DE2539943A1 - Verfahren zum stabilisieren von mos-bauelementen - Google Patents

Description

Verfahren zum Stabilisieren von. MOS·-Bauelementen

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Stabilisieren !von Metalloxidsiliziumbauelementen und insbesondere ein Verfahren zum Anlassen oder Tempern von MOS-Bauelementen, um deren Stabilität zu verbessern.

Es ist bekannt,, daß bei einer Oxidation der Oberfläche eines Siliziumplättchens in einer oxidierenden Atmosphäre bei hoher Temperatur sich an der Trennfläche zwischen Silizium und Siliziumoxid eine positive Ladung ausbildet. Dies hat zur Folge, daß das Bauelement unter dem Einfluß einer an einer Gateelektrode liegenden Vorspannung instabil wird. Die dafür aufgestellte Theorie, die die Anwesenheit einer Aufladung an dieser Stelle erläutert-Wird in dem Aufsatz "Characteristics of the Surface State Charges pf Thermally Oxidized Silicon" von Deal, Sklar, Grove und Snow in "Solid State Science", März 1962 beschrieben. Im wesentlichen wird .dabei die Theorie vertreten, daß diese Ladung an der Trennfläche i 'zwischen Silizium und Siliziumdioxid wegen eines stoechiometrischenj 'Ungleichgewichts zwischen Silizium- und Sauerstoffatomen auftritt. I |Der Mangel an Sauerstoffatomen an dieser Trennfläche geht auf den i Widerstand zurück, der sich bei der Oxidation einer Diffusion des Sauerstoffs nach dieser Trennfläche entgegenstellt, so daß sich ! 'im Ergebnis eine positive Aufladung einstellt. Man hat zur Besei · ^;

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— ο —

tigung dieser Aufladung auch ein Anlaß- oder Temperverfahren eingesetzt. Bei diesen Anlaßverfahren werden die Oxide der Gate·· Elektrode gewöhnlicherweise bei hoher Temperatur einer Atmosphäre von Stickstoff oder eines anderen molekularen Gases ausgesetzt. Dieses Verfahren ist in der US-Patentschrift 3 615 offenbart. Ein solches Anlaßverfahren verringert die Größe der Aufladung im Dielektrikum einer Gate-Elektrode,, wenn dieses j Dielektrikum relativ dick ist, d. h. dicker als 500 8. Wenn man j jedoch dünne Oxidfilme einer Gateelektrode in Stickstoff oder I einem anderen molekularen Gas anlassen oder tempern will, dann stellt man fest, daß die Aufladung zunächst verringert wird, daß aber bei weiteren Anlassen oder Tempern die Aufladung wieder zu- !nimmt. Das heißt aber, daß dünne Oxidfilme an Gate-Elektroden, die dort als Dielektrikum dienen, in einer Stickstoffatmosphäre durch Anlassen oder Tempern nicht stabilisiert werden können. Ein Anlassen zur Verringerung und Stabilisierung einer derartigen Aufladung in einer Sauerstoffatmosphäre ist ebenfalls nicht durchführbar, da das stöchiometrische Ungleichgewicht zwischen Silizium- und Sauerstoffionen bei der weiteren Oxidation erhalten bleibt, selbst dann, wenn der Ort der Trennfläche sich ändert. Außerdem hat die Sauerstoffatmosphäre in dem Bauelement den weiteren Aufbau der dielektrischen Schicht zur Folge, was nicht erwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist also, ein Verfahren zum Herstellen und Stabilisieren des Gate-Dielektrikums in einem MOS-Bauelement zu schaffen, bei dem sich dünne Dielektrikumfilme von weniger als 500 A* Dicke stabilisieren lassen. Dies wird gemäß dem neuen Verfahren zum Herstellen und Stabilisien einer dielektrischen Schicht für eine Gate-Elektrode mit einer Schichtdicke des Siliziumdioxids von weniger als 500 Ä in der Weise erreicht, daß die Siliziumdioxidsehicht im Bereich der Gate-Elektrode durch thermische Oxidation des monokristallinem Siliziumsubstrats erzielt wird! und daß sich die dabei ergebende Vorrichtung in einer inerten Gasatmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 900°C für mi destens 10 Minuten angelassen oder getempert wird.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen angegeben .

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht der Struktur eines Feldeffekttransistors.

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Anzahl der Oberflächenladungsträger über der Zeit für eine Temperung eines 100 8 starken Filmes in einer Stickstoffatmosphäre bei unterschiedlichen Temperaturen aufgetragen ist.

!Fig. 3 mehrere Kurven, bei denen die Anzahl der Oberflächenladungsträger für eine Reihe von Oxidfilmen über der Anlaßzeit auf-

!getragen ist, die in einer Stickstoff- und Argonatmosphäre i
angelassen wurden.

Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Anzahl der Oberflächenladungsiträger bei einem Anlaßvorgang in einer Argonatmosphäre und in !einer Stickstoffatmosphäre bei verschiedenen Temperaturen über j der Zeit aufgetragen ist.
ι
j Beschreibung einer der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

IBei der Herstellung von Feldeffekttransistoren stellt sich vor 'allem die Aufgabe, eine dielektrische Schicht für die Gate-Elektrode herzustellen, deren SchwelIwertspannungskennlinie stabil und die insbesondere relativ dünn ist und damit eine niedrige Schwellwertspannung aufweist. Das Gate-Dielektrikum muß relativ rein sein, damit sich eine stabile Schwellwertspannung ergibt, jDie zur Erfüllung dieser Forderungen bei der Herstellung einer !solchen dielektrischen Schicht benutzten Verfahren sind vielfach experimentell untersucht und besprochen worden.

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I Ein besonders wichtiges Problem ist die Verringerung der an der

Trennfläche zwischen Silizium und Gate-Dielektrikum vorhandenen I
!Aufladung. Diese Aufladung wurde als positive Aufladung gekenn™ I zeichnet, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Trennflä-I ehe zwischen Silizium und Gate-Dielektrikum befindet. Diese innerhalb des Gate-Dielektrikums befindlichen Ladungsträger, die im allgemeinen ein positives Vorzeichen haben, induzieren in dem Gate-Bereich des Siliziums eine negative Ladung, so daß dadurch im allgemeinen die Oberfläche von thermisch oxidierten Silizium η-Leitfähigkeit aufweist. Im allgemeinen ist diese Oberflächenaufladung durch einen gegebenen Satz von Randbedingungen re- !produzierbar. Die Ladungsdichte ist dabei von der Störelementkonzentration in dem Silizium und von der Dicke der Oxidschicht ,über einen weiten Bereich unabhängig und die Dichte ist ferner ;von einer Bandkrümmung oder dem Oberflächenpotential in Silizium mindestens für die mittleren 0,7ev des Bandabstandes unabhängig. I Man nimmt an, daß sich diese Oxidladung auf ein stochiometrisches Ungleichgewicht zwischen Silizium- und Sauerstoffatomen im Bereich der Trennfläche zurückführen läßt. Theoretisch ist die Konzentration der von der Oberfläche aus diffundierenden Sauerstoffatome an dieser Trennfläche am geringsten. Ein Überschuß an Siliziumatomen ergibt dann eine insgesamt positive Ladung.

Es ist bekannt, daß man die in einen Oxid Gatedielektrikum auf einem Siliziumkörper bestehende Ladung durch Anlassen oder Tempern verringern kann. Normalerweise wird ein solches Anlassen in einer N₂-Atmosphäre bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1000°C für etwa 1 Stunde durchgeführt. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, das Anlassen in einer inerten Gasatmosphäre wie z. B. Argon oder Helium durchzuführen. Wenn das Anlassen an Gateoxidschichten mit einer Dicke von über 500 & durchgeführt wird, dann läßt sich mit N- und mit inerten Gasen im allgemeinen die gleiche günstige Wirkung erreichen, d. h. die Herabsetzung der in der Oxidschicht vorhandenen Ladung.

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~ 5 —

Es wurde jedoch durch die Erfinder festgestellt, daß bei dünnen für Gate-Dielektrika verwendeten Oxidschichten die Auswahl der Anlaß oder Teinperatmosphäre kritisch wird.

Wie im einzelnen noch erläutert wird, und wie auch noch durch Versuchsergebnisse bestätigt ist, kann man beim Anlassen oder Tempern einer aus SiO„ bestehenden Gate-Isolationsschicht mit einer Dicke von weniger als 500 8 auf einem Siliziumkörper und !insbesondere in den Bereichen von weniger als 300 a" die an der Oberfläche existierende Aufladung nicht verringern, sondern man j

wird sie sogar erhöhen. Wenn man jedoch solche Oxidschichten an deij

I ο !

!Gate-Elektrode mit Dicken von weniger als 500 A in einer Argon- ;

j j

!atmosphäre anläßt, dann wird die Oberflächenladung bleibend verringert. Für derartige Strukturen ist daher die Auswahl der An- ^! laßatmosphäre kritisch. Das läßt sich aus dem Stande der Technik jedoch nicht ableiten, da im Stand der Technik die Lehre gegeben wird, daß zum Anlassen N2 und inerte Gase austauschbar sind.

Es wird dabei die Theorie vertreten, daß sich durch Anlassen thermisch erzeugter, aus Siliziumdioxid bestehende dielektrische Schich ten für Gate-Elektroden in N2 oder Argonatmosphäre eine relativ gleichförmige Sauerstoffkonzentration in dem Oxid aufbaut woraus sich ein verbessertes stöchiometrisches Gleichgewicht zwischen dem Sauerstoff und dem Silizium ergibt. Das hat eine Abnahme oder , Beseitigung der festen, im Oxid vorhandenen Aufladung zur Folge. Im Stand der TYchnik hatte man jedoch nicht erkannt, daß durch das (Anlassen in Stickstoff in dem Oxid ein Stickstoffkonzentrationsgradient erzeugt wird. Es wird dabei die Theorie vertreten, daß idann, wenn die Stickstoff konzentration an der Trennfläche merkliche! Werte annimmt, an der Trennfläche eine Siliziumnitridschicht gebildet wird, die ebenfalls das Auftreten von Aufladungen zur Folge \ tiat. Diese so erzeugten Aufladungen bilden sich vielleicht in fast äer gleichen Weise, wie sich durch das stöchiometrische üngleichjewicht zwischen Sauerstoff- und Siliziumatomen Aufladungen gebiläet haben.

