DE1521503A1

DE1521503A1 - Halbleiteranordnung mit Siliciumnitridschichten und Herstellungsverfahren hierfuer

Info

Publication number: DE1521503A1
Application number: DE19661521503
Authority: DE
Inventors: Tombs Nigel Conrad
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1965-06-23
Filing date: 1966-06-23
Publication date: 1969-09-18
Also published as: US3573096A; GB1125650A; FR1509937A; NL6608735A; SE344655B

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. CURT WALLACH

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 1 521 5Ü3

DR. TINO HAIBACH

8 München 2, den 23. Juni 1966 : IO38I - Dr.H/Ee

Sperry Sand Corporation, New York, N.Y., USA

Halbleiteranordnung mit Siliciuonitridsehichten. unü Herstellungsverfahren hierfür

Oie Erfindung "betrifft ein bei verhältnismäßig niedriger Temperatur ausführbares Verfahren zur Herstellung von Silioiumnitridschichten auf Trägerv/erkstoffen, insbesondere Trägern aus Halbleitermaterial, sowie Halbleiteranordnungen mit derartigen Siliciumnitridschichten.

in der derzeitigen Technik betreffend integrierte Siliciumschaltungen spielen auf thermischem Wege erzeugte Siliciumoxydschichten eine zentrale Rolle. Das Oxyd dient dabei als Diffusionsmaske, als Passivierungsschicht über pn-Schichten, welche sich bis zu freiliegenden Oberflächen erstrecken, sowie als isolierendes Dielektrikum in MOS-("metal-oxides emi conduct or", Metall-Oxyd-Halbleiter-) Transistoren, und Moden. Die Oxydtechnik hat einen großen Fortschritt hinsichtlich Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kosten, verglichen mit früheren Methoden gebracht. Nunmehr jedoch, mit zunehmendem

909838/0512

BAD ORIGINAL

Bedarf an komplizierteren integrierten Schaltungen, für die höhere Zuverlässigkeit, kleinere Abmessungen und niedrigere Kosten kennzeichnend, sind, machen sich die der Oxydtechnologie, einschließlich dem Oxydverfahren und den danach hergestellten Halbleiteranordnungen, innewohnenden Beschränkungen fühlbar.

JSs gibt verschiedene Gebiete, auf denen derartige oxydierte Siliciumschichten und die bestehenden Verfahren rsu ihrer Herstellung weniger als angemessen sind. Um eine nennenswerte Oxydbildung zu erhalten, müssen Reaktionstemperaturen von über 1000 ⁰O über Zeitdauern von mehreren Stunden hin aufrecht erhalten werden. Während derartiger Hochtenperaturbehanllungen diffundieren die Dotierungsstoffe in dem Silicium, auf welchem die Oxydschicht erzeugt werden soll, durch das Silicium und ändern so das Profil der vor dem Oxydationsverfahrenssckritt hergestellten pn-Schichten. Im allgemeinen haben die Oxydschichten eine Dicke von Bruchteilen eines Kikron. Oas Qxydbildungsverfahren macht es seiner Natur nach erforderlich, daß der Sauerstoff durch das sich bildende Oxyd hindurch diffundiert, um die darunterliegende SiliciuTEoberflache zu erreichen. Nachdem die Oxydschicht zu einer Dicke von einigen Mikron angewachsen ist, hört die Durchdringung der Oxydschicht durch den Sauerstoff praktisch auf, jedenfalls für vemtiü'nftige Werte von Oxydationszeit und Reaktionstemperatur. Die auf diese Weise erhältlichen relative dünnen Oxydschichten ergeben keine ausreichende Isolation darunterliegender Siliciumanordnungen von Metallschichten und anderen Werkstoffen,

909838/0512 _

BAD ORIGINAL

die nachfolgend auf der Oberseite der Oxydschicht aufgebracht werden, bzw. gegenüber den langzeitigen Degradierungseinwirkungen der Umgebungstemperatur auf die zu schützenden Silicium-■ anordnungen. Atxch die Eignung der Oxydschicht als zuverlässige Diffusionsmasice wird durch die diesem Verfahren innewohnende Begrenzung hinsichtlich der Dicke ernsthaft beeinträchtigt.

