DE2148431B2 - Verfahren zum herstellen einer halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer halbleitervorrichtung

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DE2148431B2 DE19712148431 DE2148431A DE2148431B2 DE 2148431 B2 DE2148431 B2 DE 2148431B2 DE 19712148431 DE19712148431 DE 19712148431 DE 2148431 A DE2148431 A DE 2148431A DE 2148431 B2 DE2148431 B2 DE 2148431B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, bei dem ein einen Fremdstoff enthaltender Oxydfilm auf eine Fläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht und der Fremdstoff aus dem Oxydfilm durch Erhitzen des mit dem Oxydfilm versehenen Substrats in oxydierender Atmosphäre in das Substrat eindiffundiert wird.
Ein Verfahren dieser Art, bei dem bei der Diffusion in oxydierender Atmosphäre eine reine Oxydschicht zwischen dem Oxydfilm und dem Substrat gebildet wird, ist aus Solid State Technology, Bd. 11, 1968, Nr. 10, Seiten 39 bis 42 bekannt.
Siliziumtransistoren und integrierte Schaltungen werden heute durch den planaren Prozeß hergestellt und selektive Diffusion wird unter Verwendung eines Siliziumdioxyds ausgeführt, das durch thermische Oxydation eines Siliziumsubstrats als Diffusionsmaske gebildet wird. Bei dieser selektiven Diffusion wird eine Diffusionsmaske aus Siliziumdioxyd auf der Fläche eines Siliziumsubstrats durch thermische Oxydation des Substrats gebildet und ein Diffusionsfenster durch Fotoätzen geöffnet. Das Siliziumsubstrat wird dann in einem Reaktionsofen mit gasförmiger Phase angeordnet und erhitzt, wodurch Phosphor oder Bor als Fremdstoff als reine Oxydschicht niedergeschlagen wird. Bei diesem Prozeß wird Phosphor oder Bor teilweise in das Silizium diffundiert. Vor der endgültigen Diffusion wird die auf der Fläche des Siliziums niedergeschlagene Oxydschicht durch Ätzen
entfernt, wobei die gewünschte Menge des Fremdstoffes auf der Fläche des Siliziums zurückbleibt. Falls die Ätzbehandlung nicht vollstäwdig ist, das Oxyd auf der Fläche des Siliziums vor dem Niederschlag des Fremdstoffs zurückgelassen wird oder das Oxyd nicht
ίο gleichförmig ist, wird der spezifische Schichtwiderstand der Diffusionsschicht sehr merklich geändert. Des weiteren erreicht der auf der Fläche des Siliziums gelassene Fremdstoff die feste Löslichkeit und viele Versetzungen treten auf. Die gewünschte Diffusions-
schicht kann durch Diffusion der obenerwähnten erforderlichen Fremdstoffmenge gebildet werden. Dieser Arbeitsprozeß wird in einer Sauerstoffatmosphäre ausgeführt, die durch warmes Wasser geführt worden ist, und gleichzeitig wird ein Schutzfilm aus Siliziumdi-
oxyd auf der Fläche der Diffusionsschicht gebildet. Wenn eine weitere Diffusion in die Diffusionsschicht ausgeführt werden soll, muß der Schutzfilm mit einer ausreichenden Dicke wie die Maske für die weitere Diffusion hergestellt werden. Jedoch haben dieser
»5 Schutzfilm urd die vorher verwendete Diffusionsmaske eine Differenz in der Dicke, und diese Ungleichmäßigkeit der Fläche bewirkt die Verringerung der Zuverlässigkeit auf Grund von Unterbrechungen und Kurzschlüssen beim Ausführen der Verdrahtung oder einer Mehrschichtverdrahtung auf dem Halbleitersubstrat.
