DE1950780A1 - Halbleitervorrichtung mit durch darauf erzeugte Passivierungsfilme gesteuerten Oberflaechenladungen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit durch darauf erzeugte Passivierungsfilme gesteuerten Oberflaechenladungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Takao Miyazaki
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Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. R. Beetz u.
Dipl.- Ing. Lamprecht
München 22, Steiiudorfstr. 10
81-14,989P
8.10.1969
HITACHI , LTD., Tokio (Japan)
Halbleitervorrichtung mit durch darauf erzeugte Passivierungsfilme gesteuerten Oberflächenladungen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit durch darauf erzeugte Passivierungsfilme gesteuerten Oberflächenladungen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung, in der der letrag der Induzierten Ladungen (n- oder p-Kanäle genannt), die allgemein durch die elektrischen Passivierungsfilme an der Oberfläche des Halbleiterelements erzeugt werden, auf einen gewünschten Wert gesteuert wird, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleitervorrichtung.
Herkömmlich wurden als elektrische Passivierungsfilme für einen Halbleiter ein erster Isolierfilm aus SiO2 und ein zweiter Isolierfilm aus Phosphorsilikatglas, Si,N^, AIgO, usw. verwendet. SiO2 wurde als erster Isolierfilm verwendet, weil es einen merklichen Effekt zur Stabilisierung der elektrischen
8l-(Pos. 19.7OS)-TpE (7)
00S817/H20
Eigenschaften hat und leicht auf zubauen und zu behandeln ist. Ein zweiter Isolierfilm wird erforderlich, da der SiOg-FiIm gegenüber Feuchtigkeit unbeständig ist und daher gegenüber der Außenatmosphäre geschützt werden muß· Ein anderer Grund ist der, daß der SiO2-FiIm Verunreinigungsionen enthält und ihr Einfluß reduziert werden muß. Der Phosphorsilikatglasfilm, der üblicherweise als zweite Schicht auf dem SiOp-FiIm verwendet wird, fixiert nämlich oder gettert die Verunreinigungsionen von * z.B. Natrium im SiOp-FiIm. Der Si^Nu-FiIm usw. werden wegen ihrer Wirkung, die Verunreinigungen auszufiltern, verwendet.
Eine bei einer solchen Halbleitervorrichtung mit elektrischen Passivierungsfilmen angetroffene Schwierigkeit besteht darin, daß ein großer Betrag von induzierten Ladungen (Kanäle genannt) auf der Halbleiteroberfläche erzeugt wird, wo der SiOg-FiIm aufgebracht ist. Der Betrag der induzierten Ladungen hängt von dem SiOg-Film-Erzeugungsverfahren und den Wärmebehandlungsbedingungen ab, doch üblicherweise werden Ladungen
11 12 -2 in der Größenordnung von 3 χ 10 - 10 cm induziert, falls
der Halbleitergrundkörper aus Silizium ist. Wenn übermäßige Ladungen induziert werden, kann eine p-Typ-Halbleitergrundkörper- W oberfläche in den η-Typ oder die Oberfläche eines n-Typ-Halbleitergrundkörpers in einen n+-Typ verwandelt werden. So ergibt sich ein starker Anstieg der Übergangskapazität oder des Sperrstroms im Fall eines Halbleiters mit einem p-n-Übergang. Es ist daher wünschenswert, den Betrag der induzierten Ladungen so klein wie möglich zu machen. Indessen wurden die gewünschten elektrischen Eigenschaften durch die genannten elektrischen Passivierungsfilme noch nicht erreicht« da zu große Ladungen induziert werden.
Bei einem Feldeffekttransistor, insbesondere einem MOS-Feldeffekttransistor werden die an der Halbleiterober-
fläche induzierten Ladungen ausgenutzt, während sie bei anderen Transistoren, Dioden, integrierten Schaltungen usw. ungünstig sind. Ein MOS-Feldeffekttransistor umfaßt nämlich eine Quelle- und eine Abflußelektrodezone in einer Halbleiteroberfläche unter einem bestimmten Abstand, und die Quelle- und Ablaufzonen sind durch die durch den Isolierfilm induzierten Ladungen verbunden. Der Betrag der induzierten Ladungen (Oberflächenladungsdichte genannt) wird durch die Gatterelektrode gesteuert, und so wird das Quelle-Abflußverhalten gesteuert. Dementsprechend werden die elektrischen Eigenschaften des MOS-Feldeffekttransistors durch den Betrag von durch einen Isolierfilm induzierten Ladungen stark beeinflußt.
Es war Jedoch bisher nicht möglich, einen gewünschten Betrag von induzierten Ladungen zu erreichen, weil der Betrag der durch herkömmliche Isolierfilme induzierten Ladungen zu groß ist.
Eine Doppelfilmschicht aus einem SiO2-FiIm und einem Phosphorsilikatglasfilm wurde kürzlich vorgeschlagen, um die beschriebenen Nachteile zu überwinden. Da die Phosphorkonzentration im Phosphorsilikatglas relativ hoch ist, ist jedoch die Ätzgeschwindigkeit für das üblicherweise bei Isolierfilmen verwendete Ätzmittel groß, und eine Feinbemessung ist auf Grund solcher Wirkungen wie Seltenätzen usw. schwierig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit verbesserten elektrischen Eigenschaften und eine danach hergestellte Vorrichtung zu schaffen. Vor allem soll dabei durch die Erfindung eine Halbleitervorrichtung angegeben werden, bei der die durch den Passivierungsfilm induzierten.
