DE2058059A1

DE2058059A1 - Schaltungsvorrichtung mit einem verdichteten UEberzugsfilm auf einer Unterlage und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Publication number: DE2058059A1
Application number: DE19702058059
Authority: DE
Inventors: Masatada Horiuchi; Yokichi Itoh; Kiyotake Naraoka; Hisumi Sano; Hidco Sunami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1969-11-26
Filing date: 1970-11-25
Publication date: 1971-06-09
Also published as: FR2068673A1; FR2068673B1; NL7017242A

Description

Patentanwälte

Dlpl.-Ing, R. BEETZ sen.

DlpJ-Inn- K, LAMPRECHT

Dr.-Ing. Γί. Π 1£ E T 2 Jr.

8 München!2, Sle.nsdorfatr.

ffii6348p(i6349H) 25.ll.i970

ITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Schaltungsvorrichtung mit einem verdichteten Überzugsfilm auf einer Unterlage und Verfahren zu ihrer Herstellung

81-(POS 23793)-Tp-r (7)

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsvorrichtung mit einem verdichteten Überzugsfilm auf einer Unterlage und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere auf eine Schaltungsvorrichtung mit einem Isolierfilm, der auf dem Passivierungsfilm auf der Unterlagenoberfläche einer Λ

Halbleitervorrichtung oder als Isolator zwischen Leitern zur Vielschichtverbindung aus der Dampfphase erzeugt und nachher einer Verdichtungsbehandlung unterworfen ist bzw. wird.

Bei einer Halbleitervorrichtung oder einer Dünnfilmschal tungsvorrichtung; mit dem Vielechichtverbindungsaufbau ist es erforderlich, daß ein Isoliermaterial aus der Dampf-

phase auf der Oberfläche der Unterlage zwecks Bildung eines Isolierfilms niedergeschlagen wird. Zur Schaffung eines solchen niedergeschlagenen Films sind z. B. das Dampfaufwachsverfahren, das thermische Zersetzungsverfahren und das Vakuumaufdampfverfahren bekannt. Indessen ist ein nach diesen Verfahren erhaltener niedergeschlagener Film allgemein porös und besitzt nur eine geringe Wasser- und chemische Beständigkeit. Infolgedessen werden, wenn ζ» B. ein metallischer Film auf der Oberfläche des Films angebracht und in einem geeigneten Muster weggeätzt wird, die Oberflächeneigenschaften der Halbleiterunterlage verschlechtert oder auf die metallische Verdrahtung in der unteren Schicht ungünstige Wirkungen ausgeübt. Weiter hat der vorstehend beschriebene niedergeschlagene Film zusätzlich zu diesen Nachteilen die Eigenschaft, daß er durch ein Ätzmittel schnell geätzt wird und infolgedessen die sogenannten Seitenätzerscheinungen stark auftreten, wodurch es schwierig wird, auf dem niedergeschlagenen Film eine genaue Abmessung und Einteilung wie z. B. die Bildung eines Loches zum Anschluß eines Leiters vorzunehmen. Außerdem hat der erwähnte niedergeschlagene Film den Nachteil, daß wegen seiner geringen mechanischen Festigkeit Risse durch Spannungen auftreten, die entstehen, wenn der Film dick gemacht wird, und daher läßt sich in dieser Weise ein dicker Film praktisch nicht herstellen. Auch rufen, wenn der Film angrenzend an eine Schicht, z. B. die des Verdrahtungsleiters, mit einem von dem des Films verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt wird, die in dem Film selbst und durch den Wärmeausdehnungskoeffizientenunterschied erzeugten Spannungen eine Rißbildung besonders in der an die Leiterschicht grenzenden Zone des Films hervor.

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Nach dem Stand der Technik existiert, um diese Nachteile auszuschalten, ein Verfahren, bei dem der niedergeschlagene Isolierfilm einer Wärmebehandlung unter hohen Temperaturen von etwa 800 - 1000 C unterworfen wird, se daß das Gefüge des Films verdichtet werden kann.

Da dieses Verfahren jedoch die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen erfordert, können aktive Verunreinigungen, wie z. B. Na⁺-Ionen, sich mit dem Isolierfilm während der Wärmebehandlung vermischen und insbesondere, wenn der Film bei einer Halbleitervorrichtung angewendet wird, kann , sich der Passivierungseffekt der Halbleitervorrichtung ver- ™ ringern. Da die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen weiter eine Deformationswirkung auf in der Halbleiterunterlage gebildete P-N-Übergänge mit sich bringt, können sich die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements ungünstig ändern. Andererseits tritt, wenn der niedergeschlagene Film bei einer Unterlage mit einem metallischen Leiter, z. B. zur Verdrahtung, angewendet wird, bei dem bekannten, die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen erfordernden Verfahren ein anderer Nachteil auf. Wenn z. B. die erwähnte Verdrahtung oder Elektroden aus einem Metall mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt, wie z,- B. Aluminium, bestehen, das meistens als Leitmaterial auf dem Gebiet der Jj Halbleitervorrichtungen verwendet wird, kann die Verdrahtung unterbrochen bzw. ihr elektrischer Widerstand gesteigert werden, indem ein Schmelzen oder solche Reaktionen, wie Oxydation u. dgl. auftreten, die sich daraus ergeben, daß die Unterlage der Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unterworfen wird, wodurch sich sehr wesentliche Nachteile ergeben. Wenn die Verdrahtung aus einem Metall gemacht wird, das gegenüber dem Halbleiter aktiv ist, kann das Metall infolge der Erhitzung ohne weiteres in die un-

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terseitige Isolierschicht und die Halbleiterunterlage einiiffundieren, wodurch eine Verschlechterung der Eigenschaften der Verdrahtung oder des Halbleiterelements hervorgerufen wird.

Andere typische Verfahren zur Herstellung eine s Isolierfilms durch Niederschlagen aus der Dampfphase sind nach dem Stand der Technik das Aufstäubungsverfahren, das Glimmentladungsverfahren und das thermische Zersetzungsverfahren. Nach diesen Verfahren läßt sich ein niedergeschlagener Film mit einer verdichteten Struktur eher als nach den oben erwähnten Verfahren, wie z. B. dem Dampfaufwachsverfahren erzielen. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil,, daß dabei eine lange Zeit zur Bildung des Films erforderlich ist und es mehr als zehnmal so lange wie beim Dampfaufwachsverfahren dauert, um einen Film gleicher Dicke zu erzeugen. Weiter haben diese Verfahren den Nachteil, daß die Vorrichtung zur Herstellung des Films kompliziert und schwierig zu reinigen ist, und als Ergebnis verursachen Stäube in der Vorrichtung Poren im niedergeschlagenen Film. Ein weiterer Nachteil der Verfahren des Aufstäubens und Glimmentladens ist, daß die Unterlagenoberfläche durch die Entladung während der Filmbildung beeinflußt wird, und insbesondere, wenn ein Isolierfilm direkt auf der Oberfläche einer Halbleiterunterlage mit P-N-Übergängen gebildet wird, werden die P-N-Übergänge beeinträchtigt, so daß sich die Eigenschaften des Schaltungselements verschlechtern.

Daher ist es praktisch unmöglich, das Aufstäubungsund Glimmentiadungsverfahren zur Herstellung eines Films direkt auf der Oberfläche einer Halbleiterunterlage anzuwenden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Schaltungsvorrichtung mit einem verdichteten Isolierfilm auf der Unterlagenoberfläche und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, wobei die genannten Eigenschaftsverschlechterungen vermieden und die apparativen und zeitlichen Erfordernisse gering gehalten sind.

Gegenstand der Erfindung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Schaltungsvorrichtung mit einer Halbleiterunterlage und einem darauf niedergeschlagenen Isolierfilm, der mindestens teilweise verdichtet ist, mit dem Kennzeichen, daß der Isolierfilm durch Plasmabehandlung in einem Inertgas verdichtet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsvorrichtung ist durch Herstellung einer Unterlage, Niederschlagen eines Isoliermaterials aus der Dampfphase auf einer Hauptoberfläche der Unterlage zur Bildung eines Isolierfilms, Anordnung der Unterlage in einem Inertgas mit niedrigem Druck und Erzeugen eines Plasmas in der Nähe der Unterlage und damit Bombardierung sowie Verdichtung des niedergeschlagenen Isolierfilms durch Ionen des inerten Elements gekennzeichnet.

Das erwähnte Plasma läßt sich durch Entladung eines Inertgases, wie z. B. Argon oder Xenon bei einem Druck von z. B. einigen mm Hg bis 1 χ 10 ^J mm Hg bei einer Spannung von einigen 10 bis zu einigen 100 V schaffen, und eine Unterlage mit einem auf ihrer Oberfläche niedergeschlagenen porösen Film wird in das Plasma oder dessen Nähe gebracht, um den niedrigenergiegeladenen Teilchen des Plasmas in einer Weise ausgesetzt zu werden, daß das Plasma nicht ge-

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hindert ist, seine Entladung beizubehalten, (im folgenden wird das Verfahren Plasmabehandlung genannt).

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß sie es möglich macht, den porösen niedergeschlagenen Film bei einer niedrigen Temperatur von Raumtemperatur bis etwa 3OO C zu verdichten, d. h. bei Temperaturen, bei denen das Gefüge der Unterlage nicht beeinflußt wird. Erfindungsgemäß werden also die meisten Nachteile, die bei dem bekannten Verfahren auftreten, nach dem die Verdichtung durch Hochtemperaturwärmebehandlung erreicht wird, beseitigt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, einen verdichteten niedergeschlagenen Isolierfilm in kurzer Zeit herzustellen. Erfindungsgemäß wird nämlich ein niedergeschlagener Film nach einem Verfahren mit im wesentlichen kurzer Verfahrensdauer, wie z. B. Dampfaufwachsverfahren, Wärmezersetzungsverfahren oder Vakuumaufdampfverfahren gebildet, und anschließend wird der niedergeschlagene Film der Plasmabehandlung unterworfen, um das Filmgefüge zu verdichten. Die Plasmabehandlung läßt sich im allgemeinen in einigen 10 Minuten vollständig durchführen, wobei die erforderliche Zeit von der Energie der geladenen Teilchen des Plasmas und von der Tiefe des niedergeschlagenen Films, in der dieser verdichtet werden soll, abhängt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, einen Isolierfilm großer Dicke ohne Rißbildung zu erzeugen, was nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. Dies wird erreicht, indem man nacheinander das Verfahren zum Niederschlagen eines porösen Films bis

