DE1640529A1 - Verfahren zum Aufspruehen von Isolierschichten - Google Patents

Verfahren zum Aufspruehen von Isolierschichten

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DE1640529A1 DE19671640529 DE1640529A DE1640529A1 DE 1640529 A1 DE1640529 A1 DE 1640529A1 DE 19671640529 DE19671640529 DE 19671640529 DE 1640529 A DE1640529 A DE 1640529A DE 1640529 A1 DE1640529 A1 DE 1640529A1
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Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER
703 BOBLINGEN SINDELFINGER STRASSE 49 FERNSPRECHER (07031)6 6130 40
Böblingen, 22. Mai 1967 wi-oc
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N. Y. 10
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 14 485
Verfahren zum Aufsprühen von Isolierschichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufsprühen von Isolierschichten auf elektrische Schaltungseinheiten, insbesondere auf Halbleite robe rflächen.
Bei Halbleitern finden Isolierschichten im allgemeinen als Maske für die Halbleiteroberflächen während der Diffusion und anderer Zu satz verfahr en Verwendung. Außerdem werden derartige Schichten zur Passivierung, d. h. für das Aufbringen eines Schutzbelages gegen Korrosion und andere äußere Einflüsse, von Halbleiterelementen, wie Transistoren, Dioden, Festkörperschaltungsanordnungen usw. benützt. Zur Passivierung von Siliziumelementen besteht die Isolierschicht üblicherweise aus einem thermisch aufgewachsenen Siliziumdioxyd; es sind aber auch bereits verschiedene Glasarten benutzt worden. Das Aufbringen von Isolierschichten aus Glas durch Sedimentierverfahren mit anschließender Fusion der Glasteilchen in eine gleichförmige Schicht unter Anwendung von Wärme ist ebenfalls bekannt
009838/1708
BAD ORfQINAt
(US-Patentschrift 3 212 921).
Thermisch aufgewachsene Siliziumdioxydschichten haben sich auf Halbleiteroberflächen als sehr geeignet erwiesen. Das angewendete Verfahren unterliegt jedoch insofern gewissen Einschränkungen, als thermisch aufgewachsenes Siliziumdioxyd auf Siliziumhalbleitermaterial beschränkt ist un,d die für das thermische Aufwachsen erforderlichen Temperaturen ziemlich hoch sind. Andere Halbleitermaterialien, wie Germanium und III-V-Mischungen gewinnen in der Herstellung von Halbleiterbauelementen für Spezialzwecke an Bedeutung. Hieraus ergibt sich die Forderung, ein geeignetes Verfahren zum Aufbringen der Isolierschichten für diese Materialien zu finden. Die für das thermische Wachsen von Siliziumdioxyd auf Silizium erforderlichen hohen Temperaturen führen nämlich zu einer inneren Diffusion der Dotierungsmittel im Halbleiterkörper und wirken sich nachteilig auf die bereits in dem Körper gebildeten PN~Übergänge aus. Außerdem können andere an sich geeignete Isolierschichten, wie Siliziumnitrid, nicht auf Silizium thermisch aufgewachsen werden.
Beim Aufbringen von Glaspassivierschichten arbeitet man ebenfalls mit hohen Temperaturen, da die Glaspartikel verschmolzen werden müssen. Die hohen Temperaturwerte können sich nachteilig auf die Metallkontakte der Elemente der Halbleiter und, wie bereits erwähnt, auf die Dotierungsmittel innerhalb des Halbleiterkörpers auswirken. Die Art der zu verwendenden Gläser beschränkt sich daher auf solche mit einem niedrigen
009833/1703
BAD ORIGINAL -
Schmelzpunkt aufgrund der im Verfahren eingeschlossenen Pusionsstufe. Glasarten mit hohen Schmelzpunkten eignen sich aber am besten zur Passivierung von Halbleiterelementen«
Zur Bildung von Isolierschichten auf Halbleiteroberflächen zu Abdeck- und Passivierungszwecken ist das Aufsprühen von Isolierschichten bereits vorgeschlagen worden. Dieses Verfahren erscheint durchaus von Vorteil, da sich Isolierschichten auf jedem Halbleiterkörper - ganz gleich, wie "
der Halbleiter zusammengesetzt ist - aufbringen lassen. Desgleichen kann die Temperatur des Halbleiterkörpers relativ niedrig gehalten werden, und der Halbleiterkörper selbst wird nicht in Mitleidenschaft gezogen. Darüberhinaus können die Isolierschichten in Übereinstimmung mit den thermischen Dehneigenschaften des Substrats gewählt werden, wodurch dickere Isolierschichten ohne thermische Zugbeanspruchungen möglich wären. Dies Verfahren hat sieh jedoch in der Praxis als nicht sehr erfolgreich erwiesen, da eine Beschädigung der Halbleiteroberfläche eintreten t
kann, die wiederum die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterbauelemente im Halbleiterkörper zerstört.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mittels dessen auf einer elektrischen Schaltungseinheit und insbesondere auf einer Halbleiteroberfläche eine Passivierungsschicht ohne Beschädigung der Halbleiteroberfläche aufgebracht werden kann. Insbesondere soll das Verfahren auch geeignet sein, Isolierschichten verschiedener
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14 485 — r
Zusammensetzung auf blanke Halbleiterkörperoberflächen ohne Beschränkung der Zusammensetzung des Halbleiters aufbringen zu können. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsprühen in einer unter Unterdruck stehenden, zwei Elektroden enthaltenden Ionisationskammer bei einer Lei-
2 stungsdichte von zunächst weniger als 0, 7 W/cm zwischen den Elektroden zur Erzeugung einer Schicht zwischen 500 und 1500 A erfolgt.