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Wenn die Dicke der Gate-Oxidschicht größer ist als 500 A* dann werden die durch das stöchiometrische Ungleichgewicht zwischen Sauerstoff- und Siliziumatoinen an der Trennfläche hervorgerufenen Ladungen beim Anlassen beseitigt, bevor durch eine Stickstoff- ;diffusion durch die Oxidschicht hindurch neue Ladungen erzeugt

J werden. Wenn jedoch die Dicke dieser Gate-Oxidschicht weiter iherabgesetzt wird, dann nimmt der zeitliche Abstand zwischen !der Beseitigung der festen in der Oxidschicht liegenden Ladungen ^; und dem nachfolgenden Aufbau der erneut erzeugten Ladungen ab. Bei einer bestimmten Dicke treten die neu erzeugten Ladungen schon auf, bevor die ursprünglich vorhandenen Oxidladungen beseitigt sind. Bei dieser Dicke lassen sich die Oxidladungen durch ein AnI; ssen in einer Stickstoffatmosphäre nicht entfernen. Bei einer etwas größeren Schichtdicke der Oxidschicht wird die Anlaßzeit in N2 kritisch, daß heißt, der Anlaßvorgang muß zum richtigen Zeitpunkt nach Beseitigung der ursprünglich vorhandenen Aufladung und bevor neu erzeugten Ladungsträger auftreten, beendet sein. Dadurch werden aber neue Unsicherheiten hervorgerufen, die zu verringerten Ausbeuten führen. Eine inerte Gasatmosphäre ruft jedoch im Gegensatz zu Stickstoff keine neuen Ladungen hervor. Das heißt aber, daß zum Anlassen für sehr dünne, an Gate-Elektroden verwendete Oxidfilme ausschließlich die Benutzung einer inerten Gasatmosphäre brauchbar ist.

In Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors gezeigt, für den dieses Anlaßverfahren besonders geeignet erscheint. Der Transistor besteht aus einem monokristallinen Halbleiterkörper 10 mit einer Sourcezone 12 und einer davon mit Abstand angeordneten Drainzone 14. Eine relativ dicke dielektrische Schicht 16 ist in den inaktiven Bereichen des Bauelementes vorgesehen. Eine dielektrische Schicht 18, die über dem Bereich zwijsehen Source und Drain angeordnet ist, trennt die elektrisch

!leitende Gateelektrode 20 vom Halbleiterkörper 10. Source- und Drainelektroden 22 bzw. 24 aus elektrisch leitendem Material ι sind mit Source bzw. Drainzonen 12 bzw. 14 in Kontaktberührung.

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Eine Passivierungsschicht 26 überzieht die leitende Metallisierung des Bauelements. Die Leitung zwischen den Zonen 12 und 14 erfolgt über den in dor Nähe der Oberfläche liegenden Kanal zwischen den beiden Zonen und der Stromfluß durch diesen Kanal wird durch ein an der Gate-Elektrode 20 angelegtes Potential moduliert. Bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren haben Oberflächenphänomena eine außerordentliche Bedeutung. Es ist daher notwendig, daß die Qualität des die Oberfläche in der Nachbarschaft der Sourceund Drainzonen bedeckenden isolierenden dielektrischen Film sehr hoch ist. Gleichzeitig ist es außerordentlich wichtig, daß dieser Film relativ dünn ist, damit man eine relativ niedrige Schwellwertspannung erhält. Außerdem haben alle in der dielektrischen Schicht 18 vorhandenen Ladungsträger einen Einfluß auf die Stabilität der Schwellwertspannung. Die zuvor erwähnten, durch Aufladungen in der Nähe der Trennfläche zwischen Substrat

j und Oxid in der Oxidschicht verursachte Aufladung kann bei entsprechender Größe in einem N~Kanal-FET zwischen Source- und Drainzone einen N-Kanal zur Folge haben. Bisher hat man diese AufIa-

■ düngen durch Anlassen für eine bestimmte Zeit und mit einer be- ! stimmten Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre beseitigt. Wenn aber die dielektrische Schicht 18 relativ dünn ist, d. h. dünner als 500 A, dann wird durch ein Anlassen in einer Stickstof fatmosphäre die bisher bestehende Aufladung entweder nicht j beseitigt, oder wenn die in der Oxidschicht vorhandenen AufIa-I düngen reduziert werden, so werden durch weiteres Anlassen eri
neut Ladungsträger erzeugt, die die Anlaßzeit zu einem besonders

kritischen Faktor machen.

Die nachfolgend beschriebenen Versuche sollen dem besseren Verständnis der Erfindung dienen.