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zu einer Dicke, bei der keine Rißbildung auftritt, und das Verfahren des Verdichtens des porösen Films durch Plasmabehandlung mehrere Male wiederholt. Zum Beispiel ist nach dem Stand der Technik die Dicke des Films auf einer Aluminiumschicht praktisch auf 8000 bis 10000 A* begrenzt, während es erfindungsgemäß ohne weiteres möglich ist, den Film ohne Rißbildung eineinhalb- bis zweimal so dick wie nach dem Stand der Technik zu machen, wenn man die wiederholte Anwendung der Verdichtungsbehandlung wählt. Die Möglichkeit der Erzeugung eines dikken Isolierfilms ist nicht nur deshalb vorteilhaft, weil ä

dadurch der Isoliereffekt verbessert wird, sondern auch dadurch, daß es z«, B. bei einer Vorrichtung mit einer Vielschichtverbindung möglich ist, jede leitende Schicht dicker als die frühere zu machen und so die Vorrichtung bei hohen Stromdichten einzusetzen und die Streukapazitanz zwischen der leitenden Schicht und dem Isolierfilm durch Verringerung der Breite der leitenden Scbicht zu verringern.

ι Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin,

daß sie einen Isolierfilm offenbart, der verschiedene Ätzgeschwindigkeiten in der Richtung senkrecht zur Oberfläche aufweisen kann und durch den Löcher geeigneter Gestalt mit ™

einem Ätzmittel erzeugt werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein niedergeschlagener Isolierfilm in mehreren Teilschichten zwischen einer ersten leitenden Schicht und einer zweiten leitenden Schicht aufgebaut und wenigstens der Teil des Films, der an die Oberfläche der ersten leitenden Schicht angrenzt, im Gefüge verdichtet werden kann, wo-

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durch sich die nach dem Stand der Technik ungünstigerweise auftretenden Risse vermeiden lassen»

Veiter ist die Wirkung der Verdichtung eines niedergeschlagenen Films durch die Plasmabehandlung gemäß der Erfindung nicht nur auf den Fall begrenzt _s in dem die Oberfläche des Films freiliegt, sondern sie wird auch erhalten, wenn ein Metallfilm von etwa 300 bis 800 £ Dicke auf der Oberfläche des niedergeschlagenen Films angebracht ist. Wenn ein Isolierfilm mit einer vorher mit Metall überzogenen Oberfläche der Plasmabehandlung ausgesetzt wird, läßt sich der Isolierfilm verdichten, ohne daß die Unterlage durch den Isolierfilm bombardierende geladene Teilchen verschlechtert wird. Daher ist es erfindungsgemäß möglich, auf einer Halbleiterunterlage einen verdichteten Isolierfilm mit wenigen Poren ohne Verschlechterung der Oberfläche oder des Körpers der Unterlage herzustellen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Entladungsplasmen;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Änderung der Ätzgeschwindigkeit von Isolierfilmen zum Vergleich des Effekts der Erfindung, mit dem nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Isolierfilm im fotogeätzten Zustand;

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Fig. k und 5 Querschnitte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Anwendung auf die Herstellung eines Oberflächenschutzfilms einer Halbleitervorri chtung;

Fig. 6 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung in Anwendung auf einen Vielschichtverbindungsaufbau;

Fig. 7 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils von Fig. 6; und

Fig. 8 und 9 Querschnitte noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in Anwendung auf einen Vielschichtverbindungsaufbau.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Vorrichtung zur Ausführung der Plasmabehandlung nach dem erfindung^gemäßen Verfahren. In Fig. 1 bedeutet 1 ein aus einem inaktiven Material, wie z. B. Quarz bestehenden Rohr, das zum Einschluß eines Gases geeignet ist, 2 und 3 bedeuten eine ύ

positive und eine negative Elektrode, h bezeichnet einen Halter zum Halten einer Probe 5 darauf, 6 bezeichnet eine niagnetfeiderzeugende Spule, die außerhalb des Rohres 1 angeordnet ist, um das Plasma 7 zu fokussieren, das zwischen der positiven Elektrode 2 und der negativen Elektrode 3 erzeugt wird, und um das Erzeugen von Plasma stabil aufrecht zu erhalten. Das Plasma 7 wird, wie folgt, erzeugt: Luft im Rohr 1 wird durch eine Diffusionspumpe 8 abgesaugt, dann

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führt man eine geringe Menge von Argon von einer Quelle 9 her ein, so daß der Druck im Rohr 1 z. B. 1,5 χ 10"^ mm Hg sein kann, und schließlich legt man eine bestimmte Entladespannung von einer Spannungsquelle 10 zwischen der positiven Elektrode 2 und der negativen Elektrode J an. Vorzugsweise ist die negative Elektrode 3 vom Heißkathodentyp und geeignet, bei einer niedrigen Entladespannung von einigen 10 bis zu einigen 100 V ein Plasma zu erzeugen. Die Probe 5 trägt einen niedergeschlagenen Film 11 auf ihrer Oberfläche und ist auf dem Halter k so angebracht, daß die Oberfläche des niedergeschlagenen Films 11 etwa parallel zum Strom des Plasmas 7 liegt. Obwohl das Plasma 7 durch die Wirkung der das magnetische Feld erzeugenden Spule 6 in Fig. 1 fokussiert wird, kann auch eine Vorrichtung ohne die Spule 6 zur Ausführung der Erfindung verwendet werden. Ein Plasma 7 kann nämlich zwischen der positiven Elektrode

2 und der negativen Elektrode 3 auch ohne Fokussierung von außen erzeugt werden. Weiter kann man eine Plasmaerzeugungsvorrichtung verwenden, in der eine Hochfrequenzspannung zwischen der positiven Elektrode 2 und der negativen Elektrode

3 zwecks Schaffung einer Entladung angelegt wird.

