DE2052221C3 - Verfahren zum Erzeugen einer Siliciumoxidschicht auf einem Süiciumsubstrat und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen einer Siliciumoxidschicht auf einem Süiciumsubstrat und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Siliciumoxidschicht auf einem Siliciumsubstrat, bei dem ein erster Gasstrom aus Sauerstoff und ein zweiter Gasstrom aus einem inerten Gas gemischt über das Siliciumsubstrat geführt werden, während dieses gleichzeitig erwärmt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 34 60 003 bekannt. Mit diesem bekannten Verfahren ist es nicht möglich, die für die Erzeugung von Halbleiterelementen erforderlichen Genauigkeiten mit einer wirtschaftlich vertretbaren Anzahl von Verfahrensschritten zu erreichen, die bei der Massenproduktion notwendig sind, um die elektrischen Parameter der Bauelemente in engen vorgegebenen Toleranzbereichen zu halten.
Aus der US-PS 34 26 422 ist ein Verfahren zur Bildung einer Oxidschicht auf einem Siliciumsubstrat bekannt. Das Substrat wire" in einem Behälter, z. B. einer geschmolzenen Quarzröhre, erwärmt, während trockener oder feuchter Sauerstoff über das Substrat geleitet wird. Dieses bekannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß bei der Ablagerung sehr dünner Siliciumoxidschichten, z. B. weniger als 200 A, die Zeit, die zur Durchführung der Oxidation erforderlich ist, sehr kurz ist, so daß die Steuerung bei einer Reproduktion dieses Verfahrens sehr schwer ist. Die Qualität der Schicht ist für viele Anwendungsbereiche nicht ausreichend.
Aus der DE-AS 12 87 411 ist es bei einem Verfahren zum Herstellen einer Oxidschicht auf der Oberfläche eines Siliciumkristalls bekannt, vor dem Erwärmen des Siliciumsubstrats in dem Behälter befindliche Oxidas tionsgase mit Hilfe eines nur aus einem inerten Gas bestehenden Gasstromes herauszuspülen und das Siliciumsubstrat auf 1000°C zu erwärmen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Oxidschicht auf einem Siliciumsubstrat zu schaffen, mit dem in wenigen Verfahrensschritten qualitativ hochwertigere und exakt vorbestimmbare Oxidschichten reproduzierbar erzeugt werden können.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erwärmen des Siliciumsubstrats in dem Behälter
■ 5 befindliche Oxidationsgase mit Hilfe eines nur aus dem inerten Gas bestehenden Gasstromes herausgespült werden, daß nach dem Erwärmen des Siliciumsubstrats der erste und der zweite Gasstrom in einer gemeinsamen Eingangsleitung derart gemischt werden, daß die Durchflußgeschwindigkeit des ersten Gasstromes etwa 4% der Durchflußgeschwindigkeit der Summe des ersten und zweiten Gasstromes beträgt und daß nach dem Erreichen der gewünschten Dicke der Siliciumoxidschicht die Zuführung des ersten Gasstromes geschlossen wird.
Das die Erfindung aufweisende Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von MNOS-Feldeffekttransistoren, da diese z. B. in Großserienfertigung mit exakt vorbestimmbaren elektrischen Kennwerten hergestellt werden können, wodurch der Ausschuß vermindert wird. Diese Transistoren werden in bistabilen Kippschaltungen verwendet, die als Datenspeicher geeignet sind. Sie benötigen eine sehr dünne Oxidschicht, die z. B. 50 Ä dick sein kann.
Das die Erfindung aufweisende Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Zeichnungen näher beschrieben. In diesen zeigt
Fig. 1 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein Gerät, das zur Durchführung des die Erfindung aufweisenden Verfahrens geeignet ist;
F i g. 2 eine graphische Darstellung der Wachstumsgeschwindigkeit einer nach dem die Erfindung aufweisenden Verfahren hergestellten Siliciumdioxidschicht.
Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, werden Siliciumkristalle 16 in einem als Epitaxialreaktor dienenden Behälter 14 auf ein Aufnahmeteil 17 aufgesetzt, das aus Kohle besteht. Der Behälter 14 wird sequenziell ausgepumpt und für zwei Minuten von einem Stickstoffgas mit einer Geschwindigkeit von 30 1 pro Minute durchflossen. Eine Vakuumpumpe 8 saugt das Stickstoffgas von einem Behälter 10 durch den Behälter 14. Durch den Stickstoffgasstrom wird das gesamte Oxidationsgas aus dem Behälter 14 entfernt. Der Stickstoffgasstrom wird durch ein Eingangsventil 22 gesteuert, das mit einer Eingangsleitung 23 verbunden ist. Das Stickstoffgas gelangt über ein Ausgangsventil 20 in die freie Atmosphäre. Das Siliciumkristall 16 auf dem rotierenden Aufnahmeteil 17 wird auf eine Temperatur zwischen 7000C und UOO0C erwärmt. Vorzugsweise wird eine Temperatur von etwa 10000C gewählt. Die erforderliche Wärme wird von einer Induktionsspule 26 direkt in dem Behälter 14 erzeugt. Die Spule 26 ist unmittelbar unter dem rotierenden Aufnahmeteil 17 angeordnet. Sie wird durch ein Netzgerät 28 mit Hochfrequenz erregt. Der Druck in dem Behälter 14 liegt nun etwas über dem normalen atmosphärischen Druck.
Nun gelangt Sauerstoff von einem Behälter 32 über
ein Steuerventil 36 und die Eingangsleitung 23 mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 1,2 1 pro Minute in den Behälter 14. Die Durchflußgeschwindigkeit des in den Behälter 14 einströmenden Sauerstoffs beträgt 3,84% von der gesamten Durchflußgeschwindigkeit. Auf dem Siliciumkristall 16 entsteht nun eine Oxidschicht 50.
Der verdünnte Sauerstoffgasstrom in dem Stickstoffgasstrom ermöglicht die Bildung einer 70 A dicken Siliciumdioxidschicht auf dem Siliciumkristall 16 innerhalb von 20 Minuten. Das Zeit-Dicke-Verhältnis geht aus der Kui ve A in F i g. 2 hervor. Die Dicke ist vertikal in Angström und die Zeit horizontal in Minuten aufgetragen. Die Oxidationstemperatur beträgt dabei 10000C. Wenn die Oxidationszeit nur 15 Minuten beträgt, entsteht gemäß F i g. 2 eine 52,5 Ä dicke ι .s Siliciumoxidschicht 50 auf dem Siliciumkristall 16. In einem Ausführungsbeispiel des die Erfindung aufweisenden Verfahrens oxidiert das Siliciumkristall 16 15 Minuten lang unter den oben genannten Bedingungen. Das Ventil 36 wird dann geschlossen und der :o Stickstoffgasstrom so lange aufrechterhalten bis der gesamte Sauerstoff aus dem Behälter 14 entfernt ist. Die Siliciumkristalle 16 können nun gekühlt und aus dem Behälter 14 entnommen werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Siliciumnitridschicht 58 vor der K 'ihlung abgelagert.
Eine 1000 Ä dicke Siliciumnitridschicht 58 wird ebenfalls bei 10000C auf der Siliciumoxidschk it 50 in dem Behälter 14 gebildet. Dazu wird Siliciumalkyl von einem Behälter 70 über ein Ventil 62 und die Eingangsleitung 23 in den Behälter 14 gebrc:ht. Gleichzeitig gelangt Ammoniak aus einem Behälter 72 über ein Ventil 66 und die Eingangsleitung 23 für etwa zwei Minuten in den Behälter 14. In Anbetracht der kurzen Ablagerungsperioden für die Oxidschicht und für die Siliciumnitridschicht findet keine wesentliche Veränderung in der Akzeptorkonzentration der p-Bereiche 52 und 54 statt Diese Bereiche, die als Source- und Drain-Elektroden dienen, wurden zuerst in dem η-dotierten Siliciumkristall 16 gebildet. Das mit Siliciumnitrid-Siliciumoxid beschichtete Siliciumkristall 16 wird nun gekühlt und aus dem Behälter 14 entfernt.
Das teilweise vorgearbeitete Siliciumkristall 16 bildet nun einen nicht verdampfbaren Metall-Siliciumnitrid-Siliciumoxid-Siliciumfeldeffektspeichertransistor (MNOS). Die Gate-Elektrode, die z. B. aus Aluminium bestehen kann, wird durch ein Vakuum-Aufdampfverfahren und durch einen entsprechenden Heizvorgang auf der Siliciumnitridschicht 58 erzeugt. Auf den p-Bereichen 52 und 54 werden eine Source- und eine Drein- Elektrode ebenfalls durch ein Vakuumdampfverfahren und durch einen Ätzvorgang erzeugt. Der Metall-Nitridoxidsilicium-iMNOS) Feldeffektspeichertransistor ist nun komplett. Durch die langsame Bildung der dünnen Siliciumoxidschicht 50 durch thermische Oxidation entsteht an der Grenzfläche zwischen der Siliciumoxidschicht 50 und dem η-dotierten Bereich des Transistors keine Elektronenfalle. Mit Hilfe der Süiciumoxidschicht 50 wird bereits bei der Herstellung des M NOS-Feldeffektspeichertransistors festgelegt, daß diese Transistoren später eine geringe Drift aufweisen. Die nach dem die Erfindung aufweisenden Verfahren hergestellten Siliciumoxidschichten 50 auf den Siliciumkristallen 16 verzögern die Bildung von Elektronenfallen in den Siliciumoxidschichten der Feldeffekttransistoren.
Ein MNOS-Feldeffektspeichertransistor, dessen Siliciumdioxidschicht nach dem die Erfindung aufweisenden Verfahren hergestellt wird, weist eine geringe Arbeitsdrift auf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

  1. Patentansprüche:
    ί. Verfahren zum Erzeugen einer Siliciumoxidschicht auf einem Siliciumsubstrat, bei dem ein erster Gasstrom aus Sauerstoff und ein zweiter Gasstrom aus einem inerten Gas gemischt über das Siliciumsubstrat geführt werden, während dieses gleichzeitig erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erwärmen des Siliciumsubstrats (16) in dem Behälter (14) befindliche Oxidationsgase mit Hilfe eines nur aus dem inerten Gas bestehenden Gasstromes herausgespült werden, daß nach dem Erwärmen des Siliciumsubstrats der erste und der zweite Gasstrom in einer gemeinsamen Eingangsleitung (23) derart gemischt werden, daß die Durchflußgeschwindigkeit des ersten Gasstromes etwa 4% der Durchflußgeschwindigkeit der Summe des ersten und zweiten Gasstromes beträgt und daß nach dem Erreichen der gewünschten Dicke der Siliciumoxidschicht (50) die Zuführung (36) des ersten Gasstromes geschlossen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumsubstrat auf eine Temperatur erwärmt wird, die zwischen 7000C und 11000C liegt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumsubstrat auf 10000C erwärmt wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (14) vorgesehen ist, der eine Eingangsleitung (23) und eine Absaugevorrichtung (20, 8) aufweist, und daß die Eingangsleitung (23) über ein Ventil (22) mit einem das inerte Gas beinhaltenden Behälter (10) und über ein zweites Ventil (36) mit einem den Sauerstoff beinhaltenden Behälter (32) verbunden ist.
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