Der Nachteil des selektiven Diffusionsverfahrens unter Verwendung des oben beschriebenen Oxydfilms kann durch das Verfahren der Diffusion von Festkörper zu Festkörper ausgeschaltet werden, das als Diffusionsquelle eine Oxydschicht verwendet, welche den zu diffundierenden Fremdstoff enthält. Eei diesem Verfahren kann die Fremdstoffkonzentration innerhalb der Oxydschicht über einen weiten Bereich ge-
steuert werden, so daß die Steuerung der Flächenkonzentration der Diffusionsschicht erleichtert werden kann und die Diffusion bei einer niedrigeren Temperatur auch möglich ist. Diese Oxydschicht wird üblicherweise während der Diffusionsbehandlung innerhalb einer Stickstoffatmosphäre ungeätzt gelassen und deshalb kann der Prozeß dieses Verfahrens im Vergleich mit dem selektiven Diffusionsverfahrer vereinfacht werden. Ein Verfahren zum Ausführer der selektiven Diffusion bei diesem Verfahren dei Diffusion von Festkörper zu Festkörper besteht darin die Oxydschicht auf dem gewünschten Flächenteil dei Siliziums zu belassen, jedoch wird üblicherweise SiIi ziumdioxyd als Diffusionsmaske verwendet, um der endgültigen Schutz des Halbleiterkörpers zu errei chen.
Es ist auch bei der Herstellung von Halbleitervor richtungen bekannt, Siliziumnitrid als Oxydations maske für Silizium zu verwenden (Bauelemente de Elektronik, 1970, Seiten 42, 44 und 46).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei ei nem Verfahren der eingangs genannten Art die Diffu sion an ausgewählten Stellen zu ermöglichen, ohm eine Diffusionsmaske zu verwenden. Gelöst wird dies' Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des An Spruchs 1 genannten Merkmate. Eine Anwendung de Verfahrens zum Herstellen eines Feldeffekttransistor ist im Anspruch 2 enthalten.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde fest
gestellt, daß dann, wenn der Oxydfilm und das Substrat in einer oxydierenden Atmosphäre, die keinen Wai-*-erstoff enthält, erhitzt werden, die Diffusion aus dem Oxydfilm auch über dem mit den Oxydations-Schutzfilmen nicht überzogenen Bereich auftritt. Wenn jedoch eine Wasserdampf enthaltende oxydierende Atmosphäre verwendet wird, wird eine wahrweise Diffusion nur über den gewünschten Bereich erreicht.
Bei der Erfindung wird die Wirkung ausgenützt, daß das Erhitzen in einer Wasserdampf enthaltenden oxydierenden Atmosphäre eine größere Ausdiffusion hervorruft und das Eindiffundieren des Fremdstoffs vom Oxydfilm in das Halbleitersubstrat verhindert wird. Bei der Erfindung dient somit der Oxydations-Schutzfilm nicht lediglich zur Verhinderung des Aufwachsens des Oxydfilms, sondern auch zur Verhinderung der Ausdiffusion aus dem Oxydfilm. Es wird keine Diffusionsmaske aus Siliziumdioxyd otler Siliziumnitrid auf dem Halbleitersubstrat gebildet, sondern die Diffusionsquelle, die bei der Diffusion von Festkörper zu Festkörper verwendet wird, d. h. der Oxydfilm, der den zu diffundierenden Fremdstoff enthält, wird direkt aufgebracht. Ein Oxydations-Schutzfilm wird auf dem Teil des Oxydfilms über dem Bereich des Halbleitersubstrats gebildet, in den der Fremdstoff selektiv diffundiert wird. Dann wird das Halbleitersubstrat in einer oxydierenden Atmosphäre, die Wasserdampf enthält, erhitzt. Bei dieser Wärmebehandlung diffundiert der Fremdstoff in das Halbleitersubstrat. Sauerstoff wird von der Fläche des Teiles des Oxydfilms diffundiert, auf dem der Oxydations-Schutzfilm nicht vorgesehen ist, und in diesem Teil findet die Diffusion des Sauerstoffs statt, so daß der Fremdstoff nicht diffundiert wird und nur eine Oxydation stattfindet. Der Oxydations-Schutzfilm verhindert die Ausdiffusion des Fremdstoffes aus dem Oxydfilm und verhindert auch die Oxydation des Halbleiters, die der Diffusion des Fremdstoffs vorangeht, und vervollständigt die Diffusion mit der gewünschten Flächenkonzentration. Der Fremdstoff wird zur Außenseite von dem Teil des Oxydfilms diffundiert, auf dem kein Oxydations-Schutzfilm vorgesehen ist, und es hat sich bestätigt, daß eine oxydierende Atmosphäre, die Wasserdampf enthält, im Vergleich zu einer Stickstoff atmosphäre mehr Fremdstoff extrahiert. Nachdem der Diffusionsprozeß beendet ist, verbleibt deshalb mehr Fremdstoff in dem Teil des Oxydfilms unter dem Oxydations-Schutzfilm und verbleibt weniger Fremdstoff in dem Teil des Oxydfilms, auf dem kein Oxydations-Schutzfilm gebildet wird.