Fig. 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung, wie die Änderung der Ätzgeschwindigkeit (Ordinate) in einem niedergeschlagenen Film vom Abstand bzw. von der Dicke von der Oberfläche (Abszisse) bei einer bekannten Probe ohne Plasmabehandlung und einer Probe nach Plasmabehandlung gemäß der Erfindung abhängt, und zeigt die günstige Wirkung der Verdichtung eines niedergeschlagenen Films gemäß der Erfindung. Bei diesen Vesuchen bestehen die Proben jeweils aus einer Siliziumunterlage mit einem Siliziumdioxyd(Si0₂)-FiIm von 0,8 /u Dicke, der auf ihrer Oberfläche nach dem

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chemischen Dampfaufwachsverfahren niedergeschlagen wurde, bei dem Monosilan (SIHjl) und Sauerstoff (O_) direkt bei niedriger Temperatur von 300 - 500 C reagieren. Die vorstehende Plasmabehandlung wurde mit dem durch Entladung eines Argongases, das bei einem Druck von 1,5 x IO ^ mm Hg eingeschlossen war, gebildeten Plasma durchgeführt, und zwar bei einer Entladungsspannung von 50 V und unter der Bedingung, daß die Proben auf einer Temperatur unterhalb 300 C gehalten wurden.

In Figo 2 bezieht sich die Linie A auf eine Probe nach dem Stand der Technik, und die Kurven B sowie C beziehen sich auf Proben nach Plasmabehandlung gemäß der Erfindung, wobei die erstere einer Plasmabehandlung von 30 Minuten, die letztere dagegen einer von einer Stunde unterworfen war. Die Ätzgeschwindigkeit jeder Probe wird unter Verwendung eines Ätzmittels gemessen, das P-Xtzlösung genannt wird, die man durch Vermischen von 50-gewichtsprozentiger Flußsäure, 60-gewichtsprozentiger Salpetersäure und Wasser im Verhältnis von 15 ι 10 : 300 erhält. Bekanntlich ist die Ätzgeschwindigkeit bei Verwendung der P-Ätzlösung um so geringer, je mehr der SiO„-Film verdichtet ist. Nach Fig. 2 weisen offensichtlich die Proben entsprechend den Kurven B und C geringere Ätzgeschwindigkeiten als die auf, die durch die Linie A wiedergegeben wird, im Bereich von 0,4 bis 0,5 /u. Dies bedeutet, daß die Oberfläche des Films sicher durch die Plasmabehandlung gemäß der Erfindung verdichtet ist· Weiter läßt sich beim Vergleich der Kurven B und C feststellen, daß der Verdichtungsgrad durch die Dauer der Plasmabehandlung gesteuert werden kann.

Zusätzlich ergibt sich, daß, wenn Xenon statt Argon

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im Rohr eingeschlossen wird und man den SiOp-FiIm der Verdichtungsbehandlung mittels Xenonplasma unterwirft, das unter den gleichen Bedingungen wie nach dem Argonbeispiel erzeugt ist, ein höherer Grad von Verdichtung erreichbar ist» Im Ergebnis kann man folgern, daß der Verdichtungseffekt beim niedergeschlagenen Film verbessert wird, wenn die Massenzahl des eingeschlossenen Gases größer ist.

Fig. 3 zeigt einen niedergeschlagenen Siliziumdioxyd-(SiOp)-FiIm 22 im fotogeätzten Zustand, der auf einer Siliziumunterlage 21 gebildet und der Plasmabehandlung gemäß der Erfindung.unterworfen wurde. 23 bezeichnet eine Fotoresistschicht mit einem Loch Zk zum lokalen Ätzen des SiO₂-Films 22. Da der SiO-FiIm 22 als Folge der Plasmabehandlung von seiner Oberfläche aus verdichtet wird, wie Fig. 2 zeigt, und einen Aufbau hat, bei dem die Ätzgeschwindigkeit schrittweise in Richtung der Filmdicke wächst, kann die Ätzung im SiO-FiIm leichter in Richtung der Dicke als längs der Oberfläche vorgenommen werden, und als Ergebnis davon tritt, wie Fig. 3 zeigt, kaum eine Seitenätzerscheinung auf. Wenn die Plasmabehandlung nicht vorgenommen wird, ist die Ätzgeschwindigkeit im SiO₂-FiIm in beiden Richtungen sowohl der Dicke als auch längs der Oberfläche gleich und führt zu einer Seitenätzung von im wesentlichen der gleichen Weite wie der Filmdicke des Si0_p-Films, wie durch die Strichlierung 25 in Fig. 3 gezeigt ist. Danach ist es offensichtlich, daß bei einem Isolierfilm erfindungsgemäß ein genaueres Ätzen als gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist.