Zu den vorstehend erwähnten Schwierigkeiten bei der Bildung oxydierter Siliciumschiehten von brauchbarer Dicke kommt noch hinzu, daß die oxydierte SiIiciumschicht als solche selbst nur Jjk eine verhältnismäßig geringe elektrische Stabilität zeigt. So wurde beispielsweise gefunden, daß unerwünschte Veränderungen der Betriebseigenschaften von oxydgeschützten Halbleiteran-

über längere Zeiten angelegte ordmmgen durch &Extö^x±sxxfa±x^y&üxmixXXXto&&ffl!*x&itm:XX1l elektrischen: Vorspannungen, durch Ionenladungsträgerwanderungen bzw.-abtrifterscheinungen in der Oxydschicht oder durch orieffi'sche Realrtionen verursacht werden. Durch die vorliegende Brf LT:onüg soll somit ein Verfahren zur Bildung von Siliciumrütrio bei niedrigen, für die Halbleiteranordnungen unschädliehen Heaktionstemperaturen, insbesondere im Bereich von (Q ef.va 600 ⁰C bis etwa 1000 ⁰C, geschaffen werden. Das Verfahren gersäß Jer Erfindung soll die Abscheidung von Siliciumnitrid in -regelbarer -enge bis zu. Dicken von einigen Tausendstel Zoll auf einem Träger gestatten; dabei soll gewährleistet sein, daß be." ctem Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung von Siliciumnitrid nur nicht-korrodierende Nebenprodukte entstehen.

909838/0512 _β1ίΜΜΔ1

BAD ORIGINAL

Die Erfindung "betrifft auch nach diesem Verfahren hergestellte und mit einem Schutzüberzug versehene Halbleiteranordnungen, welche sich durch verbesserte Stabilität auszeichnen. Insbesondere sollen die Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung beständig gegen Änderungen der Betriebseigenschaften sein,

längeres
wie sie durch "wesDZJögesxbes Anlegen TaKmwlMxtäsBmxxaussox. elektrischer Vorspannungen, durch Ionenladungsträgerabtrift in der Oxidschicht oder durch chemische Reaktionen zustande kommen können.

Zu diesem Zweck ist nach dem Verfahren gemäß der Erfindungvorgesehen, daß man Silan (SiH.) und Ammoniak (NH.) in einer Reaktionskammer bei einer Temperatur im Bereich von etwa 600 ⁰O bis etwa 100O⁰G zur Reaktion bringt. Man darf annehmen, daß sich das Silan unter Entstehung von atomarem Silicium und der Ammoniak unter Bildung von atomarem Stickstoff zersetiaan, die sich sodann miteinander vereinigen und auf einer geeigneten Trägeroberfläche innerhalb der Reaktionskammer unter Bildung einer Schicht aus Siliciumnitrid abscheiden. Gemäß einer bevorzugten Ausflihrungsform wird das als Substrat dienende Silicium auf etwa 900 C erhitzt. Die Geschwindigkeit der Siliciumnitridabscheidung kann durch Änderung der Temperatur der Substratoberfläche im Bereich von etwa 600 ⁰C bis etwa 1000 ⁰O sowie durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeiten, mit welchen das gasförmige Silan und das gasförmige Ammoniak über die Abscheidungsoberfläche hinweggeführt werden, einstellbar geregelt werden.

. . AP'ORIGINAL 909838/0512

pn-Schicht-Halbleiteranordnungen und Metall-Isolator-Halbleiter (MlS)-Dioden gemäß der Erfindung mit Siliciumnitrid als pn-Sciiicht-Passivierungsschicht bzw. als Isolatormaterial weisen eine erhöhte Stabilität und dauerhaftere Betriebseigenschaften auf. .

