DE1917995B2 - Verfahren zur bildung eines isolierfilmes und danach hergestelltes halbleiterelement - Google Patents
Verfahren zur bildung eines isolierfilmes und danach hergestelltes halbleiterelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren z.ir Bildung
eines Isolierfilme-, auf einem aus Silicium bestehenden
Grimdkörpcr. der in einer Reaktionskammer auf erhöhte Temperatur gebracht wird. Zum Gegenstand
der Erfindung gehört ferner ein Halbleiterelement mit
einem nach einem solchen Verfahren hergestellten Isolierfilm.
Isolierfolie werden auf Halbleiteroberfläche!! üblicherweise
für Zwecke der DifTusionsmaskicrung. 7iir
Oberflächenpassivierung sowie auch zur Isolierung !wischen !.citelcmcnten verwendet. Solche Filme
»erden im allgemeinen durch Aufdampfen oder im fall von Siliciumoxid auch durch thermische Bildung
■ uf einer Silieiumoberfläche hergestellt. Das zunächst
Bis Diffusionsmaske verwendete Siliciumdioxid hat sich unter gewissen Bedingungen als Schutzüberzug
ungeeignet herausgestellt. Zur Verbesserung der Oberflächenpassivierung
wurden daher bereits Filme aus Siliciumnitrid und Aluminiumoxid in Verbindung mit
Siliciumoxid eingesetzt.
Die Verwendung dieser Filme, sei es für sich oder in Kombination miteinander, führt indessen zu anderen
Schwierigkeiten. Siliciumdioxidfilme auf einem SiIiciiim-Grunclkörpcr
stehen bei Raumtemperatur infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
im allgemeinen unter Druckspannung. SiIiciumnitridfilme stehen dagegen ebenso wie Ahiminiumoxidfilme
im allgemeinen unter Zugspannung. Die Folge dieser Spannungen ist eine Neigung zur RiIthildunii,
insbesondere im Rereich von Kanten und M;:skenaussparimgen. sowie darüber hinaus bei
dünnen Grundkörpern eine merkliche Verbiegung infolge dieser Spannungen. Weiterhin können diese
Spannungen Gleitungen im Kristall des Grun jkörpers sowie Oberfläehenverscizimgen hervorrufen. Überdie-'
verlangen Siliciumnitrid und Aluminiumoxid eine
ίο andere Ätztechnik als Siliciumoxid, wodurch die Herstellungsverfahren
von Halbleiterelementen mit ihren verschiedenen Diffusions-. Koniakimaskierungs- und
Ätzvorgängen beträchtlich kompliziert werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eine·-
Verfahrens zur Herstellung von Isolierlilmen. mil dessen Hilfe die dargelegten Schwierigkeiten überwunden
werden und die Bildung von hochwertigen Isoüerfilmen mit geringer Temperaturempfindlichkeit
möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß eine Mischung aus Stickoxid und Siliciumhydrid in einem molaren Mengenverhältnis zwischen 1 und
100 zur Abscheidung eines Oxid-Nitrid-Filmes zwisehen 600 und 900" C zur Einwirkung auf die Oberfläche
des Grundkörpers gebracht wird.
Auf diese Weise ergibt sich ein Isolierfilm für Halbleiteroberflächen
mit hohem Isolationswiderstand, guten Passivierungseigenschaften und ebensolcher
Ätzbarkeit verbunden mit geringen mechanischen Spannungen innerhalb des Filmes.
Ein Halbleiterelement mit einem nach einem solchen Verfahren hergestellten Isolierfilm, der eine Zusammensetzung
in Atomprozent von 34% Silicium, 8,5% Stickstoff und 57,3% Sauerstoff entsprechend
einem molaren Mengenverhilllnisv,e;t NO'SiH, ---= 20
der Reaktionspartner aufweist, stellt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dar. die sich
durch besonders geringe thermische Spannungen attszeichnet. Eine besonders hohe Sperrwirkung gegen
Natriumdiffusion bH einem Mischfilm ergibt sich dagegen gemäß cintr anderen Ausführungsform des
Halbleiterelementes nach der Erfindung bei einem molaren Mengenverhältniswert NO/SiH, 3 entsprechend
einer Filmzusammensetzung gemäß der Summenformel Si-JO1N;,. wobei die Kombination der
übrigen Eigenschaften immer noch einem guten Kompromiß gleichkommt.