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•—ft —

Beispiel 1:

Bei diesem Versuch wurde eine 100 8 dicke thermische Oxidschicht in einer Stickstoffatmosphäre mit verschiedenen Zeiten und Temperaturen angelassen, um zu zeigen, daß eine niedrige Oberflächenladungsdichte mit einem Stickstoffanlaßverfahren nicht eingehalten werden kann. Man erkennt auch daraus das Auftreten neu erzeugter Ladungen bei einer weiteren Temperung in Stickstoff. Zwei Gruppen von Siliziumplättchen mit einer 111 Kristallorientierung mit einer P-Dotierung und einem spezifischen Widerstand ¹ von 2 Ohm/cm wurde zum Entfernen von Verunreinigungen und natürlich aufgewachsenen Oxiden gereinigt. Zunächst wurden dazu die Halbleiterplättchen in einer wässrigen Flußsäurelösung geätzt und anschließend in eine heiße wässrige NH₄OH + U₀O₀ Lösung eingetaucht und anschließend in eine heiße wässrige HcI + 2H₂O Lösung eingetaucht und anschließend in Wasser mit hohem spezifischen Widerstand gespült.

Nach dem Trocknen der Plättchen wurden die Oberflächen in trokkenem Sauerstoff bei einer Temperatur von 925 C zur Bildung einer 100 A dicken Schicht aus thermisch erzeugtem SiO„ oxidiert. Zur Kontrolle wurde ein Plättchen beiseite genommen und vier Plättchen wurden in einer Stickstoffatmosphäre mit unterschiedlichen Zeiten bei 1050⁰C, nämlich für 20 Minuten, für 1 Stunde, für |3 Stunden und für 16 Stunden angelassen. Eine zweite Gruppe von j 3 Plättchen wurde bei 1000°C für 20 Minuten, eine halbe Stunde j und eine Stunde angelassen. Nach Abkühlen wurden auf jedem der [Plättchen durch eine Metallmaske hindurch eine Anzahl von aus IAluminium bestehenden Punkten mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufgedampft. Die Aluminiumschicht hatte eine Dicke von etwa 5000 8. Außerdem wurde auf der Rückseite eines jeden der Plättchen eine die ganze Rückseite überdeckende Aluminiumschicht niedergeschlagen. Nach der Metallisierung wurden die Plättchen nochmals für 15 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre angelassen.

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j Die Natur der Oxidladung in dem auf jedem Plättchen thermisch ! oxidierten Silizium wurde dann unter Verwendung üblicher Kapazitäts- und Spannungsities sungen unter Verwendung der Gleichung

ermittelt, wobei Q die Cberflächenladungsdichte in Ladungsträ ■

2 ^ "19

! gern je cm , q die Ladung eines Elektrons gleich 1,6 χ 10 Coulomb, C die Oxidkapazität in Farad/cm.'" und 0

OX

ιHo

der

Unterschied in der Austrittsarbeit zwischen dem metallischen ; Aluminium und dem Silizium ist, das für diesen aus P- leitendem Si-

jlizium bestehenden Kalbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand von 2 Ohm/cm = -0,80 Volt ist. Die Meßverfahren zur Bestimmung der Oberflächenladung durch Kapazitäts · und Spannungsmessungen ist bekannt und sind beschrieben in 'Charcateristics of Solid State Charge of Thermally Oxidized Silicon" von Deal, Sklar, Grove und Snow, in Solid State Science, Band 115 Nr. 3 März 1967 Seiten 266-273. Die Ergebnisse der Versuche sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

1Οθ8 SiO₂ - N₂ Atmosphäre - 1O5O°C

Anlaßzext	VFB
	-1,06V
O	-0,88V
0,33 Std.	-0,89V
1,0 Std.	-1,0OV
3,0 Std.	-1,22V
16,0 Std.

Q_s/q

5,6 χ iO¹¹/cm² 1,7 χ 10 1,9 χ 10

11

11

4,3 χ 10

11

9,1 χ 10

11

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100Ä* SiO₀ - NL Atmosphäre - 1OOO°C

2 "2

Anlaßzeit V_pB Q_g/q

	0	Std.
0	,33	Std.
0	,50	Std.
1	,0

-1,06V 5,6 χ 10¹¹/cti²

-0,81V 0,2 χ 10¹¹

-0,82V 0,50 χ 10¹¹

-0,87V 1,4 χ 10¹¹

Diese Daten sind in Fig. 1 aufgetragen. Die Kurve 30 zeigt, daß in Stickstoff bei einer Anlaßtemperatur von 1050 C ein 100 A dicker SiO,, Film eine Zunahme der Oxidladung, gefolgt vom Auftreten einer neu erzeugten Ladung zeigt. Die Kurve 32 zeigt, daß der gleiche Film, wenn er bei 1000 C angelassen wird, seine ursprüngliche Ladung vollständig verliert, bei weiterem Anlassen jedoch fast unmittelbar anschließend das erneute Auftreten einer neu erzeugten Ladung zeigt. Dieses Beispiel beweist, daß ein Anlassen dünner, aus SiO„ bestehende Filme in Stickstoff nicht geeignet ist, eine möglichst kleine Oberflächenladung aufrecht zu erhalten.

