DE1921373A1

DE1921373A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer solchen

Info

Publication number: DE1921373A1
Application number: DE19691921373
Authority: DE
Inventors: Joseph Lindmayer
Original assignee: Sprague Electric Co
Current assignee: Sprague Electric Co
Priority date: 1968-04-29
Filing date: 1969-04-26
Publication date: 1969-11-20
Also published as: JPS4810907B1; US3547717A; FR2007255A7; GB1261365A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING.

HELMUT GORTZ ₂1. April 1969

6 .Frankfurt am Main 70 Gzx/ko

hneckenhofsir. 27- Tel. 61 7079

Sprague Electric Company,.Forth Adams, Massachusetts/ü.S.A.

Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer

solchen

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter, welcher eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Strahlung aufweist, und eine Methode zur Herstellung eines solchen.

Herkömmliche Bauelemente unterließen bei Bestrahlung im allgemeinen einer Verschlechterung, so daß die Schaltungszuverlässigkeit in erheblichem Maß herabgesetzt wird und sogar ernsthafte Schaltungsstörungen auftreten. Im Hinblick darauf konnte man annehmen, daß Feldeffekttransistoren mit getrenntem Gitter, im folgenden als MOS-Transistoren bezeichnet, gegen Strahlung widerstandsfähiger als bipolare Vorrichtungen sein würden, da die Betriebsweise der letzteren nicht stark von der kristallographischen Ordnung des halbleitenden Körpers abhängig ist. Leider sind jedoch die MOS-Transistoren stark abhängig von dem Gitterdielektrikum, welches im allgemeinen nicht monokristallin ist. Transistoren dieser Art konnten daher auch keine genügend große Strahlenbeständigkeit aufweisen.

Gegenstand dieser Erfindung ist die Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit großer Strahlenresistenz.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit einem passivierenden Oxydüberzug, welcher beachtliche Jtabilität unter Bestrahlung aufweist.

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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines laüö-Transistors mit hoher Strahlenresistenz.

Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines MOS-Transistors, dessen Gitterisolation aus einem durch Zusatz von Chrom stabilisierten Oxyd besteht.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer oxydüberzogenen Halbleitervorrichtung mit hoher Strahlenresistenz. Ein noch weiterer P Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Stabilisierung eines Oxyds durch Zusatz von Chrom und/oder seinen Oxyden. Allgemein umfaßt eine strahlenresistente Halbleitervorrichtung entsprechend der Erfindung einen halbleitenden Körper mit einem Oxydoberflächenüberzug, dessen inaktive Valenzstellen mit Chrom besetzt sind.

Im engeren Sinne umfaßt eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung einen halbleitenden Körper eines Leitfähigkeitstyps mit auseinanderliegenden Bereichen eines anderen leitfähigkeitstyps darin, welche ein Kanalgebiet des Körpers zwischen sich ausbilden, einen Oxydüberzug, der wenigstens in dem Kanal- ^ gebiet den Körper überdeckt, wobei die inaktiven Valenzstellen des Überzugs mit Chrom oder dessen Oxyden besetzt sind. Das Verfahren schließt die Schritte des Ausbildens eines Oxydüberzugs, der den halbleitenden Körper überdeckt, die Hitzebehandlung des Überzugs in einer nicht reaktiven Umgebung, um die Stellen unvollständiger oder inaktiver Valenzen freizulegen, und eine darauf folgende Hitzebehandlung in Gegenwart von Chrom ein, um diese Stellen mit Chrom und/oder seinen Oxyden zu besetzen.

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Die Gitteroxydisolation, die ein Kanalgebiet bedeckt, welches von auaeinanderliegenden Bereichen eines halbleitenden Körpers gebildet wird, hat dann seine inaktiven Valenzstellen mit Chrom oder dessen Oxyde besetzt, um eine strahlenresistente Vorrichtung zu bilden."