Es folgi eine nähere Erläuterung der Erfindung an
Hand von Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme der Zeichnungen. Hierin zeigt
F i g. 1 ein Dreistoff-Phasendiagramm zur Untersuchung bzw. Darstellung der Zusammensetzung von
erfindungsgemäß hergestellten Oxid-Nitrid-Filmcn.
F i g. 2 ein Diagramm der Abhängigkeit der mittleren.
FilmspaniHingen von der Filmzusammensetzung für bestimmte Oxid-Nitrid-Filme,
F i g. 3 das Ergebnis von Natritimionen-DifTusionssperrversuchen
in Form eines Diagramms der Eindringliefe über der Filmzusammensetzung und
F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Atzgeschwindigkeit für verschiedene Zusammensetzungen
von Oxid-Nitrid-Filmen unter Verwendung einer bestimmten Fluorwasserstoff-Salpetersäure-Ätzlösung.
Gemäß einer Ausfülmingsform der Erfindung ermöglicht
ein chemisches Aufdampfverfahren eine einfache und reproduzierbare Herstellung von Filmen,
die aus Mischuneen von Siliciumdioxid und Silicium-
linJ bestehen und im folgenden km/ ■( i\id-Nitridilinebezeichnet
werden, llei i.liesein \ 'erfahren
iil.'M. Siliciuiiihvdriil (Sill,), bekannt als -Silaii".
J Mk'kovid (N()i hi gasförmiger l'mgcbiin'j bei
.ihier I emperaiiir von z. Ii. /wisc'non . .00 und
■ 11 in ( legenwarl des mil dem Film /11 iilvr-..
.Tiden «irundkörpcrs /ur Reaktion uebrachl. Die
iiviiriL r.sL'l.'ung des η ledergescli L; denen Filmes
,Li ' "in Kon/entraiionsverhältnis der an der Reaki
!eihiolimonden Substanzen ab. Innerhalb Jedlm-bcreichevon
Stickoxid /w Silan sind zwei
JIc /iisimnieiiset/iingen von besonderem Imeliämlich
diejenigen eiitsprocheiKi lIoii Meiiüen-..i
;i,--en 2u 11 ηJ 3. Heim erstgenannten \ erhältin--.-'_:!ι|
--ich em I ihn mn minimalen Spanniire-ien
i;.-! hu. wahrend i.ler lei/igenaiii-.te \ crl-iälim--
1 .-...ii CIiWt1 li.ihcrc. immerhin jcdocli absolut tv-.
.!Tel noch vorteilhaft geringe Spannungen bei
.•.',glichen Passivierung-,- und Atzeigenschafien er-
;. I he ietzigonannie Zusammensi*'/ung liegt sehr
. -,e bei Jon Mengenverhältnissen entsprechend der
!Tiiidung Si11O1N...
■ υ weiterer Vorteil des erlindungsgcmäßen Ver-
: rcii- bestelii allgemein darin, daß die erwähnten.
ihren I igonschaften allgemein wesentlich ver-
t -encii Filme gemischter Zusammensetzung (Misch-
::-ici mil Hilfe der gleichen Einrichtungen und HiIfV
I1IlI hergestellt werden können, wie sie bei der Her-
:.-llung von Luistoff-Filmen zum Finsal/ kommen.
in dem /11 beschreibenden Beispiel des erlinduncseniäl.ien
verfahren:- wurden Silan und Stickoxid in
■nor Stickstoff,!'üiosphäre bei Temperaturen zwischen
:v.a 600 und 1JlK) C zur Reaktion gebracht. Spezioll
■irde als (irundkörper eine Scheibe aus emkristalli-
;.:n. Ii al blei ic η J em Silicium mit einer polierten (MI)-vertläche
verwendet, die auf einer Ciraphilhalterung oii.. 111 ais Reaktioiiskanimer verwendeten, verti-.lieii
Rohr angeordnet war. Die 1 !aliening wurde mit I nie einer zylindrischen Spule durch ! iochlrequen/-riiiiziing
aufgeheizi. während die als Reaktion-riner
vorgesehenen \'erbindungen mit niedriger .. nzeniralior, in Slickstoffgas m the Reaktion ein-.
it.fi wurden. ΛΝ "| rä'_'er<j,is koinnii ebenso W a.sser-'■'II'.