Beispiel 2:

Bei diesem Beispiel wurde ein Vergleich zwischen den durch Anlassen verschieden dicker, thermisch aufgewachsener Oxidschichten in Stickstoff, und in Argon mit Oxidoberflächenladungen bei verschiedenen Anlaßzeiten durchgeführt. Es wurde wiederum eine Anzahl von Halbleiterplättchen ausgewählt,- gereinigt und, wie im Beispiel 1 beschrieben, oxidiert. Dabei wurden jedoch unterschiedliche Schichtdicken der thermischen Oxidschichten dadurch erzielt, daß die Halbleiterplättchen unterschiedlich lange einer Sauerstoff-

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atmosphäre bei 925 C ausgesetzt wurden. Dabei wurden Filme mit einer Dicke von 100, 150, 250 und 500 8 hergestellt und angelassen. Jede Gruppe von Plättchen wurde für 20 Minuten, 1 Stunde, 3 Stunden und 16 Stunden in Stickstoff angelassen. Gleichartige Plättchen wurden ebenfalls mit Oxidschichten mit einer Dicke von 150 8, 250 A* und 500 Ä* überzogen und in einer Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 1050 C angelassen. Nach der Metallisierung wurden Kapazitäts-Spannungsmessungen zur Bestimmung der Oberflächenladung in den jeweiligen Filmen durchgeführt. Die nachfolgend beschriebenen Tabellen geben einen Durchschnitt der experimentell erhaltenen Werte für jede der vorgenannten Serien an.

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IOOA SiO₂ - N₂ Atmosphäre l050°c

Anlaßzeit	-0	VFB	5	.6	Qs	/q
0	-0	.0 6V	1	.7	X	101:L/cm2
0.33std.	-1	.88V	1	.9	X	1011
1.0 std."	-1	.89V	4	.3	X	ίο11
3.0 Std·	.00V	9	.1	X	ίο11
16.0 Std.	.2 2V		X	ίο11

150A SiO₂ - N₂Atmosphäre-1050°C

Anlaßzeit	VFB	3.0	Q	101VcIn2
O	-1.01V	0.4	X	1011
0.33 Std.	-0.83V	0.3	X	1011
1.O Std.	-0.82V	1.3	X	1011
3.0 Std·	-0.89V	3.2	X	1011
16.0 6td·	-1.02V	X

250A SiO₂ - N^tTnosphäre-lO50⁰C

Anlaßzeit	Std.	VFB	2.5	Q	1011
O	Std.	-1.02V	0.3	X	ίο11
0.33	Std.	-0.83V	0.2	X	ίο11
1.0	Std.	-0.82V	1.0	X	1011
3.0	-0.92V	1.4	X	ίο11
16.0	-0.96V	X

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500A SiO	2	- N2Atraosphäre-1050<	1.8	'C	Qs	Qs	/q
Anlaßzeit		VFB	0.2	Qs	X	X	ίο11
0		-1.06V	0.2	X	X	X	ίο11
0.33 Std.		-0.83V	0.2	X	X	X	ίο11
1.0 Std.		-0.83V	0.9	X	X	X	ίο11
3.0 Std.		- 0. 8 3V	2.1	X	X	X	1011
16.0 Std.		-0.93V	X	- 1050		ίο11
72.0 Std.		-1.10V	X		0C
150Ä SiO	2	Atmosphäre	- 1050	2.5	/q
Anlaßzeit		VFB		0.2	lO11/^2
0		-1.01V	3.0	0.2	101VcIn2
0.33 Std.	/1S.	- ' -0.81V ~	0.2	0.2	101VcIn2
1.0 Std.	rv	-0.81V ~	0.2	0.2	101VcIn2
3. 0 Std.	^s.	-0.81V ~	0.2	ίο11/™2
16.0 iStd.		-0.81V ~	0.2	0C
250A SiO	2	~ Atmosphäre	/q
^Anlaßzeit		VFB	ίο11
0		-1.02V	1011
0.33 Std.		-0.81V	ίο11
1.0 Std.	rs	-0.81V	ίο11
3.0 Std.	rs	-0.81V	ίο11
16.0 Std.		-0.81V

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500 δ SiO„ ·- Argonatmof3phi;re-i050°C

Anlaßzeit	VFB	Qs/q 1 ,8 χ	1011
0 i	-1,06V	0,1 χ	1011
0,33 Std.	-O,82V	0,1 χ	1011
1,0 Std.	-O,32V	0,1 χ	1011
3,0 Std.	-0,82V	0,1 χ	1011
16,0 Std.	~0,82V

Die Ergebnisse sind in Fig. 3 graphisch dargestellt. Die Kurven 34, 36, 38 und 40 stellen dabei die änderung der Oberflächenladung einer Serie von thermisch aufgebrachten Oxidschichten dar, die in einer Stickstoffatmosphäre angelassen wurden. Wie man aus Kurve sieht, wurde dort die Oberflächenladung niemals beseitigt, obgleich eine ursprüngliche Abnahme der Oberflächenladung erzielt wurde. Die erzeugte Ladung nahm mit zunehmender Anlaßzeit nach Abnahme der ursprünglichen Ladung zu. In den Kurven 36, 38 und 40 mit wachsenden Oxidschichtdicken wurde die ursprünglich vorhandene Ladung zwar verringert jedoch wurde bei weiterem Anlassen erneut eine Ladung erzeugt. Die Bezugszeichen 42, 44 und 46 bezeichnen den Verlauf der Oberflächenladung einer Reihe von Oxidschichten, die in einer Ärgonatmosphäre angelassen wurden. Man erkennt, daß in allen Fällen die vorher vorhandene Ladung entfernt wurde und daß bei weiterem Anlassen im Gegensatz zum Anlassen in einer Stickstoffatmosphäre keine weiteren Ladungen erzeugt wurden. Das zeigt aber, daß bei Verwendung einer Argon- · atomosphäre zum Abbau einer ursprünglich vorhandenen Ladung die j Anlaßzeit nicht kritisch ist. ί

