DE2056947B2 - Verfahren zur Stabilisierung von Halbleiteranordnungen - Google Patents
Verfahren zur Stabilisierung von HalbleiteranordnungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung von Halbleiteranordnungen mit einer die
Halbleiteroberfläche bedeckenden SiO2-Schicht und
einer auf die Oxidschicht aufgebrachten Metallelektrode gegen Ionendrift, bei dem in der Oxidschicht
bewegliche Fremdionen gebunden werden. MOS-Strukturen werden in der Halbleitertechnik in vielfältiger
Weise verwendet. Die Gateregion von IGFETS ist eine MOS-Struktur ebenso wie alle Gebiete
in integrierten Schaltungen, die eine Metallbelegung auf einer Oxidschicht enthalten. MOS-Kondensatoren
können auch als Varaktoren verwendet werden. Es ist bekannt, daß die besten Grenzflächeneigenschaften,
insbesondere geringe Oberflächenzustandsdichte, bei thermisch oxidierten Siliziumoberflächen
erzielt werden. Andererseits hat sich gezeigt, daß die SiO„-Schichten besonders anfällig gegen
Ionenwanderungseffekte sind, wobei insbesondere Na-Ionen als gefährlich nachgewiesen wurden. Na-
Ionen gelangen während oder nach der Oxidation als
Spurenverunreinigungen in das Innere oder an die Oberfläche des Oxids. Nach der üblichen Aufdampfung
einer Metallschicht ist die Struktur gegen eine solche Verunreinigung abgeschirmt. Der nachteilige
ίο Einfluß der Na-Ionen auf die Stabilität von Bauelementen,
die eine MOS-Struktur enthalten, ist folgender: Legt man eine positive Spannung an die Metallelektrode
und erhitzt das Element auf etwa 100 bis 200 ° C1 so wandern alle Ionen wegen ihrer positiven
Ladung zur Haltleiteroberfläche und erzeugen dort eine positive Raumladung. Diese Raumladung beeinflußt
das Oberflächenpotential im Halbleiter und ändert z. B. die Schv/ellspannung von Feldeffekttransistoren.
Diese Verschiebung des Oberflächenpotentials ist aber nicht stabil, sondern kann bei Wegnahme
der Spannung oder durch e;ne negative Spannung an der Elektrode wieder rückgängig gemacht
werden. Da Temperaturen in der oben angegebenen Größenordnung bei Betrieb von Bauelementen
zusammen mit wechselnden Spannungsbelastungen vorkommen, ist diese Art der Instabilität höchst
unerwünscht.
Dem S»and der Technik entsprechende Verfahren zur Verhinderung der Ionenwanderung sind folgende:
Das erste besteht in der Verbindung des Einbaus von Natrium-Ionen durch größtmögliche Reinhaltung
aller Produktionsschritte. Dieses Verfahren ist außerordentlich schwierig und aufwendig, da die Gesamtmenge
der Natrium-Ionen unter 1011 pro cm3 gehalten
werden muß. Das Verfahren der natriumfreien Produktion kann daher nur bei besonders anspruchsvollen
und aufwendigen Bauelementen angewandt werden.
Das zweite Verfahren (IBM Journal, Band 8, Heft 4 (Sept. 1964), S. 376 bis 384) besteht im Einbau
einer phosphorhaltigen Zone in die Oxidschicht. Phosphor wirkt als Getter und vermag freie Natrium-Ionen
zu binden. Nachteile der Phosphorbehandlung liegen darin, daß Phosphor ein Dotierungselement für
Silizium ist, der nicht an die Oberfläche des Siliziums vordringen darf. Außerdem wurde festgestellt, daß
phosphorhaltige Oxidschichten eine hohe Polarisierbarkeit haben, welche sich auf das Oberflächenpotential
in ähnlicher Weise wie die Ionenwanderung auswirkt. Da die Dotierung des Oxids mit Phosphor auf
dem Weg über eine Hochtemperaturreaktion verläuft, kann man nur relativ dicke Oxidschichten auf diese
Weise behandeln.
Das dritte Verfahren besteht in der Verwendung von Sandwichstrukturen mit mindestens zwei verschiedenen
dielektrischen Deckschichten. Die gebräuchlichste Form dieses Verfahrens besteht darin,
daß erst durch thermische Oxidation eine dünne Oxidschicht auf dem Siliziumsubstrat erzeugt wird
und dann eine für Natrium weniger durchlässige Deckschicht (z. B. Si3N4 oder Al2O3) aufgebracht
wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß die zweite Schicht in einem Hochtemperaturprozeß
(800 bis 10000C) aufgebracht werden muß, um
die gewünschten Eigenschaften zu haben, wodurch die Oberflächen- und Volumeneigenschaften des
Halbleiters verändert v/erden. Außerdem vermag ein derartiger Überzug nur Natrium von außen abzuhal-
ten, kann aber nicht schon im Oxid befindliches unschädlich
machen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen.
Der nach der Erfindung vorgeschlagene Weg beruht auf einer Beobachtung, die dur-;h längere Meßreihen
erhärtet wurde, nämlich daß Natrium-Ionen ins Oxidgitter fest eingebaut werden, wenn sie in geeigneter
Weise mit Gitterdefekten (der Begriff Gitter wird hier auch auf das an sich amorphe thermische
SiO., angewandt, da bekannt ist, daß dieses eine ausgeprägte
Nahordnung aufweist) in Reaktion gebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer dünnen Oberflächenschicht
der Oxidschicht durch Implantation von Ionen mit einer Energie zwischen 5 und 60 keV und einer
Dosis zwischen 1011 und ΙΟ14 pro cm- Strahlenschäden
erzeugt werden, die ihrerseits bewegliche Fremdionen binden, daß eine dünne Metallplektrode auf die
Oxidschicht aufgebracht wird und daß die Anordnung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei
etwa 400° C getempert wird.
