DE2148431C3 - Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung

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DE2148431C3 DE2148431A DE2148431A DE2148431C3 DE 2148431 C3 DE2148431 C3 DE 2148431C3 DE 2148431 A DE2148431 A DE 2148431A DE 2148431 A DE2148431 A DE 2148431A DE 2148431 C3 DE2148431 C3 DE 2148431C3
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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
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s Itrlllt» vsAjruavilldll llivui*!- geschlagen 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 vollständig 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-
1S 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-
ao 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 und die vorher verwendete Diffusionsmaske eine Differenz in der Dicke, und diese Ungleichmäßigkoit 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. Bei diesem Verfahren kann die Fremdstoffkonzentration innerhalb der Oxydschicht über einen weiten Bereich gesteuert 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 Diffusionsverfahren vereinfacht werden. Ein Verfahren zum Ausführen der selektiven Diffusion bei diesem Verfahren der Diffusion von Festkörper zu Festkörper besteht darin, die Oxydschicht auf dem gewünschten Flächenteil des Siliziums zu belassen, jedoch wird üblicherweise Siliziumdioxyd als Diffusionsmaske verwendet, um den endgültigen Schutz des Halbleiterkörpers zu erreichen.
Es ist auch bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen bekannt, Siliziumnitrid als Oxydationsmaske für Silizium zu verwenden (Bauelemente der Elektronik, 1970, Seiten 42, 44 und 46).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Diffusion an ausgewählten Stellen zu ermöglichen, ohne eine Diffusionsmaske zu verwenden. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale. Eine Anwendung des Verfahrens zum Herstellen eines Feldeffekttransistors ist im Anspruch 2 enthalten. '
Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde fest-
S ' 3 4
gestellt, daß dann, wenn der Oxydfüm und das Sub- stieg der Phosphorkonzentration ansteigt. In diesem
§§ iirat in einer oxydierenden Atmosphäre, die keinen Falle zeigt Phosphorpentoxyd, das in dem Teil des
Wasserstoff enthält· erhitzt werden, die Diffusion aus Oxydfilms zurückbleibt, auf dem kein Oxydations -
dem Oxydfilm auch über dem mit den Oxydations- Schutzfilm vorgesehen ist, den bekannten Passivie-
Schutzfilmen nicht überzogenen Bereich auftritt. S rungseffekt.
Wenn jedoch eine Wasserdampf enthaltende oxydie- Eine zweite Diffusionsschicht kann in der ersten rende Atmosphäre verwendet wird, wird eine wahl- Diffusionsschicht in folgender Weise vorgesehen werp weise Diffusion nur über den gewünschten Bereich den. Nachdem die erste Diffusion beendet ist, wird ft erreicht der Oxydfilm auf der Fläche des Halbleiters vollstän-Bei der Erfindung wird die Wirkung ausgenützt, lo dig entfernt, dann wird ein neuer Oxydfilm, der einen daß das Erhitzen in einer Wasserdampf enthaltenden Fremdstoff enthält, auf der Fläche des Halbleiters oxydierenden Atmosphäre eine größere Ausdiffusion aufgebracht und ein Oxydations-Schutzfilm wird auf hervorruft und das Eijidiffundieren des Fremdstoffs den Bereich aufgebracht, in den der Fremdstoff selekvom Oxydfilm in das Halbleitersubstrat verhindert tiv diffundiert werden soll. Das Substrat wird in einer wird. Bei der Erfindung dient somit der Oxydations- »5 oxydierenden Atmosphäre, die Dampf enthält, er-ϊ:;. Schutzfilm nicht lediglich zur Verhinderung des Auf- hitzt, um den Fremdstoff selektiv zu diffundieren. |; Wachsens des Oxydfilms, sondern auch zur Verhinde- Der Oxydations-Schutzfilm, der bei der Erfindung H rung der Ausdiffusion aus dem Oxydfilm. Es wird verwendet wird, muß nicht vollständig die Durchdrin-H keine Diffusionsmaske aus Siliziumdioxyd oder Silizi- gung des Sauerstoffs in das Halbleitersubstrat verhinj| umnitrid auf dem Halbleitersubstrat gebildet, sondern »° dem. Es ist nur erforderlich, die Oxydation des HaIb- % die Diffusionsquelle, die bei der Diffusion von