V/eitere Merkmale, Vorteile, und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispxelen sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines nur teilweise vollständigen MOS-Transistors im Schnitt,

Fig. 2 eine Ansicht eines vollständigen Transistors, welcher erfindungsgemäß hergestellt wurde, im Schnitt, und

Fig. 3 ein Flußdiagramm, welches die Schritte in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit hoher Strahäienresistenz wiedergibt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Fig. 1 zeigt einen monokristallinen Körper 1o aus halbleitendem Material wie z.'L. Silicium oder dergleichen mit einem Paar im Abstand befindlicher Bereiche 12 und 13» die an die obere Fläche grenzen. Die Bereiche 12 und 13 sind von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie der des Körpers 1o und bilden ein Kanalgebiet 14- in der zwischen ihnen liegenden Trennung aus. Ein dielektrischer Überzug 15 wie z. B. Siliciumdioxyd oder dergleichen überdeckt die Fläche 11. öffnungen sind in dem überzug bei den Bereichen 12 und 13 vorgesehen und

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der überzug 15 ist in dem Gebiet über dem Kanal 14 in seiner Dicke reduziert, um einen Gitterisolator 16 zu bilden.

Fig. 2 zeigt einen vollständigen MOS-Transistor mit einer metallischen Gitterschicht 1? aus Chrom oder dergleichen, welche über einem modifizierten Gitteroxyd 16a liegt, und mit metallischen Kontakten 18 und 19 in Verbindung zu den Bereichen !2 bzw. Ί3.

In der bevorzugten Ausführungsform wird Chrom für die Kontakte 18 und 19 sowie für die Gitterelektrode 1$ verwendet'} desgleichen ist Chrom in das Oxyd 15a diffundiert, welches unter den Kontakten liegt. Da jedoch die Stabilität des Gitterisolators von Hauptbedeutung in dem MOS-Äufbau ist, wird dieser in der Beschreibung besonders betont. Es wird daraufhingewiesen, daß , in Abhängigkeit von der Art des Aufbaues ,irgend eines oder alle: Oxyde von Chrom oder seinen Oxydenmodifiziert würde, und daß bei irgend einem Aufbau es vorteilhaft sein könnte, das Oxyd, welches eine beliebige Verbindung überlagert, zu mo- ■ difizieren«

Die Einheit von Fig. 2 ist nach einem bevorzugten Verfahren, welches in dem Flußdiagramm von Fig.'3 ausgeführt wird, hergestellt. In einem ersten Schritt werden auseinanderliegende Bereiche eines Leitfähigkeitstyps durch konventionelle Mittel innerhalb eines sauerstoffenthaltenden Körpers aus nonokristallinem Halbleitermaterial des anderen Leitfähigkeitstyps gebildet. Die Bereiche werden z. B. durch Diffusion oder dergleichen durch die öffnungen in der Oxydschicht geschaffen.

Danach wird der Körper auf über 4oo° C in einer nichtreaktiven Umgebung erwärmt, in welcher eine Oxydzunahme verhindert wird, ζ. .ο. einer Stickstoffatmosphäre oder einem anderen neutralen Gas. Diese Behandlung zerstört jegliche inaktive oder unvollständige Valenz des Überzugs und befreite die Stellen von diesen inakti-

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ven Valenzen. Man nimmt an, daß diese Stellen unvollständiger Valenz hauptsächlich OH-Stellen sind, die durch einen Wasserstoffeinschluß in dem Überzug während seiner thermischen Entstehung gebildet wurden, und das Erwärmen in einem neutralen Gas die Stellen aufbricht, dem Wasserstoff zu entweichen erlaubt und die Stellen freimacht, so daß diese in einem veiteren Schritt eine stabile Bindung mit diffundiertem Ohrom eingehen können.

Vor der Aufbringung des Metallbelages wird eine dünne äußere Schicht (z. B. von etwa 3oo Sngström Dicke) des Oxyds durch ätzen oder dergleichen entfernt und es werden Öffnungen zu den auseinanderliegenden Bereichen vorgesehen. In einem evakuierten System wird daraufhin Chrom über die üxydschicht und die freien Oberflächen der Bereiche verteilt. Das Chrom wird dann durch erneutes Erwärmen der Scheibe hinein diffundiert.

Das Chrom wird vorzugsweise in einem evakuiertem System z. B. durch Elektronenstrahlablagerung aufgebracht, bei dem reines Chrom durch einen Elektronenstrahl verdampft wird und sich auf der vorbereiteten Scheibe kondensieren oder ablagern kann. Bei dem bevorzugten Verfahren verbleibt die Scheibe innerhalb der evakuierten Kammer während des Gritterdiffusionsschrittes, um zu vermeiden,- daß das Chrom irgendwie reaktiven Elementen ausgesetzt wird, und um sicherzustellen, daß reines Chrom in das Oxyd eindiffundiert.