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Ladungen gesteuert werden, und wie man eine solche Vorrichtung herstellen kann. Weiter ist Ziel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, bei dem ein Passivierungsfilm geschaffen wird, der kaum seitengeätzt ist und sich für eine genaue Bemessung eignet. Schließlich soll die Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit ziemlich stabilen elektrischen Eigenschaften und ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch eine Halbleitervorrichtung mit gesteuerten Oberflächenladungen gelöst, die durch
a) einen Halbleitergrundkörper mit wenigstens einem bis zu seiner einen Oberfläche reichenden pn-übergang;
b) einen auf der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers niedergeschlagenen Passivierungsfilm aus Siliziumdioxyd mit 300 - 1500 S Dicke; und
c) zwei oder mehr den Passivierungsfilm bedeckende Isolierfilme aus verschiedenen Isolierstoffen mit einer Dicke von je 300 - 1500 S gekennzeichnet ist, durch die an den Passivierungsfilm- bzw. Isolierfilm-Orenzflachen Ladungen induziert werden, so daß die Dichte der durch den Passivierungsfilm an der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers induzierten Oberflächenladungen durch die an den einzelnen Grenzflächen induzierten Ladungen gesteuert wird.
Die Isolierfilme bestehen zweckmäßig aus einem der folgenden Stoffe: Siliziumnitrid, Siliziumdioxyd, lorsilikatglas, Phosphorsilikatglas, Aluminiumoxyd, Aluminiumsilikatglas, Aluminiumphosphorsilikatglas und Aluminiumborsilikatglas, wobei der Passivierungsfilm und die Isolierfilme jeweils so an-
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einandergefügt sind, daß verschiedene Stoffe gegenseitig aneinander grenzen. So werden Ladungen mit einem dem der durch den SiOg-PiIm am Halbleitergrundkörper induzierten Oberflächenladungen entgegengesetzten Typ an den Grenzflächen zwischen benachbarten Isolierfilmen erzeugt und der Betrag der Oberflächenladungen auf einen bestimmten Wert gesteuert.
Das Prinzip der Erfindung basiert auf dem Befund, daß Ladungen an der Grenzfläche zwischen Isolierfilmen angesammelt werden, wenn verschiedene Arten von Isolierfilmen miteinander verbunden werden.
Diese Tatsache soll unter Bezugnahme auf Pig. I erläutert werden, die ein MOS-Siliziumelement zeigt, das aufgebaut ist, um diese Tatsache experimentell zu bestätigen. Dieses Element wird in folgender Weise hergestellt. Ein SiOp-PiIm 2 von 15OO S Dicke wird auf einer Hauptoberfläohe eines p-Leitfähigkeitstyp-Siliziumgrundkörpers 1 von 50 JL-om Widerstand durch thermische Zersetzung von SiHj, niedergeschlagen, und ein Phosphorsilikatglas 3 (SiOg/PgO,-) von 3000 Ä Dicke wird darauf durch Zumischen von PH-, zum SiHh aufgebracht. Dann werden Metallelektroden 4 und 5 an der Seite des Siliziumgrundkörpers und der Seite des Isolierfilms angebracht, um ein MOS-Siliziumelement zu schaffen.
Die Kapazität-Spannung (C-Y)-Eigenschaften des MOS-Elements werden untersucht, um den Betrag (mit N™ bezeichnet) der an der Siliziumgrundkörperoberfläche in Berührung mit dem SiOg-Film induzierten Oberflächenladungen zu ermitteln.
Nun wird der Isolierfilm 3 stufenweise von der Oberfläche abgeätzt, und der Wert N1n des MOS-Slements wird naoh jedem
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Ätzschritt gemessen. Wenn der SiO0ZP0Oe-FiIm 3 auf dem SiO0-PiIm
11 -o ■* vorliegt, ist N^1 2,5 χ 10 cm * und nahezu konstant, doch wenn der SiOg/PgOc-Pilm 3 völlig entfernt ist und nur noch der SiO0-FiIm 2 übrigbleibt, steigt der Wert von NOT rapid auf 7,5 χ ΙΟ11 cm . Wenn der SiO0-FiIm weiter abgeätzt wird, bleibt N1-,- ange-
11 -2
nähert konstant bei 7,5 χ 10 cm ·
Es ist aus den vorstehenden experimentellen Ergebnissen k abzuleiten, daß die Ladungen in der Isolierschicht, die Elektror den oder Löcher an der Halbleiteroberfläche induzieren, sich an der Grenzfläche der Isolierschichten sammeln· Dieser Befund ist neu, da man bisher annahm, daß die Ladungen im Isolierfilm, die einen Kanal bilden, gleichmäßig im Film verteilt sind·
Die Ladungsverteilung im Isolierfilm ist in Fig. 2 erläutert, die auf den vorstehenden Versuchsergebnissen basiert. In dieser Figur bezeichnet Qgg den Betrag von auf der SiOp-FiImseite der Grenzfläche zwischen dem Siliziumgrundkörper und dem SiOp-FiIm 2 induzierten Ladungen, Q bezeichnet den Betrag von an der Grenzfläche zwischen dem SiO0-FiIm 2 und dem SiOg/PpO,--FiIm J3 erzeugten Ladungen, und Q1n bezeichnet an der Elektroden- ψ seite des MOS-Eleraents (Fig. 1) hinzukommende Ladungen, wo sie einen solchen Wert haben, daß sie die Ladungen an der Oberfläche des Siliziumgrundkörpers zum Verschwinden bringen. X bezeichnet eine Entfernung zwischen der Oberfläche des Siliziumgrundkörpers und der des SiOp-Films, und XQ bezeichnet die Summe der Dicken des SiOg-Films und des SiOp/PpOc-Films·
Nun wird die Gültigkeit der vorstehend beschriebenen Mutmaßung untersucht.