Aus IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS-16, Heft 6 (1969), S. 195 ff, ist bekannt, daß die
Dotierung von SiO2-Schichten mit Metallionen die
Isolierfähigkeit der Schicht sehr stark reduziert, siehe dortige Tabelle 2. Daher ist diese Dotierung kein in
der Praxis anwendbares Verfahren, auch bewirkt diese Dotierung mit Metallionen nur Resistenz gegen
Strahlung, nicht aber gegen Ionendrift.
In der DT-AS 12 27 564 wird das Tempern von Bauelementen in einer Wasserstoffatmosphäre beschrieben
und soll dazu dienen, die Oberflächeneigenschaften des Halbleiters zu verbessern.
In SCP and Solid State Technology, Band 8 (Sept. 1966), S. 48 ff, wird Ionenimplantation beschrieben,
auch wird auf Strahlungsdefekte verwiesen, die durch die Implantation entstehen, und daß man dieselben
durch Tempern ausheilen kann.
Die Kombination dieser bekannten Einzelmaßnahmen gemäß der Erfindung führt jedoch zu einem überraschenden
Effekt, der darin besteht, daß sie durch die Implantation erzeugte Strahlungsdefekte als Haftstellen
für bewegliche Fremdionen wirken und die nachfolgende Temperung die Bindung der Ionen noch
verstärkt in einem Maße, daß die Probe bei einer Temperatur von 200° C noch stabil ist.
Die Dicke der durch die Implantation beeinflußten Schicht kann durch Änderung der Beschleunigungsspannung
für die Ionen variiert und an die gegebenen Verhältnisse angepaßt werden. Es ist ferner möglich,
durch eine dünne, aufgedampfte Metallschicht hindurch zu implantieren. Für den hier beabsichtigten
Zweck ist es unwichtig, welche Art von Ionen zum
ίο Beschüß verwendet wird. Es ist einzig und allein
wichtig, daß die Bestrahlungsdefekte auf eine dünne Oberflächenschicht des Oxids beschränkt bleiben,
ohne die Halbleiteroberfläche zu beeinflussen.
Der Einbau der Natrium-Ionen in stabile Plätze erfolgt in zwei Stufen. Zunächst werden durch Ionenbombardement
Strahlendefekte geschaffen, die meist aus aufgebrochenen chemischen Bindungen bestehen.
An diese Defekte lagert sich das Natrium an. In der zweiten Stufe werden durch eine Behandlung in einer
wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 400° C diese Komplexe stabilisiert und gleichzeitig alle
übrigen Strahlungsdefekte ausgeheilt. Die Versuche, die dieser Erfindung zugrunde liegen, haben gezeigt,
daß der Wasserstoff für diesen Einbau wesentlich ist, da bei einer Temperung in inerten Gasen das vorläufig
gebundene Natrium wieder in Freiheit gesetzt wird.
Als Beispiel für die stabilisierende Wirkung der Ionenimplantationsbehandlung sind in Bild 1
und 2 zwei Kapazitäts-Spannungskurven gezeigt. (Die Messung von Kapazität gegen Spannung bei MOS-Strukturen
ist die empfindlichste Methode, die Verschiebung des Oberflächenpotentials festzustellen.) In
Bild 1 ist die Kapazitätskurve einer 6000 A dicken
Oxidschicht mit einer 100 A dicken Metallelektrode von 2 mm Durchmesser gezeigt, wobei Kurve 1 die
Ausgangskurve darstellt und Kurve 2 nach Anlegen von + 100 V an die Metallelektrode bei einer Temperatur
von 200° C gemessen wurde. B i 1 d 2 zeigt eine ähnliche Messung an der gleichen Probe, nachdem
deren Oberfläche mit Stickstoffionen von 20 kV beschossen und eine Temperung von 60 Minuten in
Formiergas bei 400° C durchgeführt wurde. Hier wurden zwei Kurven bei 200° C und + 50 und
—50 V gemessen, die beide aufeinanderfallen. Man sieht, daß die Instabilität beseitigt ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Stabilisierung von Halbleiteranordnungen mit einer die Halbleiteroberfläche
bedeckenden SiO2-Schicht und einer auf die Oxidschicht
aufgebrachten Metallelektrode gegen Ionendrift, bei dem in der Oxidschicht bewegliche
Fremdionen gebunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dünnen Oberflächenschicht
der Oxidschicht durch Implantation von Ionen mit einer Energie zwischen 5 und 60keV und einer Dosis zwischen 10n und 1014
pro cm2 Strahlenschäden erzeugt werden, die ihrerseits bewegliche Fremdionen binden, daß
eine dünne Metallelektrode auf die Oxidschicht aufgebracht wird und daß die Anordnung in einer
wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 400° C getempert wird.
2. Verfahren zur Stabilisierung von Haibleileranordnungen
mit einer die Halbleiteroberfläche bedeckenden SiO2-Schicht und einer auf die
Oxidschicht aufgebrachten Metallelektrode gegen Ionendrift, bei dem in der Oxidschicht bewegliche
Fremdionen gebunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Oxidschicht mit
einer dünnen Metallelektrode überzogen wird, daß Ionen mit einer Dosis zwischen 10" und
1014 pro cm2 und einer Energie zwischen 5 und
60 keV implantiert werden und daß die Anordnung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei
etwa 400° C getempert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dicke Metallelektroden aufgebracht
werden und daß eine weitere Implantation erfolgt, welche das Metall nicht durchdringt,
aber den nicht metallisierten Teil der Oberfläche gegen Einwirkung von Ionen abschirmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Implantation
Stickstoffionen verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete
Halbleiter Silizium ist.
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |