DE1294138B - Verfahren zur Verbesserung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleitergrundkoerpern - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleitergrundkoerpern

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DE1294138B
DE1294138B DEU55468A DEU0055468A DE1294138B DE 1294138 B DE1294138 B DE 1294138B DE U55468 A DEU55468 A DE U55468A DE U0055468 A DEU0055468 A DE U0055468A DE 1294138 B DE1294138 B DE 1294138B
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Uehara Keijiro
Nariai Noriyuki
Okutsu Shinkichi
Tokuyama Takashi
Takagi Takeshi
Adachi Yuko
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Hitachi Ltd
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Description

1 2
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesse- Die Obergrenze der Glühtemperatur in der zweiten
rung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleiter- . Verfahrensstufe muß selbstverständlich unterhalb des
grundkörpern, wonach auf der Deckschicht eine Blei- Wertes liegen, bei dem eine Rückdiffusion innerhalb
schicht abgeschieden und beide in einer oxydierenden des Halbleitergrundkörpers eintreten kann, da sonst
Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 500 und 5 dessen Gefüge gestört wird.
700° C, also einem Wert unterhalb der Rück- Infolge der Bildung einer homogenen Bleioxid-
diffusionstemperatur, geglüht werden, nach der schicht in der ersten Glühstufe erhält man eine
deutschen Patentanmeldung K 53633 VIb/48 dl homogene Glasschicht aus Bleioxid und Silizium-
(deutsche Auslegeschrift 1273 956). dioxid, die eine hohe Festigkeit aufweist und damit
Dieses Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung io dem Halbleiterkörper einen wirksamen Schutz gegen
ergibt Siliziumdioxiddeckschichten mit großer mecha- Einflüsse durch Feuchtigkeit oder Verunreinigungen
nischer Festigkeit, die frei von Rißbildungen sind. verleiht. Innerhalb der Glasschicht bleibt kein Blei
Dadurch ergibt sich eine hohe Feuchtigkeits- und zurück, das nicht umgewandelt ist. Die Glasschicht
Alterungsbeständigkeit. Diese Eigenschaften beruhen kann vergleichsweise dünn sein, 10 000 A oder
im wesentlichen auf einer Glasbildung innerhalb der 15 weniger, so daß der Einfluß mechanischer Spannun-
Deckschicht. gen zwischen der Schicht und dem Halbleitergrand-
Es hat sich gezeigt, daß die Umwandlung von Blei körper gering ist. Dadurch ergibt sich eine Verringe-
in Bleioxid bei der Erhitzung während der Glüh- rung des Oberflächenverluststromes und eine Ver-
behandlung dann nicht gleichmäßig verläuft, wenn minderung des Rausches sowie eine Zunahme der
die Menge des niedergeschlagenen Bleis im Verhältnis ao Spannungsbeständigkeit. Der Stromverstärkungsfaktor
zur Menge des Siliziumdioxids groß ist. Sobald bei wird verbessert.
der Erhitzung die Temperatur in die Nähe des Die Erfindung wird nunmehr an Hand bevorzugter Schmelzpunktes von Blei (327,4° C) kommt oder Ausführungsbeispiele beschrieben,
denselben übersteigt, tritt eine Koagulation auf, wo- Das zunächst beschriebene Ausführungsbeispiel durch einerseits die katalytische Oxydationswirkung 25 entspricht einer Siliziumdioxidschicht verschwindendes Bleis herabgesetzt wird und andererseits die der Dicke. Auf der Oberfläche eines Silizium-Deckschicht eine ungleichmäßige Struktur erhält. halbleitergrundkörpers wird Blei in einer Dicke von
Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist eine 300 A niedergeschlagen, und das sich ergebende
Verbesserung der Homogenität der genannten Deck- Element wird in einen Heizofen eingestellt, welcher
schicht durch Ausschaltung dieser Koagulation. 30 eine oxydierende Atmosphäre mit einer Temperatur
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, von etwa 350° C enthält. Dann wird der Ofen nach
daß die Erhitzung zum Glühen in Stufen erfolgt und der in der Figur gezeigten Temperaturkurve zunächst
daß die Temperatur auf einem Wert zwischen 30 Minuten lang auf 350° C gehalten (diese Ver-
300 und 400° C gehalten wird. fahrensstufe wird im folgenden als erste thermische
Die Temperatur der Anhaltestufe muß in der Nähe 35 Oxydationsstufe bezeichnet), um die 300 A dicke
des Schmelzpunktes von Blei liegen. Da die Erhitzung Bleischicht vollständig in Bleimonoxid umzuwan-
in einer oxydierenden Atmosphäre erfolgt, wird in dein.