Wenn eine Integralform der Poisson* sehen Gleichung auf Fig. 2 angewendet wird, erhält man
N _· * - Xo „ £o_ 0 _%S
worin 0.^ eine Arbeitsfunktion des Siliziums und des Elektrodenmetalls bezeichnet und C eine Kapazität der aus dem SiOp-FiIm und dem SlOp/Pgu^-Film 3 bestehenden Doppelschicht bedeutet. Die Dielektrizitätskonstanten des SiOg-Films und des SiOg/PgOp.-Films stimmen innerhalb von Versuchsfehlern überein und sind 4,0 + 0,2. So wird dadurch kein Einfluß hervorgerufen.
Nun wird die Beziehung zwischen dem Wert von N™ und der Dicke des SiOg-Films untersucht, wobei die Summe der Dicken des SiOg-Films und des SiOg/PgO,-*Films des in Fig. 1 gezeigten MOS-Elements konstant auf 4500 S gehalten wird. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigt. Der Gradient der Figur wird in die vorstehend genannte Poisson-Gleichung eingeführt, um Qgg zu erhal11 2
ten. Das Ergebnis ist - (Qgg/q) -^- 2,1 χ 1011 cm"2 und
Qm— 6,0 χ 1011 cm"2, was gut mit dem Wert 5*0 χ ΙΟ11 cm"2 übereinstimmt, der aus der Variation von N1-,- beim Ätzen erhalten
ÜB
wird. So wird die Existenz von Q_ algebraisch bestätigt.
Es wird entsprechend dem Experiment auch bestätigt, daß, wenn Isolierfilme übereinandergeschichtet werden, Ladungen an der Grenzzone zwischen den Filmen nicht nur im vorstehenden Fall, sondern auch in Fällen einer Kombination von verschiedenen anderen Arten von Filmen, z.B. eines SiOg-Films und eines Borsilikatglasfilms (SiOp/BpO,), eines SiOp/PpO,--Films und eines Si0p/B20,-Films, eines SiOg-Films und eines AIgO,-Films, eines SiOg-Films und eines Aluminiumsilikatglasfilms (SiOp/AlgO.,) usw. angesammelt werden.
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Der Betrag der an der Halbleiteroberfläche induzierten Ladungen wird durch den Betrag von Ladungen in einem Isolierfilm und den Abstand von der Oberfläche bestimmt. Weiter sind die an der Grenzfläche des Isolierfilms in direkter Berührung mit der Halbleiteroberfläche erzeugten Ladungen positiv, wie Fig. 2 zeigt, während an der Grenzfläche zwischen den Isolierfilmen erzeugte Ladungen negativ sind. So ergibt sich der Betrag von Ladungen, die die Halbleiteroberfläche beeinflussen, als Summe von nach dem Abstand korrigierten Ladungen.
Dementsprechend ist es möglich, den Betrag von durch den SiOg-FiIm induzierten Oberflächenladungen durch eine große Zahl von an der Grenzfläche erzeugten negativen Ladungen zu kompensieren, wenn der SiOp-FiIm auf der Halbleiteroberfläche so dünn wie möglich gemacht wird und eine große Zahl von Isolierfilmen verschiedener Arten auf der Oberfläche übereinander angeordnet werden. Der Betrag der kompensierten Ladungen wird durch die Art der Isolierfilme, die Zahl der Schichten und den Abstand zur Halbleiteroberfläche bestimmt.
Um die Ziele und die Wirkung der Erfindung zu erreichen, ist es zweckmäßig, den Isolierfilm so dünn wie möglich zu ' machen und möglichst viele Isolierschichten von verschiedenen Arten übereinanderzuschichten. Bei einem solchen PassivierungsfiIm tritt ein Seitenätzen oder die Erscheinung, daß ein besonderer Film schneller geätzt wird, kaum auf, auch wenn ein Film vorliegt, für den die Ätzgeschwindigkeit hoch ist.
Erfindungsgemäß ist es wünschenswert, viele Passivierungsfllme übereinanderzuschichten, doch wenn zu viele Filme geschieh· tet werden, wird der Abstand vom Halbleitergrundkörper groß, und die Ladungen an der Grenzfläche zwischen den Passivierungs-. filmen üben eine geringe Wirkung auf die an der Halbleiteroberfläche induzierten Ladungen aus. Empirisch wird nur nooh eine
geringe Wirkung beobachtet, wenn der Abstand zwischen der Grenzfläche und der Halbleiteroberfläche größer als etwa 6OOO S ist.
Es ist unter Beachtung des Seitenätzens und der schon beschriebenen Gründe erwünscht, daß der Passivierungsfilm so dünn wie möglich gemacht wird, und die Dicke des Passivierungsfilms liegt zweckmäßig in der Größenordnung von 3000 - 300 8.
Nun soll die Erfindung anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben werden; darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines MOS-Elements mit bekannten Passivierungsfilmen;
Fig. 2 ein Modelldiagramm zur Erläuterung der Ladungsverteilung in Passivierungsfilmen;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Betrag von an der Halbleiteroberfläche induzierten Ladungen und der Dicke des SiOg-FiIms, wenn die Dicke des SiOg-Films verändert wird;
Fig. 4 bis 6 Längsschnitte zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 7 bis 9 Längsschnitte zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 10 bis l4 Längsschnitte zur Erläuterung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 15 und 16 Längsschnitte durch einen Transistor gemäß einem weiteren Ausführungebeispiel der Erfindung; und
Fig. 17 und 18 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der
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- ίο -
Erfindung, und zwar Fig. 17 einen Längsschnitt durch eine integrierte Schaltung und Fig. 18 ein dieser äquivalentes Schaltbild.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Beispiel 1
Zur Erleichterung des Verständnisses soll dieses Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden. Es ist Jedoch festzustellen, daß die Hauptteile in der Zeichnung vergrößert sind. Der Betrag N™ der durch Niederschlagen eine Isolierschicht auf der Halbleiteroberfläche induzierten Ladungen wird durch Messen der C-V-Eigenschaften bestimmt.
Fig. 4 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet einen p-Typ-Siliziumgrundkörper von 50 Jl* cm Widerstand, und dort sind auf einer Hauptoberfläche ein SiOg-FiIm 11 von 1500 S Dicke, der durch thermische Zersetzung von Silan erzeugt wurde, weiter ein SiOg/BgO^-Film von 1000 & Dloke, der duroh Zumischen von BHv-Dampf zur Zeit der thermischen Zersetzung des Silans erhalten wurde, und ein SiOp/PpOc-Film 13 von 1000 Ä Dicke niedergeschlagen, der duroh Zumischen von PH,-Dampf zur Zeit der thermischen Zersetzung des Silans erhalten wurde«
Der Betrag der auf dem Siliziumgrundkörper eines aus der Halbleiterprobe erhaltenen MOS-Elements induzierten Ladungen
11 —2
(Kanalkonzentration) erweist sioh zu 1 χ 10 om . Wenn der
13 nicht niedergeschlagen wird, d.h. bei einer Doppelschioht des SiOg-Pilms 11 und des SiOg/BgO^FlJjae 12 ist
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- li -
11 -2 der Betrag der induzierten Ladungen 5 x 10 cm , So sieht man, daß der Betrag der an der Halbleiteroberfläche induzierten Ladungen durch Verwendung einer Dreifachschicht reduziert wird.
Wenn nun ein SiOg/BgOyFilm l4 (Pig. 5) von 1000 S Dicke auf dem SiOg/PgOc-Pilm 13 nach Pig. 4 niedergeschlagen wird, ist die Oberflächenladungsdichte auf der Siliziuraoberfläche
IO -2
auf 1 χ 10 cm reduziert.
Wenn ein SiO2ZP2O5-PiIm 15 (Pig. 6) von 1000 S Dicke auf dem SiOg/BgO-a-Film 14 nach Pig. 5 niedergeschlagen wird, wird die Ladungsdichte auf der Siliziumgrundkörperoberfläche 0 Q -2
10^ cm , was aus Messungen der C-V-Eigenschaften nicht feststellbar ist, und eine solche Situation ist praktisch einem Zustand gleichwertig, in dem überhaupt keine Ladungen induziert werden.
Wenn die in Fig. 4 bis 6 gezeigten Passiv!erungsfilme an einer Halbleitervorrichtung angebracht werden, werden nicht nur die Oberflächenladungen durch die Passivierungsfilme induziert, sondern muß auch eine Stabilisierung der elektrischen Eigenschaften erreicht werden.
Um die Stabilität der elektrischen Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung mit diesen Passivierungsfilmen zu prüfen, werden Elektroden an der Isolierfilmseite und der Siliziumgrundkörperseite jedes MOS-Elements nach den Fig. 4 bis 6 angebracht, und eine B-T-Behandlung (Vorspannungs-Temperaturbehandlung) wird durchgeführt, indem man das MOS-Element bei 2500C für 50 Minuten exponiert, während ein elektrisches Feld von 10 V/cm einwirkt. Dann prüft man die C-V-Eigenschaften, um den Wert von an der Halbleiteroberfläche zu messen. Es ergibt sich, daß
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der Wert von N^ nach dem genannten B-T-Behandlungstest etwas ansteigt. Bei einem bekannten MOS-Element unter Verwendung einer Doppelsohicht aus einem SiOp-PiIm und einem SiOp/BpO,-PiIm als Passivierungsfilm wächst der Wert um etwa das 1,5-fache des Ausgangswertes.