Fest- leitersubstrats unter dem Oxydations-Schutzfilm. i:| körper zu Festkörper verwendet wird, d.h. der Oxyd- wesentlich zu verhindern und die Diffusion des § film, der den zu diffundierenden Fremdstoff enthält, Fremdstoffs, der in dem Oxydfilm enthalten ist, zu % wird direkt aufgebracht. Ein Oxydations-Schutzfilm ermöglichen. Zu diesem Zwecke wird ein Isolierfilm, % wird auf dem Teil des Oxydfiims über dem Bereich a5 wie Siliziumnitrid oder Aluminiumoxyd, oder ein Me-■ des Halbleitersubstrats gebildet, in den der Fremdstoff tallfilm, wie Silizium, Chrom, Wolfram, Molybdän selektiv diffundiert wird. Dann wird das Halbleiter- oder Nickel, als Oxydations-Schutzfilm verwendet. Es ι substrat in einer oxydierenden Atmosphäre, die Was- ist bisher unbedingt notwendig gewesen, eine Diffuserdampf enthält, erhitzt. Bei dieser Wärmebehand- sionsmaske für die selektive Diffusion des Fremdstoffs, lung diffundiert der Fremdstoff in das Halbleitersuly- 3° zu verwenden, jedoch wird durch die Erfindung das strat. Sauerstoff wird von der Fläche des Teiles des Erfordernis der Verwendung der Diffusionsmaske Oxydfiims diffundiert, auf dem der Oxydations- durch die Schaffung eines neuen selektiven Diffu-Schutzfilm nicht vorgesehen ist, und in diesem Teil sionsverfahrens bei dem Verfahren zum Diffundieren findet die Diffusion des Sauerstoffs statt, so daß der von Festkörper zu Festkörper unter Verwendung eiv Fremdstoff nicht diffundiert wird und nur eine Oxyda- 35 nes Oxydfilms, der den Fremdstoff als Diffusionstion stattfindet. Der Oxydations-Schutzfilm verhin- quelle enthält, ausgeschaltet. Bei bekannten Verfah-• dert die Ausdiffusion des Fremdstoffes aus dem ren bewirkt der thermische Oxydationsprozeß für die : Oxydfilm und verhindert auch die Oxydation des Bildung der Diffusionsmaske des Siliziumdioxyds oft fi Halbleiters, die der Diffusion des Fremdstoffs voran- die Neuverteilung des Fremdstoffes, der in der vorher ; geht, und vervollständigt die Diffusion mit der ge- 4o gebildeten Diffusionsschicht enthalten ist, wobei die- ;<■ wünschten Flächenkonzentration. Der Fremdstoff ser Nachteil durch das Verfahren nach der Erfindung φ wird zur Außenseite von dem Teil des Oxydfilms dif- ausgeschaltet wird. Darüber hinaus kann ein neuer K fundiert, auf dem kein Oxydations-Schutzfilm vorge- Siliziumdioxydfilm zum Schutz der Fläche des Silizi- - i sehen ist, und es hat sich bestätigt, daß eine oxydie- ums bei dem selektiven Diffusionsprozeß gebildet rende Atmosphäre, die Wasserdampf enthält, im 45 werden. Dieser Film kann als bleibender Schutzfilm ■ Vergleich zu einer Stickstoffatmosphäre mehr Fremd- für die Halbleitervorrichtung verwendet werden.
stoff extrahiert. Nachdem der Diffusionsprozeß been- Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgen- ['■ det ist, verbleibt deshalb mehr Fremdstoff in dem Teil den an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindes Oxydfilms unter dem Oxydations-Schutzfilm und dung mit der Zeichnung näher erläutert,
verbleibt weniger Fremdstoff in dem Teil des Oxyd- 5<> Fig. 1 bis 3 sind Querschnitte eines Halbleitersubfilms, auf dem kein Oxydations-Schutzfilm gebildet strats bei dem Herstellungsprozeß eines MOS-Transiwird. stors;
Wenn das Halbleitersubstrat aus Silizium ist, wird Fig. 1 ist der Querschnitt eines Siliziumsubstrats,
die Fläche des Siliziums, auf welcher der Oxydations- auf das ein Borsilikat-Glas aufgebracht worden ist,
Schutzfilm nicht vorgesehen ist, durch das neuerlich 55 woraufhin Siliziumnitrid getrennt aufgebracht worden
gebildete Siliziumdioxyd geschützt, und insbesondere ist;
wenn der Hauptbestandteil des Oxydfilms Siliziumdi- Fig. 2 ist der Querschnitt des Siliziumsubstrats der
oxyd ist, wird diese Fläche des Siliziums durch Silizi- Fig. 1, in das der Fremdstoff diffundiert worden ist;
umdioxyd geschützt, in dem weniger Fremdstoff zu- Fig. 3 ist der Querschnitt des .Siliziumsubstrats der
rückbleibt. Wenn der Hauptbestandteil des Oxydfilms 6o Fig. 2, auf das Abdeckungen aufgebracht worden
Siliziumdioxyd ist und der Fremdstoff Bor ist, kann sind, um das Borsilikat-Glas an den Teilen zu entfer-
