DE2056947C3 - Verfahren zur Stabilisierung von Halbleiteranordnungen - Google Patents

Description

eetemDert wird sistoren. Diese Verschiebung des Oberflachenpoten-

i λK c u ' ο .-ι- · τι lui -. ->n tiak ist aber nicht stabil, sondern kann bei Wee-

2. Verfahren zur Stabi lsierung von Halbleiter- ²° ^{lldls li>l} f^UC1 ' ' ^„_r„_h „■ .^s anordnungen mit einer die Halbleiteroberfläche "ahme der Spannung oder durch eine negative bedeckenden SiO.-Schicht und einer auf die Spannung an der Elektrode wieder ruckgang.g _ge-Oxidschicht aufgebrachten Metallelektrode gegen macht werden. Da Temperaturen in der oben ange-Ionendrift, bei dem in der Oxidschicht bewegliche gebenen Größenordnung bei Betrieb von Baue emen-Fremdionen gebunden werden, dadurch gekenn- -5 ten zusammen mit wechselnden Spannungsbelastunzeichnet, daß die Oberfläche der Oxidschicht mit gen vorkommen, ist diese Art der Instabilität höchst einer dünnen Metallelektrode überzogen wird, unerwünscht.

daß Ionen mit einer Dosis zwischen 10" und Dem Stand der Technik entsprechende Verfahren

ion pro cm-¹ und einer Energie zwischen 5 und zur Verhinderung der Ionenwanderung sind folgende:

60 keV implantiert werden und daß die Anord- 3<> Das erste besteht m der Verbindung des Einbaus

nung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei von Natrium-Ionen durch größtmögliche Reinhaltung

etwa 400° C getempert wird. aller Produktionsschritte. Dieses Verfahren ist außer-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ordentlich schwierig und aufwendig, da die Gesamtgekennzeichnet, daß dicke Metallelektroden auf- menge der Natrium-Ionen unter 10" pro cm^ gegebracht werden und daß eine weitere Implan- 35 haken werden muß. Das Verfahren der natriumfreien tation erfolgt, welche das Metall nicht durch- Produktion kann daher nur bei besonders anspruchsdringt, aber den nicht metallisierten Teil der vollen und aufwendigen Bauelementen angewandt Oberfläche gegen Einwirkung von Ionen ab- werden.

schirmt. Das zweite Verfahren (IBM Journal, Band 8,

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 4<> Heft 4 (Sept. 1964), S. 376 bis 384) besteht im Einbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Implan- bau einer phosphorhaltigen Zone in die Oxidschicht, tation Siickstoffionen verwendet werden. Phosphor wirkt als Getter und vermag freie Natrium-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ionen zu binden. Nachteile der Phosphorbehandlung bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der verwen- liegen darin, daß Phosphor ein Doticrungselement für dete Halbleiter Silizium ist. 45 Silizium ist, der nicht an die Oberfläche des Siliziums

vordringen darf. Außerdem wurde festgestellt, daß phosphorhaltige Oxidschichten eine hohe Polarisierbarkeii haben, welche sich auf das Oberflächenpoten-

tial in ähnlicher Weise wie die Ionenwanderung aus-

5° wirkt. Da die Dotierung des Oxids mit Phosphor auf dem Weg über eine Hochtemperaturreaktion verläuft, kann man nur relativ dicke Oxidschichten auf diese Weise behandeln.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabili- Das dritte Verfahren besteht in der Verwendung sierung von Halbleiteranordnungen mit einer die 55 von Sandwichstrukturen mit mindestens zwei ver-Halbleiteroberfläche bedeckenden SiO₂-Schicht und schicdenen dielektrischen Deckschichten. Die geeiner auf die Oxidschicht aufgebrachten Metallelek- bräuchlichste Form dieses Verfahrens besteht darin, trode gegen Ionendrift, bei dem in der Oxidschicht daß erst durch thermische Oxidation eine dünne bewegliche Fremdionen gebunden werden. MOS- Oxidschicht auf dem Siliziumsubstrat erzeugt wird Strukturen werden in der Halblcitertechnik in viel- 6o und dann eine für Natrium weniger durchlässige fältiger Weise verwendet. Die Gateregion von Deckschicht (z. B. Si₃N₄ oder Al₂O.,) aufgebracht IGFETS ist eine MOS-Struktur ebenso wie alle Ge- wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, biete in integrierten Schaltungen, die eine Metall- daß die zweite Schicht in einem Hochtemperaturprobelegung auf einer Oxidschicht enthalten. MOS-Kon- zeß (800 bis 1000° C) aufgebracht werden muß, um densatoren können auch als Varaktoren verwendet 65 die gewünschten Eigenschaften zu haben, wodurch werden. Es ist bekannt, daß die besten Grenzflächen- die Oberflächen- und Volumeneigenschaften des eigenschaften, insbesondere geringe Oberflächenzu- Halbleiters verändert werden. Außerdem vermag ein standsdichte, bei thermisch oxidierten Siliziumober- derartiger Überzug nur Natrium von außen abzuhal-