Weitere .Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand ^- der Zeichnung; in dieser zeigen:

Pig. 1 in Schnittansicht eine Flächendiode gemäß der ii&rfindung; Fig. 2 in Schnittansicht eine Metall-Isolator-Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird zunächst- der Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Reaktion -des Silans mit dem Ammoniak wird Im typischen Pail in einem vertikalen Quarz—Reaktionsrohr von etwa T Zoll Durchmesser durchgeführt, in welchem ein Substrat ebwa T Zoll unterhalb der Gaseintrittöffnung am oberen φ Ende der Röhre angeordnet ist. Das Substrat bzw. der Träger kann aus Einkristall-Silicium mit einer durch mechanische Polierbehandlung polierten Oberfläche bestehen, Die Oberfläche des S abs trat— bzw. Tragkb'rpero in dem Reaktionsgefäß wird dielektrisch auf etwa 900 ⁰G bei Normaldruck erhitzt, in Gegenwart von 1 Vol.$ Ammoniak in Argon, das mit einer Geschwindigkeit von 48 irilliliter pro Minute hindurchgeleitet wird. Sodann wird ein Silangemisch zu dem Ammoniak-Argon-Gemlsch

9 098 38/05 1 2

zugegeben. Das Silangemisch "besteht aus 1 Vol.fo Silan in Argon Lm Strom mit einer Geschwindigkeit von 12 I.dllLliter pro I.limrte Mach einer Stunde wird der Silanstrom abgeschaltet und r.an läßt das Substrat in der Ammoniak-Argon-Atmosphäre auf Zimmertemperatur abkühlen. Unter den angegebenen Bedingungen der Geometrie des äealctionsgefäßes, der Reaktionstemperatur uiir :ler Gasströmungsgeschwinuigkeiten erhält man eine Dicke des ..Siliciumnitrid süberzugs auf dem Substrat von etwa 30 Mikron. Das Argon dient lediglich als Transportmedium für das Silar— und Ammonia!'-gas durch das Reaktionsgefäß.

Im allgemeinen wird Ammoniak im Überschuß (auf Kolbasis) gemäß ler Gleichung '

4NH3 —» Si₃Ii₄ + 12 H

eingesetzt. Man erkennt, daß als einziges Reaktioasnebenprodukt freier Wasserstoff entsteht. Dies steht in. Gegensatz zu bekannten Verfahren ζ λ..:· Erzeugung von Siliciuimitriü, bei welcher Siliciiur-•lalogenide verv/endet v/erden und SäLtren als rieben produkte entstehen. Derartige Verfahren sind selbstverständlich rrit den Erfordernissen ler !Urzeugung von Siliciumnitrid \*~af Letallen oder Halbleitern unvereinbar, insofern derartige iebenproduktsäuren den 'Träger, auf welchem die Schicht erEc-;n_f;:t werien soll, angreifen wiirclon.

909838/0512

l-an - darf annehmen, daß die gesamte Reaktion gemäß :1er Erfindung deswegen Dei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen vor sich geht, weil das -als Ausgangsstoffe verwendete Silan und Ammoniak sich bereitwillig unter Bildung von naszierend em Silicium und Stickstoff zersetzen, die sich ihrerseits wiederum ohne weiteres unter Slidung von Siliciumnitrid verbinden. Im Gegensatz zu dem durch die Zersetzung der erwähnten Verbindungen erhaltenen Silicium und »Stickstoff s'Jnü bei kovamerziell verfügbarem Silicium und Stickstoff wesentli-ch oberhalb 1000 ⁰O liegende jk Reaktionstemperaturen erforderlich, um aus ihnen Siliciumnitrid darzustellen.