Durch den B-T-Behandlungstest wird bewiesen, daß die elektrischen Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ziemlich stabil sind.
Beispiel 2
Nun soll ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden.
In Fig. 7 bezeichnet 20 einen p-Typ-Siliziumgrundkörper von 50 J"l-cm Widerstand. Es sind an einer Hauptoberfläche des Siliziumgrundkörpers ein SiO2-PiIm 21 von 1500 S Dicke nach Erzeugung durch thermische Zersetzung von Silan, ein
Si0o/Po0(--Pilm 22 von 1000 S Dicke durch Beimischen von PH,-2' 2 5 ρ« 3
Dampf / 3 1 \ zu Silandampf und ein SiOo/B00,-
K SiH4 ~ 10 ; £ d *
Film 23 von 1000 S Dicke durch Beimischen von BgHg-Dampf
BpHx- .
(—«Tür = Tr> ) zu Silandampf vorgesehen.
Elektroden werden am Passivierungsfilm 23 und am Siliziumgrundkörper eines solchen Elements angebracht, um ein MOS-Element zu bilden, und die Dichte der auf der Siliziumgrundkörperoberfläche direkt unter dem Isolierfilm induzierten Ladungen wird aus den C-V-Eigenschaften gemessen und erweist sich zu etwa 5 χ 10 cm~2. Wenn der Si0p/B20,-Film 23 nicht niedergeschlagen wird, d.h. bei einer Doppelschicht aus dem
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SiO0-FiIm 21 und dem SiO0ZP0O1T-PiIm 22 ist die Dichte der induzierten Oberflächenladungen 6 χ 10 cm .
Aus diesem Ergebnis ersieht man, daß die Dichte der in der Halbleiteroberfläche induzierten Ladungen durch Verwendung einer solchen Dreifach-Schicht reduziert wird.
Wenn ein SiOg/PgO^-Pilm von 1000 S Dicke auf dem FiIm 23 gemäß Fig. 8 niedergeschlagen wird, ergibt sich eine Dichte der auf der Siliziumoberfläche induzierten Ladungen von 2 χ 1011 cm"*2.
Wenn weiter ein SiOg/BgO^-Film 25 von 1000 fi Dicke auf dem Si0p/Po0t--Film 24 nach Fig. 9 niedergeschlagen wird, ist die Dichte der auf der Siliziumgrundkörperoberfläche induzier-
11 P
ten Ladungen 2,6 χ 10 cm . So sieht man, daß eine ■Vierfachoder Fünffachechicht gemäß Fig. 8 bzw. 9 eine niedrigere Oberflächenladungsdichte als die in Fig. 7 gezeigte Dreifachschicht aufweist.
Beispiel 3
Fig. 10 bis l4 zeigen Längsschnitte zur Erläuterung der Schritte zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein Widerstandselement 31* ein Transistorelement 32 und ein Diodenelement 33 werden in einem Halbleitergrundkörper 30 nach bekannten Diffusionsteohniken erzeugt. Dann wird der ganze als Diffusionsmaske verwendete SiOg-FiIm durch ein HF-Ätzmittel zwecks Freilegung der Oberfläche des Grundkörpers 30 weggeätzt, und die Oberfläche des Grundkörpers 30 wird mit entionisiertem reinen oder destilliertem Wasser gereinigt.
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Dann wird das Element in ein Ätzmittel aus HF/HNO-, = 3/5 einige Sekunden eingetaucht, und die Oberfläche wird etwas behandelt, um die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Die Oberfläche wird weiter mit entionisiertem reinem Wasser gereinigt (Fig. 10). Nachher wird der Grundkörper 30 zwecks Monosilan (SiHj.)-Oxydierung in einen Reaktionsofen übertragen und auf einer heißen Platte von 350 - 400°C montiert, die mit einer Geschwindigkeit von 20 - 40 U/min rotiert. Eine Gasmischung aus mit Stickstoff verdünntem (4#igem) SiH2^ von 0,8 l/min, N2 von 4,8 l/min und Og von 0,5 l/min wird in die Umgebung des Grundkörpers 30 im Reaktionsofen zur Einleitung der Reaktion
SiH2^ + O2 » SiO2 + H2O
eingeführt, und ein sauberer SiOg-PiIm 34 von etwa 0,2/U (2000 S) Dicke wird so auf der Oberfläche des Grundkörpers 30 mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von 0,2 bis 0,3 /u/min gemäß Pig. 11 erzeugt. Dann wird BgHg-Gas in den Reaktionsofen eingeführt, so daß das Verhältnis SiH2^B2H6 etwa 4 bis 40 bei 400 35O0C ist, um einen Borsilikatglasfilm (SiOg/BgO,) 35 auf dem SlO2-PiIm 34 mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von 0,4 bis °'3 /u/min gemäß Fig. 12 zu bilden. Anschließend wird PH,-Gas so eingeführt, daß das Verhältnis von SiH^/PH, 5 bis 500 werden kann, um einen Phosphorsilikatglasfilm (SiOg/PgOc) 36 entsprechend Pig. 13 zu bilden. Dann werden Löcher an den Teilen des SiOg-Pilms 34, des SiOg/BgO^-Pilms 35 und des SiOg/PgOc-Fllms 36 vorgesehen, die den Elektrodenteilen jedes Schaltkreiselementes des Grundkörpers 30 entsprechen. Metall 37 wie Aluminium wird auf alle Oberflächen (Flg. 14) aufgedampft, und überflüssige Teile des Aufdampffilms werden entsprechend einem bestimmten Schaltkreisaufbau zwecks Erhaltene einer integrier-
ten Halbleiterschaltung weggeätzt.
