DE1273956B

DE1273956B - Verfahren zur Verbesserung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleitergrundkoerpern

Info

Publication number: DE1273956B
Application number: DEK53633A
Authority: DE
Inventors: Takashi Tokuyama; Keijiro Uehara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1963-08-01
Filing date: 1964-07-31
Publication date: 1968-07-25
Also published as: NL131157C; NL6408707A; US3447237A; GB1079046A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES /mrWt PATENTAMT Int. α.:

C23f

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 48 dl-7/02

Nummer: 1273 956

Aktenzeichen: P 12 73 956,9-45, (K 53633)

Anmeldetag: 31. Juli 1964

Auslegetag: 25. Juli 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleitergrundkörpern.

Derartige Deckschichten dienen zum Schutz des Halbleitergrundkörpers gegen atmosphärische Einflüsse, insbesondere gegen Feuchtigkeitseinflüsse.

Das bisher allgemein benutzte Verfahren zum Oberflächenschutz von Siliziumhalbleitergrundkörpern besteht in einer Oxydation der Oberflächen von Siliziumhalbleiterkörpern in Sauerstoff oder Dampf bei einer Temperatur von 1000° C oder höher zwecks Bildung einer Siliziumoxiddeckschicht. Dieses Verfahren findet z.B. bei Herstellung von Planartransistoren Anwendung. Dabei wird mittels eines Ätzverfahrens od. dgl. in einem Teil der nach dem genannten Verfahren auf der gesamten Oberfläche des Siliziumkörpers erzeugten Oxidschicht eine Öffnung hergestellt, durch welche eine aktive Verunreinigung aus ihrer Dampfphase in den Halbleitergrundkörper hineindiffundieren kann.

Nach einer neuerlichen Veröffentlichung kann die Oxydation einer Siliziumhalbleiteroberfläche durch Ausführung in einer Bleimonoxidatmosphäre beschleunigt werden. Die Reaktionstemperatur wird herabgesetzt, und außerdem ist die entstehede Oxidschicht feuchtigkeitsbeständig.

Eine Oxydation bei hoher Temperatur bewirkt infolge der hohen Behandlungstemperatur eine Diffusion innerer Störstellen im Innern des Halbleiterkörpers, wo zuvor eine pn-Übergangsschicht gebildet worden ist. Diese Störstellendiffusion führt zu einer Auflösung der Gliederung der pn-Schicht und zu einer Verschlechterung der elektrischen Kennlinien der Anordnung. Deshalb ist die Anwendung dieses Verfahrens unzweckmäßig. Zudem werden die Kenndaten der Halbleiteroberfläche unterhalb der nach einem Hochtemperaturoxydationsverfahren erzeugten Siliziumoxidschicht in hohem Grad in solche des n-Typ-Verhaltens umgewandelt. Infolgedessen nimmt die Durchbruchspannung in Sperrichtung der Halbleiteranordnung ab, und der Leckstrom steigt an.

Wenn auch das Bleimonoxid verwendende Verfahren die genannten Nachteile weitgehend ausschaltet, ist die Herstellung einer Bleimonoxidatmosphäre innerhalb des Behandlungsofens und die Regelung des Dampfdruckes schwierig.

Versuche haben ergeben, daß ein Verfahren bei vergleichsweise niedriger Temperatur durchgeführt werden kann, wonach zur Bildung einer auf der Oberfläche des Siliziumgrundkörpers haftenden SiIiziumoxidschicht organisches Siloxan pyrolitisch niedergeschlagen wird, so daß die Halbleiteroberfläche Verfahren zur Verbesserung einer
Siliziumdioxiddeckschicht auf
Halbleitergrundkörpern

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokio

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
8000 München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:
Takashi Tokuyama,
Keijiro Uehara, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 1. August 1963 (40 209)

unterhalb der Schicht nur in geringem Maß in n-Typ-Material umgewandelt wird. Dieses Verfahren ist dem vorerwähnten thermischen Oxydationsverfahren überlegen. Die Feuchtigkeitsbeständigkeit kann nicht in allen Fällen als ausreichend für eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit der Halbleiteranordnung angesehen werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung eines derartigen Verfahrens, daß eine vergleichsweise niedrige Temperatur anwendbar ist und daß man eine stabile Deckschicht erhält.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß Blei oder Bleimonoxid die Oxydation von Silizium sehr stark beschleunigt und daß Siliziumdioxid mit Blei oder mit Bleimonoxid bei sehr niedrigen Temperaturen reagiert. Die physikalischen Grundlagen dieser beiden Erscheinungen sind nicht vollständig klar, aber zur Deutung der zuerst genannten Reaktion kann man annehmen, daß Siliziumatome durch Bleiatome substituiert und nach Herauslösung aus dem Kristallgitter von der Außenatmosphäre oxydiert werden. Zur Deutung der letzteren Erscheinung kann man annehmen, daß vermutlich eine feste Lösung zwischen Siliziumdioxid und Bleimonoxid bei ziemlich niedriger Temperatur gebildet wird.