Wenn das Halbleitersubstrat aus Silizium ist, wird die Fläche des Siliziums, auf welcher der Oxydations-Schutzfilm nicht vorgesehen ist, durch das neuerlich gebildete Siliziumdioxyd geschützt, und insbesondere wenn der Hauptbestandteil des Oxydfilms Siliziumdioxyd ist, wird diese Fläche des Siliziums durch Siliziumdioxyd geschützt, in dem weniger Fremdstoff zurückbleibt. Wenn der Hauptbestandteil des Oxydfilms Siliziumdioxyd ist und der Fremdstoff Bor ist, kann der Oxydfilm unter dem Oxydations-Schutzfilm nicht durch Eintauchen des Siliziumsubstrats in eine Oxydfilm-Ätzflüssigkeit nach dem Diffusionsprozeß entfernt werden. Der Oxydfilm kann aber durch dieselbe Ätzbehandlung entfernt werden, wenn der Fremdstoff Phosphor ist, da die Ätzgeschwindigkeit des Siliziumdas Phosohor enthält, schnell mit dem Anstieg der Phosphorkonzentration ansteigt. In diesem Falle zeigt Phosphorpentoxyd, das in dem Teil des Oxydfilms zurückbleibt, auf dem kein Oxydations-Schutzfilm vorgesehen ist, den bekannten Passivierungseffekt.
Eine zweite Diffusionsschicht kann in der ersten Diffusionsschicht in folgender Weise vorgesehen werden. Nachdem die erste Diffusion beendet ist, wird der Oxydfilm auf der Fläche des Halbleiters vollstän-
*° dig entfernt, dann wird ein neuer Oxydfilm, der einen Fremdstoff enthält, auf der Fläche des Halbleiters aufgebracht und ein Oxydations-Schutzfilm wird auf den Bereich aufgebracht, in den der Fremdstoff selektiv diffundiert werden soll. Das Substrat wird in einer oxydierenden Atmosphäre, die Dampf enthält, erhitzt, um den Fremdstoff selektiv zu diffundieren.