liach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Siliciumnitrid schichten wurden mittels Elektronenbeugung und -reflexion untersucht. Die dabei erhaltenen Muster waren ziemlich diffus, was αarauf hindeutet, daß die Schichten ziemlich amorph sind. j'j.i. η ige Anzeichen jeuten darauf hin, daß Schichten, die bei Temperaturen aiu oberen Ende des angegebenen Temperaturbereichs iiergenteilt werden, eine Tendenz zu größerer Kristallin!tat W zeigen. ■- _

Siliciumnitrid i.:-jt eine hochinerte Verbindung. Schnellwirkende Lb"su:ngsr,.ittel für aas im Stück bzw. Block vorliegende Material sin-'i Im allgemeine!¹ η L ο nt bekannt. Es hat sich jedoch ergeben, daß Flourwasseratoffsäure ein wirksames Lösungsmittel für die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in Betracht

90 98 3 870512 bad oh.G'NAL

kommenden Materialdicken, das heißt im Bereich von eiligen Mikron lois einigen Tausendstel Zoll, darstellt. Konzentrierte Fluorwasserstoffsäure, beseitigt eine Siliciumnitridschicht von einigen Mikron Düce in weniger als einer Minute. Verdünnte Fluorwasserstoffsäure gestattet die kontrollierte Abtragung der Siliciumnitrid schicht , analog der Art und Weise, in welcher öxydschichten nach dem herkömmlichen Stand der Technik auf verringerte Dicke gebracht werden. Eine kontrollierte Flächenätzung der Siliciumnitridschicht läßt sich unter Verwendung von Wachs als .Maskierung gegen die Ätzsäure durchführen. Auch herkömmliche Photoabdeckermasken wie bei den Oxydätzverfahren sind anwendbar.

Durch das vorstehend "beschriebene Silan-Verfahren zur Abscheidung von Siliciumnitridschichten auf Halbleitersubstraten wird nicht nur die Herstellung der gewünschten Halbleiteranordnungen vereinfacht und erleichtert, sondern die nach diesem Verfahren hergestellten Halbleiteranordnungen erhalten auch verbesserte Betriebseigenschaften. Bei Siliciumanordnungen mit Qxydschutzüberzügen ist eines der grundlegenden Probleme die elektrostatische Wechselwirkung der Oxydschicht mit dem Silicium und im besonderen die Änderungen der Wechselwirkungen, welche 'Änderungen der Ladungsverteilung im Inneren der Oxydschicht zuzuschreiben sind. Diese verhältnismäßig langsamen Änderungen können durch die erwähnte lang anhaltende Anlegung einer elektrischen Vorspannung, durch Diffusion von Unreinheiten oder durch chemische Reaktion hervorgerufen werden. Beispielsweise wurde festgestellt,

909838/0512 bad original

daß der Arbeitspynkt des Gatters eines Metall-Oxyd-Halbleiter-(MOS)-Transistors allein dadurch, daß man den Transistor einige wenige Stunden bei etwa 100 ⁰C einer angelegten Vorspannung unterwirft, um mehr als 10V verschoben werden. Diese Verschiebung kommt durch die Driftbewegung von Ionen durch die Oxydschicht hindurch unter dem Einfluß des angelegten Feldes zustande. Durch die Umgebungstemperatur werden diese Änderungen beschleunigt.

^ijach dem Stande der Technik wurden verschiedene Verfahren

Siliziumversucht, um das bei mit Oxydschutzüberzug versehenen/Halb-1eiteranordnungen auftretende 'Problem elektrischer Instabilität zu überwinden. Ifech einem derartigen bekannten Verfahren wird die Oxydschicht stark mit Akzept.or- oder Donor-Unreinheiten dotiert, um das Oberflächenpotential-des Siliciums zu stabilisieren. Ein anderes derartiges bekanntes Verfahren geht von der Einhaltung strenger Sauberkeit während der Herstellung der Siliciumhalbleiteranordnung aus, um von dem Oxyd die schneller diffundierenden Ionen fernzuhalten,welche man für die elektrische Stabilität am schädlichsten hält. Keines dieser bekannten Verfahren bringt eine zufriedenstellende Lösung. Durch die vorliegende Erfindung verringert sich das Problem elektrischer Instabilität ganz wesentlich durch die Verwendung einer SiIiciumnitridschicht anstelle der Siliciumoxydschicht nach dem Stande der Technik. Die Siliciumnitridschicht ist eine wirksame Schranke gegen Unreinheitsmigrationserscheinungen und besitzt