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Beispiel 2

Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung soll eine Halbleitervorrichtung mit einem der Plasmabehandlung unterworfenen Schutzisolierfilm als Schutzfilm unter Bezugnahme auf die Figuren k und 5 erläutert werden. Bei einer Halbleitervorrichtung, insbesondere der mit P-N-Übergängen, die an der Oberfläche der Halbleiterunterlage enden, wie z. B. einem Planartransistor oder einer Diode, können sich aktive Ionen, wie z. B. Na mit dem Isolierfilm, wie z. B. einem SiO-PiIm, der als Maske verwendet wird, wenn Verunreinigungen zur Erzeugung von P-N-Ubergängen eindiffundiert werden, vermischen_f und daher treten, wenn der Film auf der Unterlage als Oberflächenschutzfilm verbleibt, solche Erscheinungen, wie z. B. der sogenannte Kanaleffekt auf, wodurch eine Instabilität der Oberflächeneigenschaften der Halbleitervorrichtung verursacht wird. Es ist ein zur Stabilisierung der Oberflächeneigenschaften einer solchen Halbleitervorrichtung wirksames Verfahren bekannt, bei dein der Isolierfilm auf der Oberfläche der Halbleiterunterlage völlig entfernt wird, nachdem die P-N-Übergänge gebildet sind, und statt dessen ein reiner Isolierfilm durch Niederschlagen neu erzeugt wird. In Fig. k ist ein auf der Oberfläche einer Halbleiterunterlage 26 gebildeter Film 30 ein so erzeugter niedergeschlagener Isolierfilm. Die Halbleiterunterlage 26 kann aus P-Silizium bestehen und eine N-Zone 27 sowie eine P-Zone 28 durch Verunreinigungsdiffusion zwecks Herstellung z. B. einer Diode enthalten. Der niedergeschlagene Isolierfilm 30 besteht in diesem Fall aus einem SiO₂-FiIm von etwa 0,6 /u Dicke, der durch Reaktion von Monosilan und Sauerstoff und Aufwachsen aus der Dampfphase erhalten wird.

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Um den direkt auf der Oberfläche der Halbleiterunterlage mit P-N-Übergängen erzeugten niedergeschlagenen Film erfindungsgemäß ohne Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften der Unterlage zu verdichten,kann man die Oberfläche des Films 30 der Plasmabehandlung auch unterwerfen, nachdem die Isolierfilmoberfläche mit einem dünnen metallischen Film 31 von etwa 300 bis 800 A* Dicke überzogen wurde» Der metallische Film 31 kann aus einem Metall, wie z, B. Aluminium oder Molybdän bestehen, das üblicherweise als ein Filmleiter auf dem Gebiet der Halbleitervorrichtungen verwendet wird, und auf die Oberfläche des Films 30 nach irgendeinem geeigneten Verfahren, wie z, B„ Vakuumaufdampfung aufgebracht werden. Der metallische Film 31 kann nach der Plasmabehandlung zur Verdichtung des SiO„-Films vollständig von der SiO_-Filmoberfläche entfernt oder statt dessen auch als Maske zum Fotoätzen des SiO_-Films verwendet werden.

Fig. 5 zeigt eine nach den folgenden Schritten hergestellte Diode. Der SiO_~Film, der nach vorstehender Beschreibung verdichtet wurde, wird nach der Fotoätztechnik perforiert, um die N-Zone 27 und die P-Zone 28 durch die so gebildeten Löcher freizulegen, und dann wird Aluminium zwecks Kontaktierung der Zonen 27 und 28 aufgedampft und fotogeätztg um Ohm'sche Kontakte 32a und 32b der positiven bzw. negativen Elektrode der Diode zu bilden.

Die Eigenschaften eines SiOp-Films als Schutzfilm, der durch die Plasmabehandlung verdichtet wurde, insbesondere seine Eigenschaften hinsichtlich der Feuchtigkeitsbeständigkeit, lassen sich wie folgt bestätigen» Zwei Dioden, von denen die eine mit Plasma erfindungsgemäß behandelt

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wurde, während die andere nicht damit behandelt wurde, also dem Stand der Technik entsprach, werden hergestellt und beide beschleunigt durch eine Hochdruckwasserdampfbehandlung verschlechtert. Es wurde untersucht, welche Ergebnisse erzielt wurden, wenn diese beiden Dioden beschleunigt nach einem Verfahren verschlechtert wurden, nach dem sie zunächst 15 Minuten einem Wasserdampf unter einem Druck von 1,08 kg/cm und einer Temperatur von 122 °C und dann 15 Minuten der Atmosphäre zwecks natürlicher Trocknung und dann wieder dem Wasserdampf bei 122 C ausgesetzt wurden usw., um so festzustellen, nach wievielen "Kochzyklen" die Sperretromspannungseigenschaften der beiden Dioden erheb- J

lieh verschlechtert werden. Dann wurden die Eigenschaften der Dioden nach dem Sperrspannungswert ausgewertet, wenn ein Strom von 3 χ 10 ^J A in Gegenrichtung fließt. Die Sperrspannungswerte für die Diode gemäß der Erfindung und die nach dem Stand der Technik waren vor der zwangsweisen Verschlechterung beide 50 V, jedoch nach dem vierten Kochen verschlechterte sich die Diode nach dem Stand der Technik in ihren Eigenschaften sehr rasch, und ihr Sperrspannungswert fiel auf 1 - 2 V ab. Im Gegensatz dazu behielt die Diode gemäß der Erfindung eine Sperrspannung von 40 - 50 V bei und ging in ihren Eigenschaften kaum zurück. Folglich kann man annehmen, daß ein niedergeschlagener und der Plasmabehandlung gemäß der Erfindung unterworfener Film offensichtlich in seiner Feuchtigkeitsbeständigkeit merklich verbessert ist.

