Halb- in »IBM Journal of Research and Development«, leiteranordnungen mit einer passivierenden Silicium- Bd. 8 (1964), H. 4, S. 376 bis 384, beschriebene dioxidschicht verschiedene Restströme, veränderliche Stabilisierungsverfahren nur bedingt anwendbar.
Durchschlagsspannungen und eine allgemeine Ver- 65 Das Verfahren nach der Erfindung besteht demänderung von Betriebsparametern über längere gegenüber darin, daß auf die reine Siliciumdioxid-Zeiten, insbesondere bei hohen Temperaturen und schicht eine gleichmäßig dotierte Siliciumdioxidhohen Vorspannungen, zeigen. Viele dieser Rest- schicht abgeschieden wird, daß die Dicke der reinen