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Beispiel 3;

In diesem Beispiel wurde eine Anzahl von Oxidfilmen auf Siliziumplättchen mit einer gleichförmigen Dicke von 200 A* bei verschiedenen Temperaturen in einer Argonatmosphäre und in einer Stickstoffatmosphäre angelassen und die Ergebnisse wurden in Tabellen zusammengefaßt und als Kurven dargestellt. Eine Anzahl von Siliziumplättchen wurde, wie im Beispiel 1, ausgewählt, gereinigt, getrocknet und mit thermisch erzeugten Oxidschichten in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 925° bis zu einer Dicke von 200 A* versehen. Nach Abkühlen der Plättchen wurden drei verschiedene Gruppen von Plättchen für unterschiedlich lange i Dauer bei 875°C, bei 1OOO°C und bei 1050°C einer N2 Atmosphäre j ausgesetzt. Mit einer zweiten Gruppe von Plättchen wurde ein j ähnlicher Versuch durchgeführt, jedoch mit einer Argonatmosphäre. Nach dem Anlassen wurden die Plättchen mit einer Anzahl von Aluminiumpunkten metallisiert und für jedes Plättchen wurden Kapazitäts-Spannungsmessungen durchgeführt. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Durchschnittswerte der Oberflächenladung an der Trennfläche zwischen SiO₂ und Si der Plättchen für jede Anlaßzeit.

2OOÄ	SiO2 - N2 Atmosphäre	- 875~C	1O11/cm2
Anlaßzeit	wo	Q„/q	1011
O	£ B -1,12V	S 3,5 χ	1011
0,33 Std.	-0,96V	1,7 χ	1011
1,0 Std.	-0,88V	0,85 χ
3,0 Std.	-0,85V	0,6 χ

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2 00A SiO₂ - N_2Atmosphäre-1000°C

Anlaßzeit ^_FB Qg/q

-1.12V 3.5 χ 10¹¹,

-0.87V 0.8 χ loH

-0.85V 0.5 χ ίου

-0.86V 0.7 χ ίου

	O	Std.	O	Std.
O	.33	Std.	.33	Std.
1	.0	Std.	.0	Std.
3	.0	200A Si	.0
		Änlaßzeit
O
1
3

^VFB

•1.12V
■0.88V
•0.86V
■0.86V

200A SiO₂ - Atmosphäre" " ⁸⁷⁵°^c

	Qs	/q	11
3.5	X	10	11
0.9	X	10	11
0.6	X	10
0.7	X	10

Atmosphäre

Anlaßzeit	2(	Std.	Std.	VFB	3.5	Q S	Qs	/q
O		Std.	Std.	-1.12V	2.1	X	X	lüH/cm2
0.33	3crA SiO -	Std,	-1.00V	0.7	X	X	ίο11
1.0	Anlaßzeit	-0.86V	X	X	ίο11
O	Atmosphäre	- 1000	X	0C
0.33	VFB		/q
1.0	-1.12V	3.5	10n/on2
3.0	-0.85V	0.5	I0H
	-0.84V	0.4	1011
-0.82V	0.2	ίο11

974 oio 609820/0666

200A* SiO₀ - Argon-Atmosphäre -- 1050°C

AnIa	ßZ€	sit	^FB
	0		-1,12V
	33		-0,82V
ο,	0	Std.	-0,82V
1,	0	Std.	-0,82V
3,	Std.

Man erkennt aus den Kurven 50 und 52, daß beim Anlassen in Argon bei Temperaturen von 1050° und 1OOO°C die feste Oberflächenlajdung in der 200 8 dicken Oxidschicht bis auf einen geringen JRest abgebaut wird. Vergleichsweise sei auf die Kurven 56 und 58 für einen in einer Stickstoffatmosphäre bei 1050° und 1OOO°C angelassenen Oxidfilm hingewiesen, bei denen die Erzeugung einer [Ladung nach der vollständigen Entfernung der ursprünglich vorhandenen Aufladung zu erkennen ist. Bei Anlaßtemperaturen von 875 C in Stickstoff (Kurven 60) und Argon (Kurve 54) wird eine unvoll- !ständige Reduzierung der ursprünglich vorhandenen Oxidladung erzielt, ohne daß das Auftreten einer neu erzeugten Ladung beobachi
tet wird. In diesem Beispiel wurde der Anlaßvorgang bis zu 3

Stunden durchgeführt.