Beispiel 3

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Verdichtung eines niedergeschlagenen

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Isolierfilms durch die Plasmabehandlung auf einen Isolierfilm zwischen leitenden Schichten beim Vielschichtverbindungsaufbau angewendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel besteht eine Unterlage 4O aus einer Halbleiterunterlage, die eine monolithische integrierte Schaltung darstellt, und umfaßt durch Verunreinigungsdiffusion erzeugte Schaltungselementstrukturen, wie z. B. einen Transistor 4i und eine Diode 42. 43 bezeichnet einen ersten Isolierfilm aus z. B. SiO , der auf der Oberfläche der Halbleiterunterlage JjO angebracht ist, 44 bezeichnet eine erste leitende Schicht, die auf dem Isolierfilm 43 angebracht und selek-™ tiv durch Löcher 43', durch die der Film perforiert ist, mit Schaltkreiselementzonen in der Halbleiterunterlage verbunden ist. Die leitende Schicht 44 kann durch niedergeschlagenes Aluminium gebildet sein.

Einen zweiten Isolierfilm 45 kann man, um das Entstehen von Rissen zu verhindern, z. B. in folgenden zwei Schritten bilden: Zunächst wird die Unterlage 4O in einer Monosilanoxydations-Reaktionskammer angeordnet, die auf einer heißen Platte montiert ist, die auf einer Temperatur von 350 bis 450 C gehalten wird und sich mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 20 bis 40 Umdrehungen pro flfe Minute dreht, und man führt dann ein aus zu 4 $ in Stickstoff verdünntem Monosilan (SiH.) und Sauerstoffgas (0„) bestehendes Gas in einem Mischungsverhältnis von 0,8 l/min zu 0,5 l/min in die nächste Nachbarschaft der Unterlage ein. Dadurch wird ein SiO₂-FiIm 45a mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von 0,2 - 0,3 /u/min auf der ersten metallischen leitenden Schicht 44 und dem freiliegenden ersten SiO-FiIm 43 niedergeschlagen. Dieser SiOp-FiIm 45a hat eine poröse Struktur und eine Dicke von 0,4 bis 0,5 /U. Anschließend wird zwecks Verdichtung des Gefüges

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des SiO„-Films 45a und Verbesserung seiner mechanischen Festigkeit die Oberfläche des SiOg-Films 45a etwa 1 Stunde einem Plasma ausgesetzt, das durch Entladung von Argon unter einem Druck von 15 χ 10 ^J ram Hg mit einer Entladespannung von 50 V erzeugt wird. Der plasmabehandelte SiO-FiIm 45a wird an seiner Oberflächemi t einer Mischlösung von Salpetersäure (HNO_) und Salzsäure (HCl) zwecks Entfernung von möglicherweise an der Oberfläche während der Plasmabehandlung haftenden Verunreinigungen gereinigt. Danach wird die Unterlage 4θ wieder in die Monosilanoxydations-Reaktionskammer gebracht, um einen neuen SiO₉-FiIm unter den gleichen Bedingungen wie beim Film 45a niederzuschlagen, und als Ergebnis entsteht ein SiO„-Film 45b mit einer Dicke von 0,9 bis 1,0 /u.

Der erhaltene zweite Isolierfilm 45 mit einer Gesamtdicke von 1,3 bis 1,5 /U wird dann nach der bekannten Fotoätztechnik unter Verwendung eines bekannten Fotoresistmaterials perforiert, und auf der Oberfläche dieses Films 45 wird eine zweite leitende Schicht 46 unter Anschluß an die erste leitende Schicht nach einem bestimmten Muster gebildet.

Bei diesem Ausfiihrungsbeispiel wird also beim zweiten Isolierfilm 45 nur der zunächst niedergeschlagene SiOg-Teilfilm 45a der Plasmabehandlung unterworfen, während der SiO -Teilfilm 45b, der anschließend niedergeschlagen wurde, der Plasmaböhandlung nicht unterworfen wird, sondern porös bleibt.

Dies geschieht aus folgendem Grund: Wie Fig. 7 zeigt, hat, wenn der untere SiO-FiIm 45a verdichtet wird, während der* obere SiO_-Film 45b porös bleibt, was bedeutet, daß die

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Ätzgeschwindigkeit im Film 45a groß und im Film 45b niedrig ist, und ein Loch 47 durch Fotoätztechnik angebracht wird, die Innenwand des Loches 47 aufgrund des Unterschiedes in der Ätzgeschwindigkeit durch den oberen Film 45b eine mäßige Neigung, während die Begrenzung durch den unteren Film 45a ziemlich vertikal ist, so daß im Ergebnis, wenn der metallische leitende Film 46 aufgedampft wird, dieser Film im oberen Teil 47a des Loches dick aufgedampft werden kann, so daß eine Unterbrechung der leitenden Schicht in hohem Maß an verhindert ist.