Der Oxydations-Schutzfilm, der bei der Erfindung verwendet wird, muß nicht vollständig die Durchdringung des Sauerstoffs in das Halbleitersubstrat verhin-
ao dem. Es ist nur erforderlich, die Oxydation des Halbleitersubstrats unter dem Oxydations-Schutzfilm wesentlich zu verhindern und die Diffusion des Fremdstoffs, der in dem Oxydfilm enthalten ist, zu ermöglichen. Zu diesem Zwecke wird ein Isolierfilm,
»5 wie Siliziumr.itrid oder Aluminiumoxyd, oder ein Metallfilm, wie Silizium, Chrom, Wolfram, Molybdän oder Nickel, als Oxydations-Schutzfilm verwendet. Es ist bisher unbedingt notwendig gewesen, eine Diffusionsmaske für die selektive Diffusion des Fremdstoffs zu verwenden, jedoch wird durch die Erfindung das Erfordernis der Verwendung der Diffusionsmaske durch die Schaffung eines neuen selektiven Diffusionsverfahrens bei dem Verfahren zum Diffundieren von Festkörper zu Festkörper unter Verwendung eines Oxydfilms, der den Fremdstoff als Diffusionsquelle enthält, ausgeschaltet. Bei bekannten Verfahren bewirkt der thermische Oxydationsprozeß für die Bildung der Diffusionsmaske des Siliziumdioxyds oft die Neuverteilung des Fremdstoffes, der in der vorher gebildeten Diffusionsschicht enthalten ist, wobei dieser Nachteil durch das Verfahren nach der Erfindung ausgeschaltet wird. Darüber hinaus kann ein neuer Siliziumdioxydfilm zum Schutz der Fläche des Siliziums bei dem selektiven Diffusionsprozeß gebildet werden. Dieser Film kann als bleibender Schutzfilm für die Halbleitervorrichtung verwendet werden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 bis 3 sind Querschnitte eines Haäbleitersubstrats bei dem Herstellungsprozeß eines MOS-Transistors;
Fig. 1 ist der Querschnitt eines Siliziumsubstrats, auf das ein Borsilikat-Glas aufgebracht worden ist, woraufhin Siliziumnitrid getrennt aufgebracht worden ist;
Fig. 2 ist der Querschnitt des Siliziumsubstrats der
Fig. 1, in das der Fremdstoff diffundiert worden ist; Fig. 3 ist der Querschnitt des Siliziumsubstrats der Fig. 2, auf das Abdeckungen aufgebracht worden sind, um das Borsilikat-Glas an den Teilen zu entfernen, wo Gate-Isolierschichten gebildet werden sollen. In Fig. 1 ist 10 ein n-Siliziumsubstrat mit einem spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm cm, auf dessen einer Seite ein Borsilikat-Glasfilm 11, der Bor enthält, das der zu diffundierende Fremdstoff ist, bis zu einer Dicke von 2500 A aufgebracht ist. Dieser Glasfilm 11 wird durch eine Reaktion in gasförmiger Phase von
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Monosilan SiH4, Diboran B2H6 und Sauerstoff gebildet. Monosilan und Diboran werden beide von einer durch Argon verdünnten Bombe dem Ofen für die Reaktion in gasförmiger Phase mit Stickstoff als Trägergas zugeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Diborans ist 1 % der gesamten Menge des Diborans und Monosilans. Sauerstoff wird dem Reaktionsofen mit einer Strömungsgeschwindigkeit von Monosilan zugeführt. Die Reaktionstemperatur ist 450° C. Nachdem der Glasfilm 11 gebildet worden ist, werden Siliziumnitridfilme 12 und 13 selektiv bis zu einer Dicke von 1500 A auf den Bereichen gebildet, auf denen die Source- und die Drain-Zone eines Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Eleketrode gebildet werden. Diese Siliziumnitridfilme können durch bekannte Verfahren gebildet werden. Siliziumnitrid wird nämlich auf die gesamte Fläche des Glasfilmes 11 durch eine Reaktion in gasförmiger Phase von Monosilan und Ammoniak aufgebracht und dann wird Siliziumdioxyd auf das Siliziumnitrid durch Reaktion in gasförmiger Phase des Monosilans und des Sauerstoffs aufgebracht. Dieses Siliziumdioxyd wird entfernt, wobei das Siliziumdioxyd in einem Muster identisch zu dem Muster des zurückzulassenden Siliziumnitrids übrigbleibt. Unter Verwendung dieses Siliziumdioxyds als Maske wird Siliziumnitrid durch siedende Phosphorsäure entfernt und zuletzt wird die Siliziumdioxydmaske durch Flußsäure entfernt. Dann wird die Diffusionsbehandlung ausgeführt. Das Siliziumsubstrat wird in ein Quarzrohr eingebracht und bei der Diffusionstemperatur von 1100° C erhitzt. Sauerstoffgas, das durch Wasser gegangen ist, das auf 98° C erhitzt ist, fließt in das Quarzrohr. Verschiedene Ergebnisse, wie sie in der nachfolgenden Tabelle gezeigt sind, können durch Ändern der Diffusionszeit erhalten werden.