^909838/0612 ■ BAOOR.G.NAL

1521601

eine höhere chemische Stabilität als Siliciumoxyd sowohl gegenüber dem darunter befindlichen Silicium als auch gegenüber den nachfolgend aufgebrachten Metallen.

Die der Verwendung von Siliciumnitridschichten anstelle von Silidumoxydschichten zuzuschreibende Verbesserung der elektrischen Stabilität wurde anhand einer großen Anzahl von in gleicher Weise hergestellten Siliciumdioden nachgewiesen, die sich nur bezüglich des Oberflächenpassivierungsmaterials voneinander unterschieden. In einem Falle wurden 28 mit Nitrid überzogene Diffusionsflächendioden mit 31 oxydüberzogenen Diffusionsflächendioden verglichen. Der Vergleich diente zur Prüfung der relativen Passivierungseigenschaften von nach dem Verfahren gemäß der Erfindung aufgebrachten,Siliciumnitrid. Die Passivierung kann als derjenige Prozeß bezeichnet werden, welcher die Eigenschaften einer Anordming in einer bestimmten Umgebung stabilisiert. Ein gebräuchliches Kriterium für die Passivierung einer pn-Schichtdiode ist die Größe des Sperr-Sättigungsstroms der Diode und die Größe und Schärfe des Durchbruchs in Sperrrichtung. Eine weitere Gütekennzahl für die Passivierungsqualität ist die Invarianz der Sperrsättigungs- und -durchbruchsparameter bezüglich Änderungen der Umgebungsbedingungen wie ' beispielsweise Temperaturänderungen. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse des erwähnten Diodenvergleichs zur Bestimmung der relativen Passivierungsgute von Siliciumnitrid gegenüber der Passivierungsgüte von thermisch erzeugtem

909838/0512 _{ßAD 0RIQ},_NAL

Siliciumoxyd wiedergegeben; der Vergleich erfolgte an Probegruppen von 28 Dioden mit Siliciiimnitridüberzug und 31 Dioden Siliciumoxydüberzug.

Passivierungs- Sperrsättigungs- Sperrsättigungs- Durchbruch

material strom bei 25 V strom bei 75 V in Sperr-

Gleichspannung Gleichsüannung richtung

Siliciumnitrid 5 x 1O"⁹ A . 100 χ 10"⁹ A 85 V Gleich-

ο _Q. ■ _o span-

Siliciumoxyd 5 x 10 ^J A 750 χ 10 ^ A 80 V nung

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Eigenschaften- der beiden Diodenarten sehr ähnlich sind, wobei die Nitriddiode jedoch einen deutlich verringerten Sperrsättigungsstrom bei 75"V Gleichspannung besitzt. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Umstand, daß die für die mit Siliciumnitrid überzogenen Dioden beobachteten sehr niedrigen Sperrsättigungsströme zeitlich auf?erst sts-bil blieben. Diese bedeutsame Stabilität wurde an drei Gruppen νου mit Siliciumnitrid überzogenen Dioden demon- ■ striert, öie wie in dem oben beschriebenen, und in der vorherigen Tabelle zusammengestellten Fa¹Il getestet wurden und auch niicl'j bestimn.teri längeren Intervallen bei den in der folgenden "abelle angegebenen Temperaturen; die Tabelle zeigt eine Zusammenstellung der bei zwei Sperrstrornpegelwerten gemessenen n oer Dioden. '