Zur Erzeugung einer zweiten Schicht kann gemäß einer vorteilhaften Weiter-
bildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Leistungsdichte auf 3-6 W/cm
gesteigert werden. Die ursprüngliche Leistungsdichte von unter 0, 7 W/cm der Kathodenfläche des Sprühgerätes wird solange beibehalten, bis sich ein aufgesprühter Film in einer Dicke von 500 bis 1500 A auf der Halbleiteroberfläche befindet. Die Aufsprühgeschwindigkeit wird durch die darauffolgende Steigerung der Leistungsdichte sodann erhöht, wobei die obere Grenze der Leistungsdichte durch das Netzgerät und die Kathodenkühlwirkung festgelegt ist. Die erste Isolierschicht, die bei geringerer Leistungsdichte aufgetragen wurde, bildet hierbei eine Schutzschicht für die bei höherer Leistungsdichte aufgebrachte Passivierschicht. Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung kann die Leistungsdichte aber auch während des Aufbaues des aufgesprühten Films auf der Oberfläche des Halbleitermaterials allmählich gesteigert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zerstäubungs
geräts zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Halbleiteranordnung mit einer
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgesprühten Isolierschicht,
Fig. 3 zeigt einen weiteren Schnitt einer anderen Halbleiteranord-
nung mit aufgesprühter Isolierschicht und
Fig. 4 zeigt eine Prüfvorrichtung zur Auswertung des Ergebnisses
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Zerstäubungsgerät gemäß Fig. 1, das in seinem grundsätzlichen Aufbau bereits vorgeschlagen ist, enthält eine Kammer 10 mit einer oberen Platte 11, die auf einer Grundplatte 12 abnehmbar angeordnet ist. Ein durch ein Ventil 14 zugeführtes Gas, z. B, Argon, wird in der Kammer mittels einer Vakuumpumpe 17 auf einem gewünschten Unterdruck gehalten. In der Kammer 10 sind eine Elektrodenanordnung 16 und eine Trägerplattenlagerung 18 vorgesehen.
Die Elektrodenanordnung 16 enthält eine Gegenkathode 20, die aus dem zu zerstäubenden Material besteht. Daran angrenzend befindet sich eine als
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BAD ORtGfNAi.
Kathode wirksame metallische Elektrode 22. Diese Elektrode 22 ist durch einen Keramikring 26 von der Trägersäule 24 isoliert. Letztere ist an der oberen Platte 11 der Kammer 10 befestigt. Eine geerdete Abschirmung 30 stützt sich auf der Trägersäule 24 ab. Die Abschirmung 30 umgibt einen Teil der Elektrode 22 und schützt diese vor unerwünschtem Besprühen. Ein Kühlsystem 32 ist mit einer Zufuhrleitung 34 und einer Rückführleitung 36 für den Kühlmantel innerhalb der Trägersäule 24 zentrisch angeordnet und ^ kann zum Kühlen der Elektrodenanordnung 16 mittels Wasser oder einer
anderen Flüssigkeit verwendet werden. Das Kühlsystem ist als elektrischer Leiter über die Trägersäule 24 angeschbssen und verbindet die Elektrode 22 mit einer Hochfrequenzenergiequelle (nicht gezeigt).
Die Trägerplattenlagerung 18 besteht aus einer Platte 40, die auf der Grundplatte 12 der Kammer 10 angeordnet ist. Ein Plattenträger 42 ist auf der Oberfläche der Platte 40 befestigt, und auf dem Plattenträger 42 befinden β sich Halbleiterplättchen 50. Zum Kühlen oder Erwärmen der Plättchen 50
können am oder im Plattenträger 42 entweder Kühlwendeln oder Heizspiralen vorgesehen werden. Die Trägerplattenlagerung 18 wird als zweite Elektrode des Zerstäubungsgeräts angeschlossen und ist als Anode bezeichnet. Zur Konzentration der Glimmentladung des magnetischen Feldes dienen Elektromagneten 44.
Man hat festgestellt, daß ungeschützte Halbleiteroberfläche!! durch das Zerstäubungsverfahren ohne Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften
009838/1708
14 485
BAD OBIQlNAU
der Halbleiterbauelemente in der Oberfläche beschichtet werden können.
Das Aufsprühen einer Pas sivier schicht geschieht unter Beibehaltung einer
2 gleichmäßigen Leistungsdichte von ca. 0, 65 W/cm der Kathodenfläche an der Kathode des Zerstäubungsgerätes. Das Aufsprühen bei niedrigen Leistungsdichtewerten führt nicht zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften der Halbleiteroberfläche, da die aus der Kathode gesprühten Partikel die Halbleiterplättchen 50 mit so geringer Kraft erreichen, daß eine Beschädigung der Halbleiteroberfläche ausgeschlossen ist. Bei ύ
Verwendung von höheren Leistungsdichtewerten würde jedoch die Halbleiteroberfläche durch Strahlschäden beschädigt, da in einem solchen Fall die ausgesprühten Teilchen mit relativ hoher kinetischer Energie auf die Oberfläche auftreffen.
Dieses langsame Zerstäuben hat an sich den Nachteil, daß das Aufbringen der gewünschten Sehichtstärke verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt. Dieser Nachteil wird durch eine Erhöhung der Leistungsdichte-
werte auf ca. 3 bis 6 W/cm nach der Bildung einer Beschichtung in der Dicke von 500 bis 1500 &. auf der Halbleiteroberfläche gemindert. Diese erhöhte Leistung gestattet eine schnellere Bildung des Isolierfilms auf der Halbleiteroberfläche, während die dünne Isolierschicht die Halbleiteroberfläche gegen eine Beeinträchtigung durch die aufgesprühten Teilchen schützt. Das Netzgerät kann auch so eingerichtet werden, daß die auf die Anoden- und Kathodenelektroden der Einrichtung abgegebene Leistung allmählich während des Aufbaue des Films erhöht wird. Es empfiehlt sich jedoch,
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erst ca. 200 Ä-Einheiten bei der niedrigen Leistungsdichte aufzubringen,
2
bevor die Energie über 0, 65 W/cm gesteigert wird.
Diese stufenweise Zerstäubung gestattet es, daß der größte Teil des aufzubringenden Passivierungsfilnies in kürzester Zeit ohne Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften der Siliziumoberfläche beim Aufbau der Isolierschicht aufgebracht werden kann. Die obere Grenze für die Stärke des aufgesprühten Films hängt von der gewünschten Stärke und von der durch die Schicht verursachten thermischen Beanspruchung ab. Praktisch sind bereits mehr als 30000 A Siliziumdioxyd auf Siliziumflächen aufgesprüht worden. Fig. 2 zeigt einen Halbleitertransistor mit den PN-Übergängen 60 und 62, die durch einen Passivierungsfilm geschützt sind, der aus den Schichten 64 und 66 besteht, die auf der Halbleiteroberfläche mit den PN-Übergängen aufgebaut worden sind. Zum Aufbringen der ersten Schicht 64 wurde das vorstehend beschriebene langsame Sprühverfahren mit geringer Leistungsdichte angewendet, während die Schicht 66 bei Anwendung höherer Energie zwischen Anode und Kathode aufgebracht wird. Die Anordnung gemäß Fig. 3 enthält ebenfalls die PN-Übergänge 60 und 62, jedoch sind diese durch einen thermisch aufgewachsenen Siliziumdioxydfilm 70 bedeckt, da bei der Herstellung dieses Siliziumelements bekannte thermische Oxydbeschichtungsverfahren angewandt wurden. Der aus den Schichten 72 und 74 bestehende Passivierungsfiltn kann entweder aus Glas oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial bestehen. Außer dem Loch 76 in der thermisch gewachsenen Siliziumdioxydschicht, die
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zur Bildung des Emitter-Basis-Übergangs 62 im Halbleiterkörper verwendet wurde, deckt die Passivierungsschicht 72 und 74 auch die thermisch aufgewachsene Schicht 70 ab. Die Schicht 72 wurde, ebenso wie bei dem vorher anhand von Fig. 2 dargestellten Beispiel, unter Verwendung des langsamen Zerstäubungsverfahrens gebildet, während das schnelle Verfahren für das Aufbringen der Schicht 74 angewendet wurde.