Die Erfindung liegt darin, daß auf der Deckschicht eine Bleischicht abgeschieden und beide in einer oxydierenden Atmosphäre bei 500 bis 700° C geglüht werden.

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In jedem Fall liegt die Behandlungstemperatur zwischen 500 und 700° C. Wenn auch die Reaktion schon bei Temperaturen um 500° C abläuft, so führt eine höhere Umgebungstemperatur zu einem gleichförmigeren Endzustand der Oxidschicht. Die Obergrenze der Temperatur ist so festzulegen, daß die obengenannte Diffusion im Innern des Halbleiterkörpers, die sogenannte Rückdiffusion, nicht auftritt.

Die Behandlungstemperatur ist im Vergleich zu einer Behandlungstemperatur von 1000° C oder mehr bei bekannten Verfahren wesentlich herabgesetzt. Gegenüber einem Silan-Niederschlagsverfahren, das bei vergleichsweise niedriger Temperatur durchgeführt werden kann, erreichen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Oxidschichten eine größere Dicke. Der Bleigehalt der Oxidschicht macht sich in einer Verbesserung der mechanischen Festigkeit bemerkbar. Auch eine dicke Schicht ist nicht spröde. Darum ist die Feuchtigkeits-Außerdem ist die zwischen dem Grundkörper und der Grundschicht durch die von dem vorhandenen Blei bewirkte Oxydation der Grundkörperoberfläche unterhalb der Siliziumdioxidschicht gebildete Grenzschicht nunmehr von der Grenzfläche zwischen der Siliziumdioxidscbjcht und der ursprünglichen Oberfläche des Grundkörpers verschieden und besteht aus einer neuen Fläche von Siliziumatomen. Deshalb sind in der neuen Grenzfläche keine weiteren Gitterfehlstellen vorhanden, wie sie vorher vorhanden waren, und eine Fläche neuer und frischer Atome erscheint wie bei einer chemischen Ätzung, wobei gleichzeitig auf dieser Oberfläche eine Oxidschicht gebildet wird. Infolgedessen ergibt sich in derartigen Fällen, wo nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine auf der Oberfläche einer pn-Übergangsschicht festhaftende Schicht erzeugt wird, der weitere Vorteil, daß in der Nähe der Ubergangsschicht keine Kriechkanäle ge-

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Behandlung eines Mesa-Halbleiterkörpers zur Herstellung einer Diode dar. Der-

bildet werden und daß sich die Kennlinie ebenso wie

beständigkeit der Deckschicht gut. Infolgedessen er- ao die Durchbruchsspannung vor und nach der Behandgibt sich auch eine hohe Alterungsbeständigkeit und lung im wesentlichen nicht unterscheiden, damit eine große Lebensdauer. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt nur eine sehr geringe
Beeinflussung der Kennlinien der Halbleiterkörper.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungs- 25 selbe wird zunächst in einer Atmosphäre aus einer formen erläutert. Mischung von Tetrasiloxanäther und Stickstoff auf

Ein Grundkörper in Form eines scheibenförmigen 700° C erhitzt. Nach einer Erhitzungsdauer von etwa n-Typ-Siliziumhalbleiterplättchens mit einem spezi- 30 Minuten ist eine Siliziumdioxidschicht in einer fischen Widerstand von etwa 100 Ω cm, einem
Durchmesser von 25 mm, einer Dicke von 0,1 mm 30
und einer mittels einer chemischen Ätzung geglät

teten Oberfläche wird für die Dauer von 30 Minuten in einem Heizofen mit einer Atmosphäre von Tetrasiloxanätherdampf und Stickstoff auf eine Temperatur von 700° C erhitzt. Dadurch wird eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 μ auf der Oberfläche des Siliziumplättchens gebildet. Sodann wird dieses Plättchen mit der darauf erzeugten Oxidschicht in eine bekannte Vakuumdampfapparatur

Dicke von 1 μ abgeschieden. Sodann wird durch Verdampfung eine Bleischicht in einer Dicke von etwa 0,05 bis 0,1 μ im Vakuum von etwa 10~³mmHg erzeugt. Der erhaltene Körper wird in einer Sauerstoffatmosphäre für eine Dauer von 30 Minuten auf etwa 700° C erhitzt, wodurch die Bleischicht und die Siliziumdioxidschicht miteinander reagieren und außerdem eine Oxydation des Halbleitergrundkörpers unterhalb der Siliziumoxidschicht erfolgt.