909838/0512 BAD OR.G-NAL

Zusammenstellung der Sperrspannungen

Bedingungen Bei Zimmertemperatur Nach 72 Stunden Bei Zimmertempe

des Tests unter Verwendung bei-3000.0 unter ratur mit

neuer Dioden Verwendung Monate lang

neuer Dioden aufbewahrten

(in Stickstoff- Dioden atmosphäre)

Sperrstrom

Diodengruppe 1

Diodengruppe 2

Diodengruppe 3

10 μλ 10 ejA

35 V 145 V

40 V 120 V

35 V 100 V

lOjuA 10 mA 10 μλ 10 mA

35 V 145 V 35 V .120 V 30 V 100 V

35 V 145 V

35 V 120 V

25 V 95 V

Das Fehlen jeder nennenswerten Änderung der Sperrspannungskennwerte in den oben aufgeführten Fällen einer 72-stündigen Wärmebehandlung bei 3OO ⁰C bzw. nach 4-monatiger Aufbewahrung bei Zimmertemperatur zeigt deutlich die Hohe pn-Schicht-Passivierungsqualitat von Siliciumnitrid.

Fig. 1 zeigt in Schnittansicht die in den Vergleichtests verwendeten mit Siliciumnitrid Überzogenen Flächendioden. Gleichzeitig ist Fig. 1 auch typisch für die verwendeten Siliciumoxyddioden, mit der Ausnahme, daß bei diesen Silicium oxyd anstelle von Siliciumnitrid als Passivierungsmaterial verwendet wurde. Wie ersichtlich, ist die in Fig. 1 gezeigte Diode von herkömmlicher Planarbauart, wobei die pn-Schicht an der Stelle, wo die pn-Schichtkante an der Oberfläche des

909838/0512

BAD ORIGINAL

Halbleiterkörper 2 austritt,·durch Oberflächenpassivierung geschützt werden muß. In einem typischen Fall wird die pn-Schicht 1 dadurch hergestellt, daß man Phosphor in ein p-Silicium von Ϊ Ohm-cm eindiffundieren läßt. Die Siliciumnitrid-Passivierungsschicht 3 dient als Diffusionsmaske und schützt die Ränder der pn-Schicht 1 nach der Fertigstellung. Die Diodenvorspannpotentiale werden über Elektroden 4 tmd angelegt. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung ebenso gut bei p-auf-n-Dioden wie bei der in Fig. 1 dargestellten n-auf-p-Diöde anwendbar.

Fig. 2 stellt einen Siliciumplanar-Feldeffekttransistor mit isolierter gate-Elektrode unter Verwendung von Siliciumnitrid als pn-Schicht-Passivierungsschicht 6 sowie auch als gate-Isolierschicht 7 dar. Zusätzlich dient das Siliciumnitrid β und 7 auch als Diffusionsmaske bei der Herstellung der "source"-pn-Schichten 8 und der "drain"-pn-Schicht 9. Die Betriebspotentiale werden über die "source"-Elektrode 10, die "gate"-Elektrode 11 und die "drain"-Elektrode 12 zugeführt, Die Verwendung von Siliciumnitrid gemäß der Erfindung anstelle von SiIiciumoxyd für die Schichten 6 und 7 hat -zu einer Verbesserung der Stabilität des Feldeffekt-Transistors geführt.

Die Theorie des Feldeffekttransistors mit isolierter gate-Elektrode ist in. dem Aufsatz "Characteristics of the Metal-Oxide -Semi conduct or Transistors" von O.T. Sah in IEEE

909838/0512 BADORiGiNAy.