Wenn der Halbleitergrundkörper vom p-Leitfähigkeitstyp ist, wie im Fall der integrierten Halbleiterschaltung nach Pig. l4, werden an der Halbleiteroberfläche in erheblichem Umfang Elektronen induziert und n-Typ-Kanäle an der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt. Um zu verhindern, daß ein elektrischer Kurzschluß oder eine unvollkommene Trennung der Schaltkreiselemente auf Grund dieser n-Typ-Kanäle auftritt, ist es üblicherweise nötig, eine p-Typ-Hoehverunreinigungsdiffusionsschicht um das Schaltkreiselement herum vorzusehen. (Dies ist als kreisförmiger Ring in Fachkreisen bereits bekannt).
In einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß der Erfindung nach Fig. 14 ist es, da die Dichte der induzierten Oberflächenladungen niedrig ist, nicht erforderlich, die Schaltkreiselemente mit einer p-Typ-Hochverunreinigungsdiffusionsschicht zu umgeben.
Weiter hat die Erfindung Vorteile, die sich daraus ergeben, daß nicht nur SiOg-Filme, die durch Vorbehandlung wie Diffusion vor der Erzeugung eines reinen SiOp-Films verunreinigt sind, fortfallen, sondern auch die Oberfläche des darunterliegenden Siliziumgrundkörpers etwas geätzt ist.
Der Teil der Siliziumoberfläche, der in Berührung mit dem als Diffusionsmaske verwendeten SiOp-FiIm steht, ist nämlich eine Schicht, an der verschiedene Verunreinigungen niedergeschlagen werden. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, daß Verunreinigungen in Silizium oder an seiner Oberfläche auf Grund des Unterschiedes im Trennungskoeffizienten und dergleichen kaum vom SiOg aufgenommen werden, wenn Silizium von der Oberfläche oxydiert wird, und diese Erscheinung tritt
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stets, d.h. unabhängig von der Art der Verunreinigung auf. Es ist bekannt, daß die Loch-Elektron-Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit in einer Siiiziumoberflache auf Grund der Wirkung der Bildung von Einfangsschwellen durch Verunreinigungen usw. ansteigt und sich der Anstieg des Sperrstromes an p-n-Übergängen, die Erniedrigung von Stromverstärkungsfaktoren, die Erzeugung von Geräuschen usw. daraus ergeben. Wenn der als Diffusionsmaske verwendete SiO0-PiIm vorhanden bleibt, leiden die Schaltkreiselemente unter diesen Fehlern, doch können diese Nachteile durch Entfernen dieses SiOg-Films überwunden werden, da der Oberflächenteil des Siliziumgrundkörpers etwas abgeätzt werden kann.
Beispiel 4
Fig. 15 und 16 zeigen die Schritte zur Herstellung eines Transistors. Ein SiOp-FiIm wird auf der Oberfläche eines n-Typ-Siliziumgrundkörpers 40 durch Hochtemperaturoxydation erzeugt, Löcher werden an bestimmten Stellen durch Photoätzen vorgesehen, und eine p-Typ-Diffusionsschicht 4l und eine n-Typ-Diffusionsschicht 42 werden durch Eindiffundieren einer p-Typ-Verunreinigung und anschließend einer n-Typ-Verunreinigung unter selektiver Diffusion bei Benutzung des SlOp-Films als Maske erzeugt. Dann wird der SiOp-FiIm, der als Maske zur Verunreinigungsdiffusion verwendet wurde, völlig durch eine Mischlösung von Fluorsäure und Salpetersäure als Ätzmittel weggeätzt, und auch die Siliziumgrundkörperoberfläche wird etwas geätzt.
Anschließend werden abwechselnd ein SiOp-FiIm von 1000 Ä Dicke und ein Si0p/Bp0--Film von 500 8 Dicke durch thermische Zersetzung von Silan und durch Zumischen von BoHg-Dampf zu dem Silandampf erzeugt. In der Figur bezeichnen 4j3, 45, 47
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und 49 SiOg-Fiime und 44, 46, 48 und 50
Dann werden durch Photoätzteohnik Löcher 51, 52 und 53 in dem Isolierfilm aus 8 Schichten vorgesehen und die Siliziumoberfläche teilweise freigelegt. Dann wird Aluminium in den Löchern zur Bildung von Elektroden 54, 55* 56 eines Transistors niedergeschlagen, wobei 54 eine Kollektorelektrode, 55 eine Basiselektrode und 56 eine Emitterelektrode sind.