Da das abgelagerte Chrom das von inaktiven Bindungen befreite Oxyd abschließt, ist es möglich, die Scheibe vor dem Gitterdiifusionsschritt herauszunehmen. Die Scheibe kann dann zu einem späteren Zeitpunkt chemisch gereinigt werden (um irgend eine Oberflächenbeschmutzung des Chroms zu beseitigen) und in einer nicht reaktiven Atmosphäre wärmebehandäLt werden.

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Nach dem Herausnehmen aus der Vakuumkammer wird der Chromüberzug selektiv geätzt, um Quellen-, Abfluß- und Gitterelektroden zu bilden. Schließlich werden wenn erforderlich leitungen an der Gitterelektrode und den Bereichskontakten angebracht, um die Vorrichtung zu vervollständigen.

Einheiten, welche in dieser Weise hergestellt wurden, haben eine höhere Strahlenwiderstandsfähigkeit im Vergleich mit konventionellen MOS-Transistoren und sind in der lage eine Bestrahlung von mehr als 10 rad (Si) ohne Verschlechterung auszuhalten. Im Hinblick darauf glaubt man, daß die unbefriedigende Arbeit von kenventionellen KiOS-Vorriehtungen unter .ionisierender Strahlung durch die Ionisation der unvollständigen oder Nebenvalenzen erklärbar sei, welche bewegliche positive Ladungen in dem Oxyd hervorruft. Die bessere Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einheit ist offenbar auf die Besetzung dieser Stellen mit Chrom zurückzuführen, welches in der Lage ist, eine große Anzahl stabiler Oxyde zu bilden.

In einem spezifischen Beispiel wurde eine monokristalline SiIiciumscheibe vom n-Leitfähigkeitstyp mit einem spezifischen Widerstand von 1o Ohm χ cm und auseinanderliegenden Bereichen vom p-Leitfähigkeitstyp mit einer Flächenkonzentration der Verunreinigen von angenähert 10 atome/cm durch konventionelle Mittel gebildet.

Danach wurde ein überzug von angenähert 1500 Sngström dickem Siliciumdioxyd über dem Körper gebildet, in dem dieser für 1 1/2 Stunden bei 1100° C in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt wurde. .Daraufhin wurde die Einheit bei angenähert 1100° C für etwa eine halbe Stunde in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt. Dies wurde in der Art bewerkstelligt, daß die Scheibe in dem Ofen bei der Temperatur belassen.wurde, während die Atmosphäre gegen Stickstoff ausgetauscht wurde.

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\ ·■ Daraufhin wurde der überzug oberflächengeätzt mit Fluorwasserg stoff, um etwa 3oo Angstrom der äußeren Fläche zu beseitigen. Zur gleichen Zeit wurden Öffnungen zu jedem Bereich durch den tiberzug geätzt.

Die Scheibe wurde dann in ein Elektronenstrahlbelagerungssystem f gelegt und das System auf angenähert 1o~ bis 1o""' mm Quecksil-μ bersäule evakuiert. Der Elektronenstrahl wurde dann auf eine Quelle aus reinen Chrom gerichtet, um einen Metalldampf zu erzeugen, welcher sich auf der Scheibe niederschlägt« Daraufhin wurde der Aufbau in der Kammer auf Temperaturen um 45o° C für etwa 1o Minuten erwärmt, um das Chrom in das Oxyd einzudiffundieren.

Die Einheit wurde dann aus der Kammer genommen und selektiv mit Chlorwasserstoff geätzt, um die verschiedenen Kontakte zu trennen» und schließlich wurden Aluminiumleitungen mit den Quellen-, Gitter- und Abfluß-Kontakten verbunden.

Die auf diese Weise hergestellten Einheiten wurden danu verschiedenen Strahlungsdosen bis hinauf zu 1o rad (Si) ausgesetzt. Die Wirkungen der Strahlung veränderten sich in AbhärgLgkeit von der Gittervorspannung, die während der Bestrahlung anlag! im Vergleich mit konventionellen MOS-Aufbauten konnten die erfindungsgemäßen Einheiten jedoch um 2 Größenordnungen größere Strahlungstfosen aushalten. In anderen V/orten, die Strahlenwiderst andefähigkeit der erfindungsgemäßen Einheit ist signifikant größer als die konventioneller Einheiten.