Transactions on Electron Devices,- Bd. ED-7, pp. 324-345 vom Juli 1965 beschrieben. Das Hauptproblem bei der Herstellung des Silicium-Planar-Feldeffekttransistors mit durch Oxyddielektrikum isolierter gate-Elektrode (MOS^Feldeffekttransistor) ist die Kontrolle der Ladungsdichte in dem Silicium in der Nähe der Grenzfläche mit dem Siliciumoxyd. Die Ladungsdichte wird durch die Wanderung von Ionenladungsträgern in der Oxydschicht, durch die Heuverteilung von Unreinheiten aus dem Hauptkbrper ("redistribution of bulk impurities") während der Oxydation und wahrscheinlich durch chemische Wechselwirkungen zwischen der Siliciumoxydschicht und dem Silicium beeinflußt. Insbesondere die Ionentrift hat von der Umgebungstemperatur abhängige Instabilitäten der MOS-Transistoreigenschaften verursacht. Erhöhte Reinheit und andere besondere Herstellungsverfahren und -maßnahmen haben das Ionentriftproblem bis zu einem gewissen Grad verringert, jedoch bleibt noch viel zu wünschen übrig.

Gemäß der Erfindung wird jegliche Verteilung und Verbreitung von Unreinheiten infolge der für die Siliciumnitridabscheidung ausreichenden niedrigen Temperaturen vermieden, und die hochinerte Natur des Siliciumnitrids vermeidet eine chemische Instabilität an der Silicium-Siliciumnitridgrenzflache.

Besonders bedeutsam iat der Umstand, daß die Ionentrift durch die Isolierschicht um Größenordnungen langsamer ist, wenn die

ÖAD 909838/05 12

Schicht aus Siliciumnitrid "besteht, als wenn sie aus Silicium-

• belastungs-

oxyd besteht. Dies wurde durch Vergleich von fttifeä

Daten an Metall-Siliciumoxyd-Siliclum· (MOS)-Kondensatoren und an Metall-Siliciuiimitrid-Silicium (MS)-Kondensatoren nachgewiesen, die mit Natriumionen kontaminiert -waren und IT/2 Stunden lang "bei 15O⁰C einer Vorspannung von-+ 30 V Gleichspannung ausgesetzt wurden. Während in den Kapazitäts-/ Spannungskeniilinien der MOS-Kondensat or en Verschiebungen von etwa 20 V festgestellt wurden, waren die Kennlinien der MNS-Kondensatoren praktisch unverändert. Ein weiterer Beweis fur· die Stabilität der Siliciumnitridschicht in. Gegenwart von Ionenkontamination ergibt sich aus der folgenden Tabelle; hierbei wurden mit Silioiumnltridschichten hergestellte Feldeffekttransistoren mit isolierter gate-Elektrode einer zweistündigen Wärembehandlung bei 150⁰O mit einer positiven Vorspannung von 30 V Gleichspannung an der gate-Elektrode unterworfen:

TRAIiSISTOH 1

TRANSISTOR 2 TRANSISTOR 3 Vor Nach Vor Nach

Vor der Nach
Behänd- der Be-der der der der lung hand- Behand-Behand-Behand-Behandlung lung lung lung lung

gm 2,5

Durchbruchspannung zwischen "drain"- und
"source"-Elektroden

"gate"-Schwellspannung 9 V

2,5 50

25

200 V 200 V 200 V 200 V 200 V 200 V

9 V OV 8 V 10 V 10 V

_BA0

909838/0512

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß man mit dem Siliciumnitri(!verfahren gemäß der Erfindung passivierte pn-Schichten erhöhter Qualität erzielen kann, und daß die Siliciumnitridschicht für Drift erscheinungen von "bestimmten, in einer Siliciumdioxydschicht beweglichen Ionenarten hoch undurchlässig ist. Die Kombination dieser beiden vorteilhaften Faktoren erleichtert besonders die Erzielung stabiler Feldeffekttransistoren mit isolierter gate-Elektrode und anderer pn-Schicht-Halbleiteranordnungen.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, denen jedoch keine einschränkende Bedeutung zukommen soll.