Beispiel 4

In Fig. 8 bezeichnet 50 die z. B. aus Silizium bestehende Unterlage einer integrierten Halbleiterschaltung. Die Unterlage 50 umfaßt Schaltkreiselemente 51» wie z. B. Transistoren, Dioden oder Verunreinigungsdiffusions-Widerstände, und ist auf ihrer Oberfläche mit einem SiO-FiIm 52 mit einer Dicke von etwa 6OOO S bedeckt. Der SiO-FiIm 52 ist durch Erhitzen und Oxydieren der Siliziumunterlage gebildet, und so hat der Film 52 ein dichtes G_efüge und eine hohe mechanische Festigkeit. 53 bezeichnet einen ersten Verdrahtungsleiter, der aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie z. B. Molybdän, Wolfram, Titan, Tantal, Vanadin oder Chrom bzw. auch aus Aluminium oder aus einem einzelnen oder mehrschichtigen Edelmetall wie z. B. Gold, Silber und Platin bestehen kann. Die erste leitende Schicht 53 wird durch Fotoätzen eines Metallfilms nach einem bestimmten Muster hergestellt, der auf dfer Oberfläche des SiO -Films 52 angebracht und ausgebildet ist, nachdem ein Teil 54 des Si0_p-Films 52 durch die Fotoätztechnik entfernt ist, um eine bestimmte Zone der Siliziumunterlage 50 teilweise

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freizulegen, 55 bezeichnet einen niedergeschlagenen SiOp-FiIm zur Bedeckung der ersten leitenden Schicht. Der SiOg-Film wird, wie folgt, erzeugt. Die Siliziumunterlage 50 wird unter Halten auf einer Temperatur von etwa 45O⁰C in eine Gasmischung aus mit Stickstoff verdünntem Monosilan (SiIK) und Sauerstoff zwecks Zersetzung und Oxydation des SiH^ gebracht. Der SiO₂-PiIm 55 wird in einer Dicke von z. B. 3000 R ausgebildet, und anschließend wird das PilmgefÜge zwecks Verbesserung der mechanischen Festigkeit verdichtet. Eine solche Verdichtung kann, wie folgt, erreicht werden. Zum Beispiel wird der SiOp-FiIm 55 etwa 1 Stunde einer Niedrigenergieplasmaentladung mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung von etwa 50 V in Argonatatmosphäre unterworfen, die un
schlossen ist.

worfen, die unter einem Druck von 1,5 x 10 ^ mm Hg einge56 bezeichnet einen niedergeschlagenen SiOo-FiIm, der zur Bedeckung des verdichteten SiOg-Films 55 gebildet ist und zusammen mit dem Film 55 die leitenden Schichten voneinander voll isolieren soll. Der Film 56 kann durch Zersetzung und Oxydation von SiHj^ wie im Fall des verdichteten SiOg-Films erzeugt werden. Der Film SiOg-Film 56 wird z. B. mit einer ' Dicke von etwa 6OOO bis 8OOO R erzeugt, und nach Anbringung von Löchern zum Anschluß der ersten leitenden Schicht durch beide Isolierfilme 55 und 56 wird der Film 56 der gleichen "

Plasmabehandlung, wie vorerwähnt, für etwa 20 Minuten zur Verdichtung seiner Oberflächenschicht 57 unterworfen. 58 bezeichnet eine zweite leitende Schicht, die aus einem niedergeschlagenen Metall, z. B. Aluminium besteht, wobei das Metall unter den Metallen, die als Materialien für die erste leitende Schicht erwähnt wurden, ausgesucht ist, und diese zweite leitende Schicht wird nach einem bestimmten Muster fotogeätzt·

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In dem so erhaltenen Vielschichtverbindungsaufbau gemäß der Erfindung wird, da der an die erste leitende Schicht angrenzende Isolierfilm 55 in seinem Gefüge zwecks Verbesserung der mechanischen Festigkeit gegenüber einem herkömmlichen niedergeschlagenen Film verdichtet^ ist^ es möglich, weiter den niedergeschlagenen Film 56 auf dem Film 55 auszubilden, um die gesamte Dicke der Isolierfilme zu vergrößern und zusätzlich eine Rißbildung aufgrund von Wärmezyklen zu verhindern. Als Ergebnis können die leitenden Schichten nicht kurzgeschlossen werden, und die Vorrichtungen sind von guter. Qualität-Beispiel^)

Fig. 9 zeigt einen gegenüber dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel modifizierten Aufbau. Insbesondere ist der verdichtete Isolierfilm 55'> der zur Abdeckung der ersten leitenden Schicht 55 gebildet ist, auf die Teile begrenzt, die an die leitende Schicht 53 angrenzen. Ein solcher Aufbau läßt sich folgendermaßen erreichen. Ein erster Isolierfilm wird auf der gesamten Oberfläche einer Siliziumunterlage angebracht, und nach Anbringung bestimmter Perforationen wird eine metallische leitende Schicht niedergeschlagen, auf der weiter homogen ein zweiter Isolierfilm niedergeschlagen wird, und nach Verdichtung des zweiten Isolierfilms werden unnötige Teile der leitenden Schicht sowie des Isolierfioms auf diesen Teilen fotogeätzt.

In diesen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung für den Vielschichtverbindungsaufbau von monolithischen integrierten Schaltungsvorrichtungen angewendet, es ist jedoch offenbar, daß das Verfahren gemäß der Erfindung in gleicher Weise anwendbar ist, wenn die Unterlage aus einem anderen Material als einem Halbleiter, und zwar z. B. aus einem Isoliermaterial

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wie keramischem Material besteht. Weiter ist es, auch wenn ein Isolierfilm als Schutzfilm verwendet wird, der z. B. die oberste Schicht bedeckt, offensichtlich möglich, daß der Isolierfilm erfindungsgemäß plasmabehandelt wird und seine Eigenschaften als Schutzfilm verbessert werden. Dabei ist es weiter möglich, daß der Film durch Wiederholen des Niederschlagens eines Isoliermaterials und der Plasmabehandlung völlig verdichtet wird.