Diffu Diffu Wasser Spezif. Tiefe Spezifischer
sions- sions- tempe Schicht des Widerstand des
tempe zeit ratur wider Über Teils des Sub
ratur (Min.) CC) stand gangs strats, auf dem
CC) (Ohm (/>) kein Silizium
Quadrat) nitridfilm gebildet
ist.
1100 20 98 139 144 6000 0.31-0.32
UOO 40 98 94.2-98.1 9 000 0.31
1100 60 98 65-67 15 000 0.3-0.31
Die Fläche des Teils des Siliziumsubstrats, auf dem der Siliziumnitridfilm gebildet ist, hat auf diese Weise den umgekehrten Leitfähigkeitstyp, während der spezifische Widerstand des Teils des Substrats, auf dem kein Siliziumnitrid vorgesehen ist, unverändert bleibt und eine selektive Diffusion möglich ist.
Fig. 2 ist ein Querschnitt des Siliziumsubstrats, bei dem die Diffusion vervollständigt ist. Die Source-Zone 14 und die Drain-Zone 15 werden unter Siliziumnitridfilmen 12 und 13 gebildet Die Bordiffusionsschicht steht über, wie dies die Zeichnung zeigt, da die Diffusion in einer oxydierenden Atmosphäre, die Dampf enthält, bei hoher Temperatur ausgeführt wird und die Oxydationsgeschwindigkeit hoch ist. Dies ist auf die Oxydation des Siliziums während der Diffusionsbehandlung zurückzuführen. Die Ausdiffusion von dem Teil des Glasfilms 11, der nicht von Sili ziumnitrid bedeckt ist, wird durch die Verwendung der Atmosphäre, die Dampf enthält, mit dem Ergebnis beschleunigt, daß nur eine sehr kleine Menge des Bor in dem Glasfilm 11 zurückbleibt und dieser Glas film 11 im wesentlichen als ein reiner Siliziumdioxyd film betrachtet werden kann. Ein reines Siliziumdioxyd, das bei dem Diffusionsprozeli gebildet worden ist und eng an das Siliziums gebunden ist, ist in der Zwischenfläche zwischen dem obenerwähnten Glas film 11 und dem Silizium vorhanden und die Halblei tervorrichtung kann durch dieses reine Siliziumdioxyd geschützt werden. Nachdem die Source-Zone und die Drain-Zone gebildet worden sind, wird eine dünne Gate-Isolierschicht gebildet. Siliziumnitridfilme 12
is und 13 sind als ein Tei) der Ätzmaske des Glasfilms 11 verwendbar und dies kann als sogenannte Selbstausrichtung betrachtet werden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird dann die Abdeckung 16 aufgebracht und der Glasfilm auf dem Teil, auf dem die Gate-Isolierschicht
so gebildet werden soll, wird durch die Ätzbehandlung entfernt. Eine Gate-Isolierschicht wird durch thermische Oxydation gebildet und danach wird das bekannte Verfahren angewendet und somit kann ein ρ Kanal-MOS-Transistor hergestellt werden.