\rgoii. Neon oder Helium bzw. eine Mischung OmT ( iase in Betracht. Die Zeitdauer des AblagemiL'.-.v.
>rg,inges wurde beispielsweise durch Zuführung
■ M' ■- ihm beendet.
Im speziellen liei-pieislall wurden Silan und Stick-
■ ■ 1J mi' l\ on/.-iil rat ionen ν οι
"ii. i;: bei Jen 1 allen mn 's!
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. Uno: bei s||,m in
. ί >t ''^-,iimc ( i.iscala-
!'/■-·. 1',-A-
tioiiskanimer betrug elwa 3 I Min. ent--preehein.l einer
linearen Sti-önningsgeschwindigkeit \on etwa 7 cm;
Sek Im allgemeinen wurde das Verfahren bei Temperaturen
/wischen 700 und S?O C durchgeführt, wobei
die höheren Temper.iturwerle eine etwas höhere \blaj'.erungsgcschwindigkeil
ergaben.
Wesentliche Si.uergiöße bei diesem Verfahren ist
das molare Verhältnis der beiden Real· tiousparlncr.
d. h. also Stickoxid und Silan, innerhalb dor in the Reaklionskammei eingeführten Mischung. Dieses Verhältnis
N(JSiII1 besliinml an erster Stelle die Zu-.aminonset/iumdcs
abi!eschiedenenn\id-Nitnd-l ilme·«
gr.imm gemäß I ig ι 1-1 eine Keine <
. Mi lh iiekenn/eichnelen l'iinl- ten emu.-ι r.nJi H-Mennenvei'hälinider
Real lioiisp in her -'
der diiosem Punkt οιιι··ριντΙκιΐιΙ,:η Zn-am
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l-all
Ί .urin Jen, L
und mehr Slicks;.iff enthalten, ledocli nimmi de;
-loff.inieil unterhalb Jc- \ crliah ■ 1 :->'-'■ ci'ic- ! mir
solir langsam zu.
1-1 anzunehmen, daß e- sieh im Vorliegende:"
im einen ReaklionMHcchani-i
SiH, | - - Si : | |
4NO | ■ 5SiII, | -.- Si.,N, |
NO | - SiH, | — SiON |
2NO | ■ SiH, | — SiOo |
iind freien Radikalen handelt, in der Rei'ienioige /uuehniciiJei-
\ criialiniMU-rtc NO-SiH, lasse;: -u'n -.a
Snmmenschreibweise folgende vier möglichen Reaktionen anschreiben
--Si ■ 2H2
2SiOo ;() 11.,
No " 211,
Alle Filme, die sich bei den in F i g. 1 eingetragenen
Zusammensetzungen ergaben, d. h. bei \ erhällniswerien
/wischen I un;'. 100. waren von klarer, glasartiger sowie harter und fest anhaftender Beschaffenheit.
Durch Hlekironeiistrahlbrechung wurde
festgestellt, d. 3 es sich um amorphe Filme mit einem
Ordnungsgrad handelt, der im Vergleich zu thermisch gewachsenen bzw. durch Dampfabscheidung gewonnenen
Silieiumdio'sidLilmen gleich oder geringer ist.
Zwei Zusammensetzungen sind von besonderem Interesse für die Herstellung von Halblci'erelementen,
nämlich die sich bei den \ erhältnisworteii 20 und 3
de Reaktionspartner ergebenden Zusammensetzungen. Für ein Reaktionspartner-Mengenverhältnis von
20 ermbl sich eine I ilm/iisanimensotzung im Atom-Prozenten)
von 34",, Silicium, t-i.5",, Stickstoff und
57.5",, Sauerstoff. In dem Diagramm gemäß Ii g. 2
ist der Wert Null der mittleren Spannung eines auf
einem Silicium-( irundkörper befindlichen LiImO1 dureil
eine horizontale Linie angedeutet, auf welcher der mil 20 bezeichnete, einer bestimmten Film/iisammcnsetzung
entsprechende Punkt hegt. Fin Film dieser
Zusammensetzung stellt den Ideall'all dar. wenn große
Fihmlickc .erkmüt oder ein zerbrechlicher Silicium-(
irundköi'per gegeben i-.t. welch letzterer merklichen
thermischen Spannungen mehl standhalten 1 11m. wie -ie ζ. Ii. bei der Aiiskiihhing aus den I empcral nrbereiclici'i
des I lerstellung-proze- -'s .liiftrelen.