Beispiel IV:

Bei diesem Beispiel wurde im Anschluß an einen Anlaßvorgang in Stickstoff durch einen Vergleich zwischen in einer Stickstoffatmosphäre angelassenen SiO^-Filmen und einem nicht angelassenen Film das Auftreten einer chemischen Veränderung im Trennflächenbereich festgestellt. Diese Feststellung wurde in der

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3,5 χ 1O¹¹/cm² 0,2 χ 10¹¹

0,2 χ 10¹¹

0,2 χ 10 j

Weise vorgenommen, daß die Widerstandsfähigkeit der jeweiligen Filme gegen eine Reoxidation, untereinander verglichen wurde. Eine [Anzahl von Siliziuiaplättchen wurde ausgewählt und, wie im Beispiel 1 beschrieben, gereinigt. Auf der Oberfläche der Plättchen wurde thermisch eine 150 A starke SiO^-Schicht aufgevrachsen. Eine Gruppe von Plättchen wurde nicht angelassen, während 5 Gruppen von Plättchen in einer Stickstoffatraosphäre für unterschiedlich lange Dauer bei 1050 C angelassen wurden. Die Dicken der ursprünglich aufgebrachten Filme wurden sorgfältig gemessen und (alle Plättchen mit Ausnahme des Kontrollplättchens wurden für !3 Minuten bei 1050 C in eine O₀ Atmosphäre eingebracht. Nach Ab-Kühlen der Plättchen wurde die Gesamtstärke jedes Filmes sorgfältig gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Widerstand gegen Reoxidation als Funktion eines Langzeitanlaßvor- i gangs I

Probe Ursprüngl. O₀ 3 Min.O₉ Endg. Oxid- !

Stärke_ _ 1_050°_C._ schichtdicke \

0 Std.~N₂ Anla.-1050°C 150 S

0,33 " " " " ja

1,0 " " " " ja

3,0 " " " " ja

i16,0 " " " " ja

72,0 " " " " ja 155

!•lan sieht, daß die für 20 Minuten angelassene Probe zunächst eine i Oxidschichtdicke von 150 R aufwies und nach der zweiten Oxidation . _; betrog die Schichtdicke insgesamt 210 S. Im Gegensatz dazu sieht i

150	ä
210	S
210	S
210	S
155	O=Ii

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man, daß die bei 72 Stunden angelassene Probe, die ursprünglich eine Dicke von 150 δ hatte, am Ende des Anlaßvorgangs eine Dicke von nur 155 Ä aufwies. Dies zeigt, daß die Oxidschichtdicke von 150 Ä etwa in der Weise beeinflußt wurde, daß durch den Langzeitanlaßvorgang eine Sperrschicht gegen die Oxidation gebildet wurde.

Vier Gruppen von Plättchen wurden zur Bildung einer Oxidschicht mit einer Dicke von 120 8 oxidiert. Nach Messen der Dicke der Oxidschicht, wurde jede Gruppe bei 1050°C angelassen. Die Anlaßatmosphäre war entweder Stickstoff oder Argon und die Anlaßzeit betrug etweder 20 Minuten oder 16 Stunden. Nach dem Anlaßvorgang wurde jede Gruppe für 2 Minuten einer lauerstoffatmoshäre bei 1050 C ausgesetzt. Die Dicken jedes Oxidfilmes wurden erneut gemessen. Die nachfolgende Tabelle gibt die Ergebnisse wieder:

Reoxidation

Probe

10,33 Std.-N₀ AnIa.-1050 C 120 A 16,0 Std. " iO,33 Std. AnIa.-1050 C 16,0 Std. "

Ursprüngl. Oxidschicht dicke	2 Min. dation 10500C	Oxi- bei	Endg. Dicke der Oxid schicht
O 120 A	ja		170 8
Il	ja		123 8
120 8	ja		170 8

ja

170

an sieht, daß die entgültige Dicke der Oxidschicht, d. h. eine Zunahme um ungefähr 50 A, gleich groß war für ein Anlassen für 20 Min. in einer Stickstoffatmosphäre und für ein Anlassen in ieiner Argonatmosphäre für 20 Min. und für 16 Stunden. Die endigültige Oxidschichtdicke war jedoch nach einem Anlassen für 16 Std.

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in N„ und nachfolgender Reoxidation praktisch unverändert. Das zeigt, daß ein langes Anlassen in N~ eine Sperrschicht gegen die Oxidation bildet, während ein langes Anlassen in Argon diese Wirkung nicht zeigt.

Beispiel V;

In diesem Beispiel wird der Einfluß eines Anlaßvorgangs in Stickstoff auf eine dünne dielektrische Schicht in bezug auf die Ätzgeschwindigkeit des Oxides untersucht. Eine Anzahl von Plättchen wurde wie im Beispiel 1 ausgewählt und gereinigt. Anschließend wurde auf den Plättchen eine 100 8 starke Oxidschicht gebildet und deren Dicke sorgefältig gemessen. Eine erste Gruppe von Plättchen wurde nicht angelassen und diente als Kontrollplättchen. Eine zweite Gruppe von Plättchen wurde für eine Dauer von 336 Stunden bei einer Temperatur von 1000 C in einer Stickstoffatmosphäre angelassen. Eine dritte Gruppe von Plättchen wurde bei einer Temperatur von 1000°C für 336 Stunden in einer Argonatmosphäre angelassen. Nach jedem Anlaßvorgang wurde jedes der Plättchen in ein P-Ätzmittel für eine bestimmte Zeit eingetaucht, anschließend herausgenommen. Dann wurde die Dicke sorgfältig gemessen. Dieses Verfahren wurde so lange wiederholt, bis die gesamte Stärke der Oxidschicht entfernt war. Da die Unterschiede in den Stärken und in der Ätzzeit bekannt waren, wurde damit auch die Ätzgeschwindigkeit für verschiedene Punkte quer zur Oxidschicht ermittelt. Die Ergebnisse wurden miteinander verglichen, um zu bestimmen, ob die Ätzgeschwindigkeit über die gesamte Dicke jede der Schichten gleichbleibend war oder nicht. In dem Kontrollplättchen, in dem die Oxidschicht nicht angelassen worden war, betrug die Ätzgeschwindigkeit konstant 2,7 Ä/sec. In der zweiten Gruppe mit Oxidschichten, die in Stickstoff angelassen waren, war die anfängliche Ätzgeschwindigkeit auf der oben liegenden Oberfläche des Filmes angenähert 2,5 8/sec, während die zum Schluß in der Nähe der Trennfläche erreichte Ätz-