dieser Anhaltestufe die Bleischicht vollständig in Blei- Sodann wird die Temperatur des Heizofens auf
oxid umgewandelt. Diese Schicht ist gleichmäßig und 600° C gesteigert, um 30 Minuten lang eine Beheizung
homogen, so daß auch die nachfolgende Oxydation 40 auf dieser Temperatur durchzuführen (diese Ver-
der Siliziumdioxidschicht sowie die Glasbildung eine fahrensstufe ist im folgenden als zweite thermische
homogene Deckschicht liefert. Es zeigt sich, daß Oxydationsstufe bezeichnet).
dieses Verfahren auch bei sehr dünnen Silizium- Nach der oben beschriebenen zweistufigen Wärmedioxidschichten anwendbar ist, deren Dicke im Grenz- behandlung wird auf der Oberfläche des Siliziumfall den Wert 0 haben kann. 45 halbleiter eine glasartige Schicht aus einer festen
Durch Einstellung der Dicke der niedergeschla- Lösung von SiO2 und PbO mit einer Dicke von
genen Bleischicht im Vergleich zu der Dicke der 2200 A gebildet. Auf Grund von Analysenergebnissen
Siliziumdioxidschicht kann man erreichen, daß nur hat es sich gezeigt, daß diese Schicht sehr gleichmäßig
ein Teil der Siliziumdioxidschicht mit der Bleioxid- ist und zudem eine gleichförmige Zusammensetzung
schicht unter Glasbildung reagiert. 50 aufweist. Mikrofotografische Untersuchungen zeigen,
Nach einer weiteren Abwandlung des erfindungs- daß die Homogenität dieser Schicht gleichförmiger ist
gemäßen Verfahrens kann man die Bleischicht so als bei Herstellung einer entsprechenden Glasschicht
dick wählen, daß die Siliziumdioxidschicht vollständig ohne vollständige Oxydation des Bleis zu Bleioxid,
verglast wird oder daß sogar ein unter der Silizium- Bei diesem herkömmlichen Verfahren ist die Zeit
dioxidschicht gelegener Schichtbereich des Halbleiter- 55 für die chemische Umwandlung von Blei in Bleioxid
grundkörpers oxydiert und verglast wird. kurz. Die chemische Reaktion zur Umwandlung von
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei Halb- Blei in Bleimonoxid setzt bei einer Temperatur von leitern aus Silizium, Germanium oder einer intermetal- etwa 300° C oder mehr ein. Andererseits beträgt der lischen Verbindung anwendbar. Im letzeren Fall muß Schmelzpunkt von Blei 327,3° C, worauf bereits hinselbstverständlich auf den Germaniumkörper oder 60 gewiesen wurde. Sobald Blei über seinen Schmelzden Körper aus einer intermetallischen Verbindung punkt hinaus erhitzt wird und sich in eine Bleierne Siliziumdioxidschicht aufgebracht werden. schmelze umwandelt, wird der Gleichgewichtszustand
Wenn bei einer großen Dicke der Bleischicht eine zwischen der Adhäsionskraft des geschmolzenen Bleis
Oxydation der unter der Siliziumdioxidschicht ge- gegenüber dem Siliziumhalbleiter und der Ober-
legenen Oberflächenschicht des Grundkörpers erfolgt, 65 flächenspannung der Bleischmelze in der Nähe von
wie bereits beschrieben ist, entspricht dieses Ergebnis 400° C durchbrochen, die Oberflächenspannung wird
in der Wirkung einer Anätzung des Grundkörpers, größer. Folglich liegt die Zeitspanne, während der
da die neue Grenzschicht frei von Fremdatomen ist. sich das Blei in seinem Schichtzustand befindet, d. h.
dem Zustand, wo keine Koagulation des Bleis erfolgt, nur in der Größe von etwa 6 Minuten, welche während des Temperaturanstiegs zwischen 300 und 400° C verfließen. Sobald also die Temperatur über 400° C ansteigt, koaguliert das geschmolzene Blei, das sich nicht in Bleimonoxid umgewandelt hat. Wenn die Wärmebehandlung dann unter diesen Bedingungen fortgesetzt wird, wird das koagulierte Blei in dieser Form nur unvollständig in Bleimonoxid umgewandelt.
Die gebildete Glasschicht ist dann außerordentlich uneben und besitzt keine gleichförmige Zusammensetzung.
Die Dicke der glasartigen Bleischicht kann durch Änderung der Behandlungstemperatur für die zweite thermische Oxydationsstufe oder die Menge des auf der Siliziumhalbleitergrundkörperoberfläche niedergeschlagenen Bleis nach Belieben gesteuert werden. Beispiele für diese Steuerung sind in der folgenden Tabelle angegeben.
Dicke des Blei in Dicke in Ä der in der zweiten einer Temperatur von 700° C
niederschlages A thermischen Oxydationsstufe gebildeten 600° C 2 600
300 Glasschicht bei 2 200 4 400
700 500° c ; 3 100 5 000
000 1900 3 800 6 800
300 2 400 ι 4 300
1 2 600
1 3 300 '.
30
Die zweite thermische Oxydationsstufe dauerte in jedem Fall 30 Minuten.
Während dieses Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einem Halbleitergrundkörper aus Silizium beschrieben ist, kann diese Verfahrensweise auch im Fall von Germanium zur Anwendung kommen.
Zuerst wird ein Germaniumgrundkörper mit sauberer Oberfläche vorbereitet. Auf dieser Oberfläche wird nach einem Verfahren wie beispielsweise der erwähnten pyrolytischen Zersetzung von organischen Oxysilan eine SiO2-Schicht niedergeschlagen. Es hat sich gezeigt, daß man mit einer SiO2Schichtdicke von etwa 4000 bis 6000 Ä gute Ergebnisse erzielen kann. Sodann wird auf dieser SiOo-Schicht Blei in dünner Schicht niedergeschlagen. In einem vorliegenden Beispiel wurde die Behandlung so gesteuert, daß eine 6000 A dicke SiO2-Schicht und eine 300 A dicke Bleischicht erzeugt wurden. Darauf wurde entsprechend dem Temperaturverlauf nach der Figur wie in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine erste und eine zweite Oxydationsstufe durchgeführt.
Die so hergestellte glasartige Schicht hat sich als eine glasartige Schicht erwiesen, in der nur der Oberflächenbereich Blei enthielt, unter der die SiO2-Schicht in ihrer ursprünglichen Form verblieb. Die Schichtdicke betrug näherungsweise 7000 A.
Dieses Verfahren zur Bleiniederschlagsbildung durch Verdampfung mittels einer Oxidschicht auf einer Halbleiteroberfläche ist nicht nur bei einem Germaniumgrundkörper, sondern auch bei einem Siliziumgrundkörper oder andersartigen Halbleitern, wie intermetallischen Verbindungshalbleitern, anwendbar. Da auch der Grundkörper nicht in eine Oxidverbindung umgewandelt wird, werden Übergangsschichten zwischen dem Halbleiter und der Schutzschicht nicht verändert. Schließlich kann durch geeignete Temperaturwahl bei der SiO2-Schichtniederschlagsbildung eine Rediffusion der zuvor eingeführten Fremdatome während der Bildung der Schutzschicht vermieden werden. Unter diesem Gesichtspunkt sollte die Temperatur im Fall von Germanium nicht über 700° C gesteigert werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Menge des zuerst niedergeschlagenen SiO2 vermindert und die Menge des niedergeschlagenen Bleis vergrößert. Beispielsweise wird SiO2 in einer Schichtdicke von 300 A und Blei durch Verdampfung in einer Schichtdicke von 1000 A niedergeschlagen, und nach Oxydation des Bleis in PbO wird das Element nach dem oben beschriebenen Verfahren in einer oxydierenden Atmosphäre wärmebehandelt. Im Ergebnis reagiert das zuerst niedergeschlagene SiO., zwecks Bildung einer glasartigen Bleisubstanz vollständig mit dem PbO. Überdies wird die Halbleiteroberfläche durch das PbO zu einer beschleunigten Oxydation veranlaßt, und das Oxid des so behandelten Halbleiters reagiert mit dem PbO im Sinne der Bildung einer glasartigen Bleisubstanz, wodurch eine glasartige Schutzschicht geschaffen wird.
Da man nach diesem Verfahren gleichzeitig mit der Bildung der Glasschicht eine Anätzung der Halbleiteroberfläche erhalten kann, kann dieses Verfahren mit Vorteil in dem Fall angewandt werden, wo die Halbleiteroberfläche verunreinigt ist oder wo noch thermische Spannungen bzw. Spannungen infolge der Herstellung in der Oberfläche vorhanden sind. Da jedoch der Halbleitergrundkörper oxydiert und Ausgangsstoff für die Glasschicht wird, war es nicht möglich, mit anderen Halbleitern als Silizium, d. h. mit Halbleitern wie Germanium, hervorragende Glasschichten zu erhalten. Im Fall eines Siliziumgrundkörpers können ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, da das sich ergebende Oxid aus SiO2 besteht.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verbesserung einer Siliziumdioxiddeckschicht auf Halbleitergrundkörpern, wonach auf der Deckschicht eine Bleischicht abgeschieden und beide in einer oxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 500 und 700° C geglüht werden nach der deutschen Patentanmeldung K 53633 VIb/48 dl (deutsche Auslegeschrift 1273956), dadurch gekennzeichnet, daß zum Glühen in Stufen erhitzt und daß die Temperatur auf einem Wert zwischen 300 und 400° C gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Siliziumdioxiddeckschicht eine dünne Bleischicht abgeschieden wird, damit nur ein Oberflächenteil der Siliziumdioxiddeckschicht verglast wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Siliziumdioxiddeckschicht eine dicke Bleischicht abgeschieden wird, damit die Siliziumdioxiddeckschicht vollständig verglast wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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