Die mittlere Spinuum: eine-- I ilinos der ,linieren
Ziis, immense! /11 η ü lsi in F 1 g. 2 durch den mit der
Ziffer .' F"-'cichuclen Punkt wiedergegeben. Wie die
I .ho die c- Punkte·, innerhalb des DiU'-rramnis zeigt.
steht ein derartiger HIm im Vergleich /u Siliciumnitrid
unter relativ geringer Spannung, und zwar unter Zugspannung. Diese Zusammensetzung z.eiszi dagegen
andere, äußerst vorteilhafte Figer.schaften.
Aus F i f: 3 geht eine speziell vorteilhafte Figenschafl
eines Filmes bei dem Verhältnis NO Sill, 3 hervor.
Dieses Diagramm zeigt die Frgebnisse eines Unlersü'.'hungsverfahrens
zur Bestimmung der Findringtiefe von Natriumionen. denen bekanntermaßen eine besonders
hohe Wirksamkeil bei der Verschlechterung der elektrischen Fiüenscliaficn einer I lalbleiterober-
fläche zukommt. In I ' g. 3 ist auf der Abszisse die
Hlmz.usamniensetzung und auf der Ordinate diejenige
Filmdicke aufgetragen, welche zur Verminderung eines
nach entsprechender I indiffusion und Spülung vorhandenen Natriumgehaltes auf 50" „ (striehlierte
Linien) bzw. auf 10" n (ausgezogene Linien) \on der
ursprünglichen I ilmdicke abgetragen werden mußte. Aus dieser Darstellung ist die Fxisten/ eines definierten
Minimums nahe dem Verhältniswort NO Sill, 3 ersichtlich. Obwohl ein Film dieser Zusammensetzung
(Si:lO,N,) im Vergleich zu reinem Siliciumnitrid eine
weniger gute Natriumsparre darstellt, so ist ein solcher Film absolut betrachtet doch recht wirksam und stellt
in dieser Hinsicht das Optimum der Mischlilme dar. Dieser Film weist wesentlich bessere Sperreigenschaften
als Siliciumdioxid, andererseits jedoch eine mittlere Spannung von nur 15" „ des entsprechenden
Wertes bei reinem Siliciumnitrid auf. Stärkere Filme dieser Zusammensetzung können daher ohne Auftreten
wesentlicher Spannimgswirkungen verwendet werden.
Aus dem Diagramm nach F i g. 4 ergibt sich ein weilerer Wirteil bei der Verwendung \on Oxid-Nitrid-Filmen
im Vergleich zu Silicium-Nitrid-Filmen. In diesem Diagramm ist die Ätzgeschwindigkeit des
Filmes über der Filmzusammensetzung aufgetragen, wobei die eine Kurve (Meßpunkte durch Kreise markiert)
für einen bei 700 C abgeschiedenen Film und die andere Kurve (Meßpunkte durch schwarz angelegte
Kreisflächen markiert) für einen bei S50 C abgeschiedenen Film gilt. Die Ätzgeschwindigkeit ist in A Min.
aufgetragen. Das bei diesen Versuchen verwendete Atzmittel hatte folgende Zusammensetzung in Vohimteilen:
Fluorwasserstoffsäure 15. Salpetersäure 10. Wasser 300 (Säuren in konzentriertem Zustand). Wie
das Diagramm zeigt, ergibt sich mit diesem häufig verwendeten Ätzmittel bei einem Film gemäß dem
Yerhäitniswert NO SiH, — 3 eine beträchtliche Ätzbzw.
Abtragungsgeschwindigkeit. Weiter ist hervorzuheben, daß der bei 850 C abgeschiedene Film
gemäß dem Verhältniswert NO SiH1 = 3 eine im Vergleich zu dampfgewachsenem Siliciumoxid bezüglich
des gleichen AtTmittels etwa 2.5fache Ätzgeschwindigkeit
aufweist.