Die Passivierungsfilme des Elements nach Fig. 16 werden erzeugt, indem man jede Schicht so dünn wie möglich macht und im Gegensatz zur herkömmlichen Doppelschicht viele Schichten übereinanderlegt. So ist die Dichte der an der Halbleitergrundkörperoberfläche induzierten Ladungen niedrig, und die elektrischen Eigenschaften des Films sind stabil. Seitenätzen einer besonderen Schicht, was bei herkömmlichen Filmen störend ist, tritt kaum auf, da jede Schicht dünn ist und Löcher hergestellt werden können, deren Abmessungen genau mit dem Photowiderstandsfilm beim Photoätzen übereinstimmen. Der Vielschicht-Passivierungsfilm gemäß der Erfindung hat stabile elektrische Eigenschaften und ist zum genauen Arbeiten geeignet.
Beispiel 5
Nun soll eine grundsätzliche integrierte Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Kombination von Widerständen und Transistoren beschrieben werden. Inte grierte Schaltungen werden üblicherweise aus vielen aktiven Elementen, wie Transistoren, Dioden usw. und passiven Elementen, wie Widerständen, Kondensatoren usw. hergestellt, doch sollen sie als modifizierte Yersion des Ausführungsbeispiele betrachtet werden.
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Fig. 17 zeigt eine integrierte Transistor- und Widerstandsschaltung.
Hier bezeichnet 60 einen p-Typ-Siliziumgrundkörper, auf dessen einer Hauptoberflache eine n-Typ-Siliziumepitaxialschicht 6l erzeugt ist. Eine p+-Typschicht 62 ist in der Epitaxialschicht durch selektive Diffusion (Isolierungsdiffusion) einer p-Typverunreinigung erzeugt, und die Epitaxialschicht ist in eine Mehrzahl von elektrisch getrennten Zonen unterteilt. Dann sind p-Typ-Verunreinigungsdiffusionszonen 63, 64 und eine n-Typ-Verunreinigungsdiffusionszone 65 in den getrennten Epitaxialschichten durch selektive Diffusion einer Verunreinigung erzeugt. Die p-Typ-Verunreinigungsdiffusionszone 65 bildet ein Widerstandselement einer integrierten Schaltung, die Zone 64 bildet eine Basisschicht des Transistors, und die n-Typ-Verunreinigungsdiffusionszone 65 bildet eine Emitterschicht des Transistors. Die n-Typ-Epitaxialschicht 61, in der die Basisschicht 64 gebildet ist, wird eine Kollektorschicht des Transistors.
Um einen Passivierungsfilm auf der Oberfläche des integrierten Schaltungselements gemäß der Erfindung anzubringen, wird der SiOg-PiIm, der als Maske beim selektiven Diffundieren einer Verunreinigung in die Halbleiteroberfläche verwendet wurde, völlig weggeätzt, und die freigelegte Halbleiteroberfläche wird ebenfalls etwas abgeätzt. Dann wird der SlO2-FiIm auf der Oberfläche des integrierten Schaltungselementes duroh thermische Zersetzung von Silan angebracht. Nachdem ein SiO2-FiIm 66 bestimmter Dicke erhalten ist, wird der SiO2ZFo0C-FiIm 67 duroh Zumischen von PH,-Dampf zum Silandampf erzeugt. Nachdem die Doppelschicht erhalten 1st, werden wieder an jeder Elektrode des Widerstandes und Transistors Löcher gebildet. Dann wird Aluminium über die ganze Oberfläche niedergeschlagen
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und an unerwünschten Stellen durch Photoätzen entfernt, um die Aufdampfverdrahtung oder Elektroden 68 bis 71 zu bilden.
In der beschriebenen Weise wird eine bekannte integrierte Schaltung hergestellt. Erfindungsgemäß werden weiter ein SiOg-FiIm 72 und ein SiOg/BgO^-Pilm 75 auf den beiden Passivierungsfilmen erzeugt. Sie werden in bekannter Weise hergestellt. Dann werden Löcher in der doppelten Schicht des SiOp-PiIms 72 und des SiOp/BgO-,-Films 73 zur Bildung von Aluminiumelektroden 74, 75, 76 und 77 angebracht.
Fig. 18 ist ein Schaltbild der in Fig. 17 dargestellten integrierten Schaltung, wobei die Elektroden 80 bis 83 den Aluminiumelektroden 74 bis 77 in Fig. 17 entsprechen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Filme 72 und die Wirkung der Stabilisierung der aufgedampften Verdrahtung zusätzlich zu den Wirkungen der Stabilisierung der Oberfläche der integrierten Schaltung und der Verringerung der induzierten Ladungen.
Wie sich aus der näheren Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung klar ergibt, hat die Erfindung folgende Vorteile.
(l) Verschiedene Arten von Isolierfilraen werden auf der Oberfläche eines Halbleiters erzeugt, und der Betrag der induzierten Oberflächenladungen wird durch die Ladungen an der Grenze zwischen den Isolierschichten gesteuert. Dementsprechend ist es möglich, leicht eine Halbleitervorrichtung herzustellen, die eine geringe Oberflächenladungsdichte aufweist.