Patentansprüche:

BAD ORIGINAL 909838/0512

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Abscheidung eines Siliciumnitrid-Filins auf einer Substragfläche, bei welchem die Substratfläche in einem Gemisch gasförmiger Reaktionskomponenten erhitzt wird, welche sich zersetzen und hierbei Siliciumnitrid bilden, dadurch gekennzeichnet , daß das Gemisch als Reaktionskomponenten Silan und eine stickstoffhaltige Komponente enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n~ ζ--e i c h η et, daß als stickstoffhaltige Komponente Ammoniak dient.

3. Verfihren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Substrat in der das Silan und Ammoniak enthaltenden Gasatmosphäre auf einer Temperatur im Bereich von 60.O⁰O bis 10QO⁰C hält.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der gasförmigen Reaktionskomponenten durch Beimischung eines inerten Gases verdünnt sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden

9 0 9 8 3 8/0512 BAD

Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet , daß man das Substrat in einer Reaktionskammer, welche Ammoniak und ein inertes Gas enthält, auf eine Temperatur im Bereich von 6QO⁰C bis 100O⁰C erhitzt, daß man ein gasförmiges Gemisch- aus Silan.und einem inerten Gas in die Reaktionskammer eintreten läßt, daß sodann nach der Abscheidung des Siliciumnitridfilms in der gewünschten Dicke die Einleitung des Silangemisch.es abgebrochen wird, und daß man das Substrat in Gegenwart von überschüssigem Ammoniak auf Zimmertemperatur abkühlen läßt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß als inertes Gas Argon verwendet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vor her feiend en Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktion bei einer Temperatur von 900⁰O durchgeführt wird. ■ .

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Verfahren in einem Reaktionsgefäß von ein Zoll Durchmesser durchgeführt wird, in welcher man eine ammoniakhaltige Atmosphäre mittels eines Gasstroms von 1 VoIi. ψ Ammoniak in Argon mit

909838/0512

BAD

Durchsatz von 48 ml pro Minute aufrechterhält, und daß ein Gasstrom von ein Voll γο Silan in. Argon mit einem Durchsatz von 12 ml pro Minute in das Reaktionsgefäß eingeleitet wird.

9. Halbleiteranordnung mit einem isolierendem und passivierenden Film aus einem inerten Material,-.."As^EÖPOh' gekennzeichnet, daß der 3? lim, ö SM nach, dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden An-" •Sprüche abgeschiedener Siliciumnitridfilm ist.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, welche wenigstens eine pn-Schicht aufweist, deren Rand sich bis zu eier Oberfläche der Halbleiteranordnung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Oberfläche der Halbleiteranordnung austretende pn-Schichtrand von einer Siliciumnitrid-Passivierungsschicht (3, Fig. 1} .6, 7, Fig. 2) überdeckt wird. ·

11.Halbleiteranordnung nach Anspruch TO, dadurch gekennzeichnet , daß die Siliciumnitrid-Passivierungsschicht (3, Pig. 1; 6, 7, Fig. 2) an einer von der Austrittsstelle der pn-Schichtkante (1, Fig. 1} b, 9, Fig. 2) ander Oberfläche verschiedenen Stelle eine Öffnung (4, 5, Fig. 1; 10, 12, Fig. 2) zur Anbringung einer Elektrode aufweist.

90 9 838/0512 BAD OBtfä»NAL

^.Halbleiteranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch, g- e k e ή η ζ e i c h η e t , daß die Siliciumnitrid-Passivierungsschicht (3, Fig. 1; 6, 7, Fig. 2 ) an von der Austrittsstelle der pn-Schichtkante (1, Pig. 1j S, 9, Pig. 2) verschiedenen Stellen zu "beiden Seiten der pn-Schicht mit Offnungen (4, 5, Pig. 1} 10,

12, Pig. 2) zur Anbringung von Elektroden versehen ist.

13.Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, in Ausbildung aus !Flächendiode (Pig. 1).

^.Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, in Ausbildung als Feldeffekttransistor (Fig. 2).

.d J ßlP

909838/0512 _{BAD O}r_IG1nal