Die Einzelheiten und Wirkungen des erfindungsgemäßen ä

Verfahrens werden jedenfalls durch die vorstehende Beschreibung klar, doch sind die Möglichkeiten der Erfindung nicht auf den Fall beschränkt, wo der Isolierfilm aus Siliziumdioxyd besteht, der durch thermische Zersetzung und Oxydation von Monosilan gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten wurde. Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung sind in gleicher Weise wie in vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bedeutend, auch wenn der Isolierfilm nicht aus dem beschriebenen Siliziumdioxyd besteht, sondern z. B. aus Siliziumdioxyd nach einem anderen Verfahren, wie z. B. dem thermischen Zersetzungsverfahren von Tetraäthoxysilan (Si(OCpHo)]I)t oder aus Phosphorsilikatglas oder Borsilikatglas ist, das durch die Monosilanoxydations- % methode mit Phosphin (PH·,) oder Diboran (BpHg) unter Verdünnung mit Stickstoffgas gleichzeitig mit Monosilan gebildet wird, oder der Isolierüberzug kann auch aus einem AlumininQ-silikatglas oder irgendeinem anderen niedergeschlagenen porösen Material bestehen. Dementsprechend ist die Erfindung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen und miniaturisierten Schaltungsvorrichtungen sehr vorteilhaft.

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Claims

- 22 Patentansprüche

/1.^Schaltungsvorrichtung mit einer Halbleiterunterlage und einem darauf niedergeschlagenen Isolierfilm, der mindestens teilweise verdichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierfilm (22) durch Plasma-' behandlung in einem Inertgas verdichtet ist.

2. Schaltungsvorrichtung mit mindestens einem Halbleiterbauelement, wie Diode, Transistor oder Verunreinigungsdiffusions· widerstand in einer Siliziumunterlagenoberfläche und einem durch thermische Oxydation der Siliziumunterlagenoberfläche mit Ausnahme der Elektrodenanschlußbereiche erzeugten SiOp-PiIm sowie an den Elektrodenanschlußbereichen angebrachten und auf den SiO₂-PiIm reichenden Elektrodenmetallen, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem SiOp-PiIm (52) Isolierfilme (55, 56) niedergeschlagen und teilweise durch Plasmabehandlung in Inertgas verdichtet sind.

5. Vielsehichtverbindungsschaltungsvorrichtung mit einer ersten leitenden Schicht und einer zweiten leitenden Schicht auf einer Isolierunterlage und einem durch Niederschlagen zwischen und an der Kreuzung der beiden leitenden Schichten gebildeten Isolierfilm, dadurch gekennzeichnet, daßjder zwischen der ersten leitenden Schicht (44) und der zweiten leitenden Schicht (46) niedergeschlagene Isolierfilm (45) wenigstens teilweise eine durch Plasmabehandlung in Enertgas verdichtete Schicht (45a) enthält.

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4. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) Herstellung einer Unterlage,

(b) Niederschlagen eines Isoliermaterials aus der Dampfphase auf einer Hauptoberfläche der Unterlage zur Bildung eines Isolierfilms,

(c) Anordnung der Unterlage in einem Inertgas mit niedrigem Druck und

(d) Erzeugen eines Plasmas in der Nähe der Unterlage und

damit Bombardierung sowie Verdichtung des niedergeschla- ι genen Isolierfilms durch Ionen des inerten Elements. ™

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der niedergeschlagene Isolierfiom eine Dicke von 8000 Ä erhält und auf diesem vor der Verdichtungsbehandlung eine Metallschicht von 300 bis 800 Ä⁵ niedergeschlagen wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 2, die in einem Halbleiterplättchen eine Mehrzahl von Halbleiterzonen, eine auf dem Plättchen angebrachte erste Isolierschicht mit bis zu den Zonen reichenden Löchern und einen auf der ersten Isolierschicht angebrachten und durch die

Löcher mit den Zonen verbundenen ersten leitenden Schicht- Λ

pfad aufweist, gekennzeichnet durch

(a)Niederschlagen eines Isolierfilms auf der ersten Isolierschicht und dem ersten leitenden Pfad und

(b) Behandlung eines Teils des durch Niederschlagen gebildeten Isolierfilms mit einem Niedrigenergieplasma in Inertgas und damit mindestens teilweise Verdichtung dieses Isolierfilms.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der mindestens teilweisen Verdichtung des niedergeschlagenen Isolierfilms eine zweite Isolierschicht auf diesem niederge-

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schlagen wird, daß man beide Isolierschichten zwecks Freilegung eines Teils des ersten leitenden Schichtpfades perforiert und daß man eine mit der Oberfläche des freigelegten ersten leitenden Schichtpfades verbundene und auf die zweite Isolierschicht reichende zweite leitende Schicht anbringt.

8. Verfahren zur Herstellung einer Vielschichtverbindungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch J5> gekennzeichnet durch

(a) Herstellen einer Isolierunterlage,

(b) Anbringen einer ersten leitenden Schicht gewünschter Form auf der Unterlage,

(c) Anbringen eines ersten Isolierfilms auf der Unterlage und der ersten leitenden Schicht,

(d) Aussetzen des ersten Isolierfilms einem Plasma in Inertgas,

(e) Niederschlagen eines zweiten Isolierfilms auf dem ersten Isolierfilm und

(f) Anbringen einer zweiten leitenden Schicht auf dem zweiten Isolierfilm, insbesondere auf wenigstens einem Teil der ersten leitenden Schicht.

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