In Abhängigkeit vom Gebrauchszweck der Schichten kann die Gesamt- ^
stärke der Passivierungsschichten 64 und 66 bzw. 72 und 74 verschieden gewählt werden. Dient die Schicht als Diffusionsmaske, so beträgt die Stärke vorzugsweise zwischen 500 und 600 A in Abhängigkeit von dem verwendeten Diffusionsmaterial, der Diffusions zeit und dem Material der Isolierschicht. Der dichtere Siliziumnitridfilm kann z. B, dünner als ein Siliziumdioxydfilm sein, um das gleiche Abdeckvermögen zu erzielen. Bei Filmen, die zur Passivierung von Elementen benutzt werden sollen, gelangen Stärken bis zu ca. 30000 A zu Verwendung, um sicherzustellen, f
daß mit dem betreffenden Element während seiner Lebensdauer irgendwelche Schmutzstoffe nicht in Berührung kommen.
Nach dem Aufsprühen einer Schicht kann die Oberfläche des beschichteten Halbleiterelements durch Vergüten verändert werden. Man hat beispielsweise festgestellt, daß eine Kombination des vorher beschriebenen langsamen und schnellen Zerstäubungsverfahrens auf einer Siliziumoberfläche
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eine nahezu neutrale Oberfläche erzeugt. Durch Vergüten der Oberfläche bei ca. 300 bis 500 C für die Dauer von 15 Minuten bis vier Stunden in Luft oder Stickstoff wird eine weitere Verminderung der Oberflächenbeanspruchung erreicht.
Das beschriebene Verfahren eignet sich für Isoliermittel aller Art, wie z. B. geschmolzenes Quarz oder Siliziumdioxyd, Glas, Siliziumnitrid usw., da unterschiedliche chemische Zusammensetzung^für das Zerstäubungsverfahren als solches unbeachtlich sind. Die Zerstäubung kann in neutraler oder reaktiver Atmosphäre erfolgen. Glas und Siliciumnitrid können z. B. am besten in einer reaktiven Atmosphäre aufgetragen werden; Siliziumnitridschichten sind wiederum besonders geeignet bei niedriger Leistungsdichte durch reaktives Zerstäuben auf Siliziumhalbleiteroberflächen. Die Art der jeweils zu beschichtenden Halbleiteroberfläche ist ebenfalls ohne Bedeutung für die Anwendung des vorher beschriebenen Verfahrens, da die Teilchenenergie, die zur Beschädigung der Halbleiteroberflächen führt, bei den einzelnen Materialien nur geringfügige Unterschiede aufweist.
Im folgenden werden einige Beispiele des beschriebenen Verfahrens aufgeführt. Für jedes der Beispiele wurden, wie in Fig. 4 gezeigt, Standardelemente aus Metalloxydsilizium angefertigt. In allen Fällen wurde der Träger 90 aus P-dotiertem 6-Ohm-cm-Silizium hergestellt. In jedem Beispiel wurde eine Schicht 92 Siliziumdioxyd auf die blanke Oberfläche des Siliziumsubstrates 90 aufgesprüht. Die Stärke der Siliziumdioxydschicht
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BAD ORIGINAL
4 ο
92 beträgt 1 p. = 10 Ä, Eine aus Aluminium bestehende Elektrode 94 wurde auf die Siliziumdioxydschicht aufgedampft, und vor dem Aufsprühen der Siliziumdioxydschicht wurde in den Beispielen 2, 5 und 7 auf der Siliziumoberfläche des Siliziumsubstrats 90 durch dessen Erhitzen in Sauerstoff bei einer Temperatur von 1050 C ein thermisch aufgewachsener Siliziumdioxydfilm von 2800 A gebildet. Das Metalloxydsiliziumelement wurde in jedem Beispiel zur weiteren Verminderung der Oberflächenleistungsdichte 60 Minuten lang bei 300° C in Stickstoff vergütet. In der nachstehenden Tabelle sind die verwendete Oberfläche, die Zerstäubungsgeschwindigkeit und die Temperaturbedingungen jedes Beispiels sowie die sich ergebende Oberflächenbelastungsdichte vor und nach dem Vergüten aufgeführt. Die Bezeichnung "schnell" in der Spalte Sprünge-
schwindigkeit weist darauf hin, daß mit einer Leistung von 5, 5 W/cra gearbeitet wurde, während die Bezeichnung "langsam" einer Leistungsdichte von 0, 3 W/cm entspricht. In jeder langsamen Zerstäubungsstufe wurde eine Siliziumdioxyd schicht von 1500 A aufgetragen, während in den schnellen Zerstäubungsstufen die Stärke 8500 A betrug.