der Oxydfilm unter dem Oxydations-Schutzfilm nicht nen, wo Gate-Isolierschichten gebildet werden sollen,
durch Eintauchen des Siliziumsubstrats in eine Oxyd- In Fig. 1 ist 10 ein n-Siliziumsubstrat mit einem
film-Ätzflüssigkeit nach dem Diffusionsprozeß ent- spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm cm, auf dessen
fernt werden. Der Oxydfilm kann aber durch dieselbe 65 einer Seite ein Borsilikat-Glasfilm 11, der Bor enthält,
Ätzbehandlung entfernt werden, wenn der Fremdstoff das der zu diffundierende Fremdstoff ist, bis zu einer Phosphor ist, da die Ätzgeschwindigkeit des Silizium- Dicke von 250 nm aufgebracht ist. Dieser Glasfilm
dioxyds, das Phosphor enthält, sehne!! mit dem An- 11 wird durch eine Reaktion in gasförmiger Phase von
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 150 nm auf den Bereichen gebildet, auf denen die Source- und die Drain-Zone eines Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode 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- stons- tempe- Schicht- des Widerstand des
tempe- zeit ratur wider- Über- Teils des Subratur (Min.) (°C) stand gangs strats, auf dem
CC) (Ohm/ (nm) kein Silizium-Quadrat) nitridfilm gebildet ist.
1100 20 98 139-144 600 0.31-0.32
1100 40 98 94.2-98.1 900 0.31
1100 60 98 65-67 1500 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 fiber, 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 Siliziumnitrid 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-
S film 11 im wesentlichen als ein reiner Siliziumdioxydfilm betrachtet werden kann. Ein reines Siliziumdioxyd, das bei dem Diffusionsprozeß gebildet worden ist und eng an das Siliziums gebunden ist, ist in der Zwischenfläche zwischen dem obenerwähnten Glasfilm 11 und dem Silizium vorhanden und die Halbleitervorrichtung 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 Teil 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
ao 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 p-Kanal-MOS-Transistor hergestellt werden.
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 vorbereitet und Borsilikat-Glasfilme werden auf die Flächen dieser Substrate bis zu einer Dicke von 200 nm 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 SiIiziumnitridfilme auf dem Glasfilm in den Bereicher gebildet, wo die Source-Zone und die Drainzone gebildet werden sollen. Die Dicke dieses Siliziumnitridfilms wird zu 200 nm gemacht. Bor wird in das Siliziumsubstrat des ersten Teiles 30 Minuten lang bei 1000° C diffundiert und auch Bor wird in das Substrat des zweiten Teiles 45 Minuten lang bei 1100° C diffundiert. Während dieser Diffusionsbehandlung werden beide Siliziumsubstrate einer Atmosphäre vor Sauerstoffgas ausgesetzt, die durch Wasser geleitel worden ist, das auf 90° C gehalten wird. Der Abschnitt des Siliziumsubstrats, in den Bor diffundiert worden ist, ist in Fig. 2 dargestellt, d. h. Bor ist nui in den Teil des Siliziumsubstrats unter dem Siliziumnitrid diffundiert und nicht in den anderen Teil des Sub strats diffundiert. Der spezifische Schichtwiderstanc der Fläche des Teiles des Siliziums, auf den Bor diffundiert worden ist, beträgt 177 Ohm in dem erstet Teil und 107 Ohm in dem zweiten Teil und die Tiefe der Diffusion beträgt 0,8 μτη in dem ersten Teil υηέ
1,02 um in dem zweiten Teil. Der obenerwähnte Siliziumnitridfilm, der bei der Diffosionsbehandlung verwendet wird, kann als Ätzmaske verwendet werden wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Wie bei der vorangehen den Ausführungsform werden dann Gate-Isolier
schichten durch thermische Oxydation gebildet unc somit werden p-Kanal-MOS-Transistoren hergestellt
Ein n-Kanal-MOS-Transistor kann unter Verwen
dung eines p-Siliziumsubstrats und unter Verwendunj
eines Phosphorsilikat-Gtasfilms 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 chemischer Ätzung unter Verwendung von verdünnter Salpetersäure erhalten werden und die Bemusterung des Wolframs ist auch durch die Verwendung einer weiteren 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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