as P-Kanal-MOS-Transistoren mit gegenüber dem obenerwähnten Transistor unterschiedlichen Eigenschaften können auf dieselbe Weise hergestellt werden. Zwei Teile von n-Silizium-Substraten mit einem spezifischen Widerstand von 3 Ohm · cm werden vor bereitet und Borsilikat-Glasfilme werden auf die Flä chen dieser Substrate bis zu einer Dicke von 2000A aufgebracht. Wie bei der vorangehenden Ausführungsform kann dieser Glasfilm durch Reaktion in gasförmiger Phase von Monosilan, Diboran und Sauerstoff gebildet werden, wobei die Durchflußleistung des Diborans 1 % der gesamten Durchflußleistung des Diborans und Monosilans ist. Die Reaktionstemperatur wird auf 450° C gesteuert. Wie bei der vorangehenden Ausführungsform werden die SiIi ziumnitridfilme auf dem Glasfilm in den Bereichen gebildet, wo die Source-Zone und die Drainzone gebildet werden sollen. Die Dicke dieses Siliziumnitridfilms wird zu 2000 A gemacht. Bor wird in das Siliziumsubstrat des ersten Teiles 30 Minuten lang bei
1000° C diffundiert und auch Bor wird in das Substrafl des zweiten Teiles 45 Minuten lang bei 1100° C difJ fundiert. Während dieser Diffusionsbehandlung wer J den beide Siliziumsubstrate einer Atmosphäre vot Sauerstoffgas ausgesetzt, die durch Wasser geleite
worden ist, das auf 90° C gehalten wird. Der Ab schnitt des Siliziumsubstrats, in den Bor diffundier worden ist, ist in Fig. 2 dargestellt, d. h. Bor ist nu in den Teil des Siliziumsubstrats unter dem Silizium ni trid diffundiert und nicht in den anderen Teil des Sub
strats diffundiert. Der spezifische Schichtwiderstand der Fläche des Teiles des Siliziums, auf den Bor dif fundiert worden ist, beträgt 177 Ohm in dem erste Teil und 107 Ohm in dem zweiten Teil und die Tief der Diffusion beträgt 0,8 μ in dem ersten Teil un 1,02 μ in dem zweiten Teil. Der obenerwähnte SiHz umnitridfilm, der bei der Diffusionsbehandlung vei wendet wird, kann als Ätzmaske verwendet werdeJ wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Wie bei «§er vorangehen den Ausführungsform werden dann Gate-Isoliej
6s schichten durch thermische Oxydation gebildet ui
somit werden p-Kanal-MOS-Transistoren hergcstel
Ein n-Kanal-MOS-Transistor kann unter Verwe
dung eines p-Silizhimsubsrrats und unter Verwendui
eines Phosphorsilikat-Glasfilms an Stelle des Borsilikat-Glasfilms hergestellt werden. In diesem Falle soll Molybdän oder Wolfram an Stelle des Siliziumnitrids als Oxydations-Schutzfilm verwendet werden, da Siliziumnitrid die Diffusion des Phosphor verzögert. Die Musterung des Molybdäns kann mittels < Ätzung unter Verwendung von verdünntei säure erhalten werden und die Bemusl Wolframs ist auch durch die Verwendung e ren Ätzflüssigkeit möglich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, bei dem ein einen Fremdstoff enthaltender Oxydfilm auf eine Fläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht und der Fremdstoff aus dem Oxydfilm durch Erhitzen des mit dem Oxydfilm versehenen Substrats in oxydierender Atmosphäre in das Substrat eindiffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem den Fremdstoff enthaltenden Oxydfilm über den Zonen des Substrats, in die der Fremdstoff einzudiffundieren ist, Oxydations-Schutzfilme, die verhindern, daß der Fremdstoff im Oxydfilm nach außen diffundiert, gebildet werden und daß das Erhitzen in einer Wasserdampf enthaltenden oxydierenden Atmosphäre durchgeführt wird, wodurch der Fremdstoff nur in den Zonen, in die der Fremdstoff einzudiffundieren ist, eindiffundiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter Gate-Elektrode, bei dem eine Source- und eine Drain-Zone gebildet werden und eine Gate-Isolierschicht auf einer Fläche des Substrats zwischen der Source- und der Drain-Zone angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydations-Schutzfilme über den Bereichen, in denen die Source- und die Drain-Zone zu bilden sind, selektiv gebildet werden, daß nach dem Erhitzen, bei dem die Source- und die Drain-Zone gebildet werden, unter Verwendung der Oxydations-Schutzfilme als Maske der Oxydfilm zwischen der Source- und der Drain-Zone selektiv abgeätzt und die Gate-Isolierschicht auf der abgeätzten Fläche des Substrats angebracht wird.
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