009838/1708
Oberflächenbelastungsdichte
11
(10 Einheitsladungen pro cm ]
Beispiel Ober
fläche		 Zerstäubungs-
ge s chwindigkeit		 Träger
temperatur		 500° C Vor dem
Vergüten		 Nach dem
Vergüten
1 Blank Schnell 50° C 500° C -81 -18
2 2800 Ä Schnell 50° C 500° C -16 -5,8
3 Blank Langsam-Schnell 50 C + 1,2 — X, "
4 Blank Schnell -70 -45
5 2800 Ä Schnell -12 -16
6 Blank Langsam-
Schnell		 -16 —6, 6
7 2800 Ä keine
Zerstäubung		 -5 -5
Durch Messen der Kapazität der sich ergebenden Metalloxydsiliziumanordnung in Abhängigkeit von der zwischen der Metallfeldplatte 94 und dem Siliziunaträger 90 angelegten Spannung wurden für jedes Beispiel die entsprechenden Belastungswerte ermittelt. Die experimentelle C-V-Kurve wurde mit der theoretischen Kurve in Übereinstimmung mit den Herstellungsbedingungen {Siliziumdioxyde stärke, Verunreinigungsintensität) verglichen. Die horizontale Verschiebung der beiden Kurven wurde zur Bestimmung der Oberflächenbelastungsdichte und somit des Oberflächenpotentials verwendet.
Bei den meisten Halbleiterelementen beträgt die zulässige Oberflächenbelastungs-
11 2
dichte ca. 2x10 pro cm . Wie aus vorstehender Tabelle hervorgeht, weisen
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••13·»
die auf die Halbleite rplättchen mit tie rmis eher Oxydschicht (Beispiele 2 und 5) bzw, auf die blanken Plättchen nach dem beschriebenen Verfahren (Beispiele 3 und 6) aufgetragenen Filme Oberflächenbelastungen auf, die unter der zulässigen Oberflächenbelastungsdichte liegen. Auf blanke Plättchen bei hoher Geschwindigkeit aufgetragene Filme (Beispiele 1 und 4), weisen selbst nach dem Vergüten hohe Belastungswerte auf. Der Belastungswert auf der Oberfläche des thermisch aufgewachsenen Oxyds und Siliziums ist zu Vergleichszwecken als Beispiel 7 zusätzlich in der Tabelle aufgeführt. Aus Beispiel 7 geht hervor, daß auch ohne Besprühen der Halbleiteroberfläche ein gewisser Oberflächenbelastungswert vorliegt.
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Claims (7)

  1. - 14 - 22. Mai 1967
    1« Verfahren zum Aufsprühen von Isolierschichten auf im wesentlichen planare elektrische Schaltungseinheiten, insbesondere auf Halbleiterflächen, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsprühen in einer unter Unterdruck stehenden, zwei Elektroden enthaltenden Ionisationskammer bei einer Leistungsdichte von zunächst weniger als 0, 7W/cm zwischen den Elektroden zur Erzeugung einer Schicht zwischen 500 und 1500 Ä.erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu-
    2 gung einer zweiten Schicht die Leistungsdichte auf 3 bis 6 W/cm ge« steigert wird.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß P die erhaltene Schicht für weniger als vier Stunden bei 300 bis 500 C
    vergütet wird,
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs dichte während der Bildung der Schicht allmählich gesteigert wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterfläche aus Silizkmund die aufzubringende Schicht aus Siliziuniiioxyd besteht,
    009633/1703
    485
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzubringende Schicht aus Siliziumnitrid besteht.
  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzubringende Schicht aus Glas besteht.
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    Leerseite
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