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(2) Es werden dünnere Isolierfilme zur Erreichung der Ziele der Erfindung vorgezogen. So tritt kein Seitenätzen bei Photoresist-Behandlungen von Passivierungsfilmen auf, und die Filme sind zum Feinbemessungs-Verfahren geeignet.
(3) Die Stabilität der elektrischen Eigenschaften ist gut, wie durch den B-T-Behandlungsversuch bestätigt wird.
(4) Da keine Stufe von Fassivierungsfilmen wie bei einem Planartyp-Transistor usw. bei einem Passivierungsfilm gemäß der Erfindung vorliegt, treten Störungen wie Bruch von Verdrahtungselektroden, Kurzschluß von Verdrahtungselektroden und darunterliegenden Grundkörpern auf Grund von Poren usw. nicht auf, und die Verläßlichkeit ist hoch.
Obwohl lediglich Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, in denen Silizium als Halbleiter und SiOp, SiOp/BpÖ^ und SiOp/PpOc als Passivierungsfilme verwendet werden, sind diese nur Beispiele. Es ist für Fachleute klar, daß auch andere Halbleiter wie Ge, GaAs, GaP, InSb, InP usw. verwendet werden können und auch andere Passivierungsfilme wie AIpO.,, Si-JN^, usw. verwendbar sind.
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Claims (2)

  1. Patentansprüche
    Halbleitervorrichtung mit gesteuerten Oberflächenladungen, gekennzeichnet durch
    a) einen Halbleitergrundkörper (z.B. 30) mit wenigstens einem bis zu seiner einen Oberfläche reichenden pn-Übergangj
    b) einen auf der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers niedergeschlagenen Passivierungsfilm (z.B. ?4) aus Siliziumdioxyd mit 300 bis 1500 S Dicke; und
    c) zwei oder mehr den Passivierungsfilm bedeckende Isolierfilme (z.B. 35» 36) aus verschiedenen Isolierstoffen mit einer Dicke von je 300 bis 15OO S , durch die an den Passivierungsfilm- bzw. Isolierfilm-Grenzflächen Ladungen induziert werden, so daß die Dichte der durch den Passivierungsfilm an der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers induzierten Oberflächenladungen durch die an den einzelnen Grenzflächen induzierten Ladungen gesteuert wird.
  2. 2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch I9 dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierfilme (z.B. 35* 36) unter Siliziumnitrid, Siliziumdioxyd, Borsilikatglas, Phosphorsilikatglas, Aluminiumoxyd, Aluminiumsilikatglas, - Aluminiumphosphorsilikatglas und Aluminiumborsilikatglas gewählt und daß der Passivierungsfilm und die Isolierfilme so aneinandergefügt sind, daß verschiedene Stoffe gegenseitig aneinandergrenzen.
    3· Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Isolierfilm (35) aus Borsilikatglas den Passivierungsfilm (34) und ein zweiter Isolierfilm (36) aus Phosphorsilikatglas den ersten Isolierfilm (35) bedeoken und an verschiedenen halbleitenden Bereichen des HaIb-
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    leitergrundkörpers (30) Elektroden (37) angeschlossen sind.
    4·. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Isolierfilmen (z.B. 35, 36) weitere Isolierfilme, abwechselnd aus Borsilikatglas und Phosphorsilikatglas, mit einer Dicke von je 300 bis 1500 8 angebracht sind.
    w 5· Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch
    a) Erzeugen einer Maskierschicht aus Siliziumdioxyd mit einer öffnung auf einer Oberfläche eines Halbleitergrundkörpers;
    b) Diffundieren einer bestimmten Verunreinigung durch die öffnung der Maskier schicht zur Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit verschiedenen halbleitenden Bereichen und einem zwischen diesen bis zur Oberfläche reichenden pn-übergang;
    c) völliges Entfernen der Maskierschicht;
    d) Aufbringen eines Passiv!erungsfilmes aus Siliziumdioxyd mit 300 bis 15OO Ä Dicke auf den an der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers freigelegten pn-übergang zwecks Stabilisierung des elektrischen Zustandes des ph-Überganges;
    e) weiteres Aufbringen von zwei oder mehr Isolierfilmen auf den Passivierungsfilm in der Weise, daß jeder Isolierfilm an Filme aus anderem Isolierstoff grenzt und die Dicke jedes Isolierfilms 300 bis 15OO Ä beträgt, wodurch die Dichte der durch Aufbringen des Passivierungsfilmes auf die Oberfläche des Halbleitergrundkörpers induzierten Oberflächenladungen durch die an den Passivierungsfilm- bzw. Isolierfilm-Grenz-
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    flächen induzierten Ladungen gesteuert wirdj
    f) Erzeugen von Löchern in der Passivierungsfilm- und Isolierfilmschieht zwecks Freilegung der halbleitenden Bereiche des Grundkörpers; und
    g) Niederschlagen von Metallkontakten durch diese Löcher auf den halbleitenden Bereichen.
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