Messungen an einigen zehn nach diesem Verfahren hergestellten Dioden ergaben einen mittleren

gebracht, welche auf einen Druck von etwa 40 Wert der Durchbruchspannung von etwa 700 V. Be-10~³ mm Hg evakuiert wird. Durch Aufdampfen kannte Dioden, bei denen eine Siliziumdioxydschicht

wird Blei in einer Dicke von etwa 0,05 bis 0,1 μ auf der Siliziumdioxidschicht des Siliziumplättchens abgeschieden, so daß eine Bleischicht entsteht. Hierauf wird das Plättchen wieder in den Heizofen eingebracht und für die Dauer von 10 Minuten innerhalb einer Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 700° C erhitzt. Dadurch entsteht eine durch die Reaktion des abgeschiedenen Bleis mit der zuvor gedurch Erhitzung in Tetrasiloxanäther erzeugt haben Durchbruchsspannungen in der Größe von 400 V. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt somit eine wesentliche Verbesserung der Durchbruchsspannung.

In einer weiteren Untersuchung wurde eine Lebensdauerprüfung in Luft von 75° C und 9O°/o relativer Feuchtigkeit an nach dem erfindungs-

bildeten Siliziumdioxidschicht neugebildete Schicht. 50 gemäßen Verfahren behandelten Dioden durchge

führt, wobei die erhaltenen Ergebnisse denjenigen Ergebnissen weit überlegen waren, welche mit ähnlichen Dioden, die nur unbehandelte Siliziumdioxidschichten aufweisen, erzielt werden. Im einzelnen

Die Grenzschicht zwischen der Siliziumdioxidschicht und der Bleischicht verläuft gleichmäßig, so
daß infolgedessen die Siliziumdioxidunterschicht
unterhalb des abgeschiedenen Bleis an Dicke zunimmt. Dort ergibt sich durch die Wirkung der Blei- 55 ergab sich der Mittelwert der Durchbruchsspannung atome eine Beschleunigung der Oxydation. nach 1000 Betriebsstunden in der Lebensdauerunter-

Da die Schicht Blei enthält, sind ihre mechanische suchung im wesentlichen gleich dem Wert vor Beginn Festigkeit und ihre Feuchtigkeitsbeständigkeit im der Untersuchung. Das erfindungsgemäße Verfahren Vergleich zu einer nur Siliziumdioxid enthaltenden bringt somit eine Verbesserung der Feuchtigkeits-Schicht weitgehend verbessert. Bei einer bekannten 60 beständigkeit der Siliziumdioxiddeckschicht. Kombination einer Siliziumdioxidschicht von bei- Nach einer Abwandlung der Erfindung läßt man

spielsweise 3 μ oder mehr Dicke mit einem Silizumgrundkörper kommt es infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Bereiche zu zahlreichen Rissen. Im Gegensatz hierzu werden bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Halbleitergrundkörper derartige Risse niemals beobachtet.

nach der Bleiabscheidung gleichzeitig Sauerstoff und einen organischen Siloxandampf, wie beispielsweise Tetrasiloxanäther, einströmen, wodurch man Siliziumdioxid von außen zuführt und eine recht dicke Oxidschicht erhält. Die Bleischicht kann in anderer Weise auch galvanisch niedergeschlagen werden. Die Bildung der anfänglichen Siliziumdioxidschicht ist

nicht nur durch pyrolytischen Niederschlag von Silan wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, sondern auch andere Verfahren, wie solche unter Benutzung einer oxydierenden Hochtemperaturatmosphäre, eines Hochdruckdampfstrahles und der Elektrolyse, führen zu demselben Ergebnis einer Verbesserung der Eigenschaften der Oxidschicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleitergrundkörpern,

dadurch gekennzeichnet, daß auf der Deckschicht eine Bleischicht abgeschieden und beide in einer oxydierenden Atmosphäre bei 500 bis 700° C geglüht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ein organisches Siloxan und Sauerstoff enthaltende oxydierende Atmosphäre.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Glühdauer von 10 Minuten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1260 827.