ten, kann aber nicht schon im Oxid befindliches unschädlich machen.

Die der Hrfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen.

Der nach der Erfindung Vorgeschlagene Weg beruht auf einer Beobachtung, die durch längere Meßreihen erhärtet wurde, nämlich daß Nat.ium-Ionen ins Oxidgitler fest eingebaut werden, wenn sie in geeigneter Weise mit Cjitterdefeklen (der Begriff Gitter wird hier auch auf das an sich amorphe thermische SiO₁, angewandt, da bekannt ist, daß dieses eine ausgeprägte Nahurdnung aufweist) in Reaktion gebracht werden.

Das erliiidungsgernäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer dünnen Oberflächenschicht der Oxidschicht durch Implantation von Ionen mit einer Energie /wischen 5 und 60 keV und einer Dosis zwischen K)" und K)" pro cm- Strahlenschäden erzeugt werden, die ihrerseits bewegliche Fremdionen binden, daß eine dünne Metallelektrode auf die Oxidschicht aufgebracht wird und daß die Anordnung in einer wasserslolThaltigen Atmosphäre bei etwa 400 (' getempert wird.

Aus IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS-16, I left 6 (I¹K)¹J), S. I⁽)5IT, ist bekannt, daß die Dotierung von SiO^-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 lonendrift.

In der DI-AS 12 27 564 wird das Tempern von Bauelementen in einer WasserstolTatmosphäre beschrieben und soll dazu dienen, die OberHächencigenschaften des Halbleiters zu verbessern.

In SCP and Solid State Technology, Band 8 (Sept. 1⁽)66), S. 48 IT, wird Ionenimplantation beschrieben, auch wird auf Strahlungsdefektc 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 Strahlungsdefektc 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 Nairium an. In der zweiten Stufe werden durch eine Behandlung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 1;)0 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 vorläulig gebundene Natrium wieder in Freiheit gesetzt wird.

Als Beispiel für die stabilisierende Wirkung der lonenimplantationsbehandlung sind in Bild 1 und ?. zwei Kapazitäts-Spannungskurven gezeigt. (Die Messung von Kapazität gegen Spannung bei MOS-Struklurcn 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 i 100 V an die Metallelektrode bei einer Temperatur von 200" C gemessen wurde. Bild 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 (1)

ι 2 flächen erzielt werden. Andererseits hat sich gezeigt PatentansDriiche· daß die SiO.-Schichten besonders anfällig gegen Patentanspruch. Ionenwanderungseffekte sind, wobei insbesondere Na-Ionen als gefährlich nachgewiesen wurden. Na-

1. Verfahren zur Stabilisierung yon Halbleiter- _dangen während oder nach der Oxidation als

anordnungen mit e.ner die Halbleiteroberfläche 5 ionen g B ^ ^ ,^^

bedeckenden SiO₂-Schicht und einer auf die Oxid- gjj^^ _o ⁸ _xidl _Nach der üblichen Aufdamp

schicht aufgebrachten Meüüleleklrode gegen Oberfl^ ^^ ^ _{dje Slmktur} P

lonendnft bei dem in der Oxidschicht beweg- S Verunreinigung abgeschirmt. Der nachteilige

liehe Fremdionen gebunden werden d a d ure h Na-Ionen auf die Stabilität von Bauelt

gekennzeichnet, daß in emer dünnen Ober- b«« MOS-Struktur enthalten, ist folgen-

flachenschicht der Oxidschicht durch Implan- men , .^ _{s an} ^ _M S

tation von Ionen mu einer Energ.e zwischen 5 und JJ | _{erhitzt das E},_{emem mf e(wa}

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•hrerseits bewegliche Fremdionen binden daß '5 "aung_^ „_aiimIsiriiml, _{Diese Raum}]_aHnn_O h,«·"

eine dünne Metallelektrode auf die Oxidschicht "-"¹^