Eb sind zahlreiche Kodifikationen möglich. Das Chrom kann mit Hilfe anderer Diffusionstechniken eingebracht werden und das chrom-modifizierte Oxyd kann verbesserte Strahlenwiderstandsfäaigkeit Tür zahlreiche verschiedene Halbleitervorrichtunger schaffen. So kann z. B. das chrom-modixizierte Oxyd mit anderen unipolaren Einrichtungen sowie mit bipolaren und kikroschaltungs-

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einheiten verwendet werden. Wenn darüber hinaus das Oxyd durch das Chrom modifiziert oder besetzt wurde, kann die Chromoberflächenschicht entfernt werden· Im Falle eines MOS-Transistors kann eine· getrennte G-itterschicht aufgebracht werden, Nach der Diffusion kann die Ghromgitterschicht mit anderen Metallen usw. überdeckt werden. Es soll jedoch erwähnt werden, daß_?da eine Diffusion von der Zuführungs- zu der Gitter- Elektrode möglicherweise während der Betriebsdauer der MOS-?orrichtung auftreten kamij, es vorteilhaft ist, daß wenigstens eine Oberflächenschicht an Chrom an der Oxydgrenafläche zurückbehalten wird.

Außer Silicium und seinen Oxyden können viele verschiedene Metalle benutzt werden, so daß darüber hinaus weitere Modilikationen möglich sind.

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Claims

- 9 Patentansprüche

U J Halbleitervorrichtung mit einem Körper aus halbleitendem Material, gekennzeichnet durch einen Oxydüberzug, der wenigstens einen Teil der Oberfläche des Körpers bedeckt, wobei der Überzug dadurch modifiziert ist, daß alle Stellen nicht regulären Bindungen mit Chrom und/oder dessen Oxyden besetzt sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen bestimmten Leitfähigkeitstyp hat und ein Paar von Bereichen des anderen Leitfähigkeitstyps einschließt, daß die Bereiche im Abstand voneinander an die Oberfläche grenzen und einen Kanal zwischen sich bilden, und daß der modifizierte überzug den Teil der Oberfläche, der an den Kanal grenzt, bedeckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das modifizierte Oxyd, welches an den Kanal angrenzt, einen &itterisolator bildet, eine gitterelektrode über diesem Isolator liegt, und wenigstens ein Teil der Elektrode, die an den Isolator anliegt, aus Chrom besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Kontakte der .Bereiche, welche über den anderen Teilen des Oxyds liegen und sich bis zu den Bereichen erstrecken, und-dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein i'eil der Kontakte, die an dem Oxyd anliegen, aus Chrom besteh^ _t.
5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4» gekennzeichnet durch die Schritte: (1) Bilden eines halbleitenden oiiiciumkörpers, (2) Bilden eines Oxydüberzugs auf dem Korper, (3) Erwärmen des Überzugs 'in einer nicht reaktiven Atmosphäre und einer erhöhten Temperatur, um die Stellen nichtaktiver Valenzen des Oxyds zu be-

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se it igen, (4) «/Seäer erwärme η des Überzuges in Gegenwart von Chrom, um die Stellen mit Chrom und/oder seinen Oxyden zu besetzen.
6. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Körper auf .eine Temperatur über 4oo 0 in der nicht reaktiven Atmosphäre und in Anwesenheit von ^hroia erwärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Ablagern einer Schicht aus Chrom über den überzug nach dem ersten Erwärmungsschritt und vor dem zweiten Erwärmungssehritt, um Chrommaterial zur Besetzung der Stellen während ues zweiten Erwärmungsschrittes vorzusehen.
8. verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Entfernen einer dünnen äußeren Schicht des Überzuges vor der Ablagerung des Chroms·
9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Bilden von im Abstand befindliehen Bereichen innerhalb des Körpers, wobei die Bereiche entgegengesetzte Leitfähigkeit wie die des Körpers haben und einen Kanal zwischen sich ausbilden» und dadurch gekennzeichnet, daß der ^xydüberzug über dem Kanal gebildet wird und einen Gitterisolator vorsieht,und daß die Chroiaschicht eine Gitterelektrode bildet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd auch über anderen Teilen des Körpers gebildet und nachher mit dem Chrom besetzt wird.

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