Mit den beschriebenen Verfahrensausführungen können Filme mit einer Ablagerungsgeschwindigkeit
von etwa 275 bis 2300 Λ Min. abgeschieden werden. Fin besonders vorteilhafter Bereich der Ablagerungsgeschwindigkeit liegt jedoch zwischen 300 und SOO Λ/
Min., der sich über die Silankonzentration in der ziigeführten
(iasmischung einstellen läßt. Typische Filmdicken, die sich mit den vorliegenden Verfahrensausführungen
ergeben, betragen etwa 0.3 Mikron, wobei jedoch auch Ablagerunesstärken bis zu einem
Mikron ohne weiteres erreichbar sind.
Die Dielektrizitätskonstante A von Siliciumdioxid
(SiO2). erhalten durch Ablagerung aus einer Mischung NO Sill, 100. hat den Wert 3.6. Mit abnehmendem
Verhältniswert und zunehmendem Nitridgehalt im Film nimmt auch K /y\ und weist bei einem Vcrhältniswert
von NO SiH, 3 der Reaktionspartner und bei einer Abscheidungstemperalur von 850 C einen Wert
von 3.8 auf. Dies zeigt die hervorragende Fignung
von Oxid-Nitrid-Filmen zur elektrischen Isolierung. Das beschriebene Verfahren zeichnet sich ferner durch
Trockenheit und Sauberkeit heim Verfahrensablauf sowie bei den erwähnten Konzentrationen auch durch
hohe Sicherheit aus und ist deshalb insbesondere zur Anwendung in Verbindung mit der epitaxialen Abscheidungstechnik
bei der Halbleiterherstellung anwendbar.
Oxid-Nitrid-Filme der vorliegenden Art können während der Herstellung von HalblHtcrelementen und
Halbleitervorrichtungen, insbesondere auch bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, gebi dct und
zur Verwendung als Diffusionsmasken od. dgl. selektivgeätzt werden. Nach Abschluß der Diff usionsvorgänge
und Abscheidiingsschritte für die Flektrodenbilduna
können die Filme ferner an Ort und Stelle auf der Halbleiteroberfläche verbleiben bzw. ergänzt werden
und bilden dann einen Schutzüberzug für das gesamte Halbleiterelement. Die erfindungsgemäßen Oxid-Nitrid-Filme
können insbesondere auch mit Vorteil, und zwar vor allem wegen der Vereinigung von Isolierfestigkeit
und minimalen Eigenspannungen, als Isolierschicht für die Steuerelektrode von Feldeffekt-Transistoren
.Mt derartiger isolierter Elektrode eingesetzt werden. Auch bei der Einbeziehung von derartigen
Majoritätsladungsträgerelementen in integrierte Schaltungen können die erfindungsgemäßen Oxid-Nitrid-Filme
mit Vortei! vielfache Anwendung finden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren /lit Bildung eines [solierfilmes auf
einem aus Silicium bestehenden Grundkörper, der in einer Reaktionskammer auf erhöhte Temperatur
gebracht wird, d ;■ durch gekennzeichnet,
daß eine Mischung aus Siiekoxid (NO) und
Siliciunihydrid (SiH,) in einem molaren Mengenverhältnis /wischen 1 und 100 zur Abscheidung
eines Oxid-Nitrid-Filmes zwischen 600 und 900 C zur Einwirkung auf die Oberfläche des Grundkörners
gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Stickoxid (NO) und Siüciimihydrid
(SiHj) in einem molaren Mengenverhältnis \on 3 zugeführt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stickoxid (NO) und
Siliciunihydrid (SiH1) in einem molaren Mengenverhältnis
von 20 zugeführt werden.
4. Halbleiterelement mit einem gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
hergestellten Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens auf einem Teil der Oberfläche
des Halbleiterkörpers ein Oxid-Nitrid-Film mit einer Zusammensetzung in Atomprozent von
34%, Silicium. S.5% Stickstoff und 57,5% Sauerstoff
vorgesehen ist.
5. Halbleiterelement mit einem gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
hergestellten Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens auf einem Teil der Oberfläche des Halbleiterkörper ein Oxid-Nitrid-Film
mit einer Zusammensetzung entsprechend der Summcnformel SinO1N2 vorgesehen ist.
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