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geschwindigkeit bei 0,24 8/sec lag. Über etwa 3/4 der Dicke des Filmes blieb die Ätzgeschwindigkeit relativ konstant, nahm aber dann bei Annäherung an die Trennfläche ganz merklich ab. Dies zeigt, daß ein Anlassen in einer Stickstoffatmosphäre den Oxidfilm in der Nachbarschaft der Trennfläche dadurch verändert, daß die Natur des Films verändert wird. In einer dritten Gruppe, bestehend aus in einer Argonatmosphäre angelassenen Oxidfilmen blieb diese Ätzgeschwindigkeit in dem Film relativ konstant bei 2,7 Ä/sec, genau wie in dem Kontrollplättchen. Die Ätzgeschwindigkeit blieb über die gesamte Dicke des Filmes konstant.

Beispiel VI:

In diesem Beispiel wurden die Oberflächenladungszustände von in einer Heliumatmosphäre bei 1000 C angelassenen Oxidfilmen untersucht. Zwei Gruppen von Plättchen wurden, wie in Beispiel I, ausgewählt und gereinigt. Auf der ersten Gruppe von Plättchen wurde SiO₂ bis zu einer Dicke von 230 8 aufgewachsen. Auf der zweiten Gruppe betrug die Dicke des Oxidfilms 400 A. Jede Gruppe von Plättchen wurde in einer Heliumatomosphäre bei 100O⁰C unterj schiedlich lange angelassen und die Oberflächenladungszustände I wurden gemessen und in einer Tabelle zusammengefaßt. Die Ergebinisse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Wie die Erigebnisse zeigen, wurde die Oxidladung in dem Film durch Anlassen in einer Heliumatmosphäre reduziert und es gab keine merkliche Erzeugung von Ladungen nach weiterem Anlassen. Die beim Anlassen in einer Heliumatmosphäre erzielbaren Ergebnisse sind mit den beim Anlassen in einer Argonatmosphäre erzielbaren Ergebnissen gut vergleichbar.

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230A SiO₂ -Atmosphäre - 1000⁰C

Änlaßzeit	.5	0	Std.	VFB	3.2	Qs	/q
	.0	Std.	-1.12V		X	ίο11
O	.0	'Std.	- 0.8 OV	.1	<	ίο10
2	.0	Std.	-0.81V	. 3	X	ίο11
5	-0.83V	. 3	X	ίο11
11	-0.83V	X	1011

400A SiO - Atmosphäre - 1000⁰G

_ Anlaßzeit	0	Std.	VFB	2.4	Q S	/q
	Std.	-1.24V	0.3	X	ίο11
0.5	Std.	-0.85V	0.1	X	ίο11
2.0	Std.	-0.81V	0.3	X	lo11
5.0	-0.86V	0.3	X	1011
11.0	-0.85V	X	ίο11

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Claims (1)

1. - 23 -

   PATENTANSPRÜC _H_E

   Verfahren zum Herstellen und stabilisieren der die Gatezone bedeckenden, dielektrischen Schicht für MOS-Bauelemente zum Verringern der in der dielektrischen Schicht vorhandenen Aufladung ohne Beschädigung der Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst durch thermische Oxidation eines monokristallinen, aus Silizium bestehenden Substrats eine Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von weniger als 5OO A* gebildet wird, und daß dieses Substrat in einer Atmosphäre eines aus einer aus He, Ne, Ar, Kr und Xe bestehenden Gruppe ausgewählten Gases bei einer Temperatur von mindestens 900°C für mindestens 10 Minuten angelassen wird.

   Verfahren nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, daß eine dielektrische Schicht mit einer Dicke zwischen 3OO 8 verwendet wird.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen in einem Temperaturbereich zwischen 900 und 11OO°C durchgeführt wird.

   Verfahren nach Anspruch 1, daß der Anlaßvorgang über eine Dauer zwischen 0,15 und 100 Stunden durchgeführt wird.

   Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaßvorgang in einer Zeitspanne zwischen 0,25 und 24 Stunden, mit einer Temperatur zwischen 950 und 1050 C durchgeführt wird.

   ΓΧ "974 XiTO

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   16. Verfahren nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Anlaßatmosphäre Argon verwendet wird.

   7. Verfahren nach Anspruch 1, daß die Anlaßzeit in einer Argonatmosphäre zwischen 1 und 4 Stunden beträgt.

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