DE2263149B2

DE2263149B2 - Isolierschicht-Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2263149B2
Application number: DE2263149A
Authority: DE
Inventors: Keiichi Shimakura; Hideo Tsunemitsu
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1971-12-24
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1978-06-08
Also published as: DE2263149A1; DE2263149C3; JPS5124341B2; US3806778A; JPS4871190A

Description

Die Erfindung betrifft einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit einem Halbleitersubstrat und darin ausgebildeten Source- und Drain-Bereichen, mit einem Gate-Isolatorfilm und einem, einen Teil der Substratoberfläche bedeckenden ersten Isolierfilm, mit einer auf dem Gate-Isolatorfilm angeordneten Gate-Elektrode aus Tantal, mit aus einer Tantalschicht und einer Aluminiumschicht bestehenden Source- und Drain-Elektroden, die entsprechend mit den Source- und Drain-Bereichen verbunden sind, und sich auf der Oberfläche des ersten Isolierfilmes erstrecken, sowie ein

ίο Verfahren zur Herstellung des Isolierschicht-Feldeffekttransistors.

Ein derartiger Feldeffekttransistor ist aus der DE-OS 18 01 882 bekannt, bei dem die Drain- und Source-Elektrode aus einer Tantal- und einer Aluminiumschicht und die Gate-Elektrode aus einer Tantalschicht bestehen. Dabei wird jedoch der nicht mit den Elektroden bedeckte Teil der Siliziumoxidschicht freigelassen, so daß die beweglichen Fremdionen, wie etwa Na+-Ionen durch diese offenen Bereiche der Siliziumoxidschicht in den Gate-Isolatorfilm aus Siliziumoxid eindringen. Darüber hinaus besteht die mit zwei Anschlüssen versehene Gate-Elektrode lediglich aus einer Tantalschicht, die einen hohen Widerstand hat, so daß der Feldeffekttransistor für verschiedene Gate-Bereiche verschiedene Schwellwertspannungen hat (Regelkennlinie).

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor der obengenannten Art zu schaffen, der eine niedrige und einheitliche, stabile Gate-Schwellwertspannung besitzt und bei dem zudem das Eindringen von Fremdionen in den Gate-Isolatorfilm verhindert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf der Gate-Elektrode aus Tantal eine Aluminiumschicht angeordnet ist und daß auf der Oberfläche des nicht mit den Elektroden bedeckten Gebietes des ersten Isolierfilmes ein zweiter Isolierfilm ausgebildet ist, der aus einer Tantaloxidschicht und einer Aluminiumoxydschicht besteht

Es hat sich gezeigt, daß die Tantaloxidschicht als eine starke Schranke gegen Fremdionen wie Na+-Ionen wirkt und daß der Gate-Isolatorfilm nicht durch solche Fremdionen verunreinigt wird. Damit kann die Schwellwertspannung stabil und niedrig gehalten werden.

Durch die Verwendung der Tantal-Aluminium-Doppelschicht als Gate-Elektrode wird insbesondere die Gate-Schwellwertspannung vermindert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Isolierschicht-Feldeffekttransistors sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.

Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Isolierschicht-Feldeffekttransistors sind in den Unteransprüchen 4 und 5 beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 bis 5 schematische Querschnittszeichnungen eines MIS-FET gemäß der Erfindung in einzelnen Herstellungsstufen;
F i g. 6 ein Diagramm, bei dem W als eine Funktion der Dicke des Gate-Isolatorfilmes im MIS-FET gemäß der Erfindung und in einem herkömmlichen MIS-FET aufgetragen ist; und

F i g. 7A und 7B W als Funktion der B-T-Behandlung im MIS-FET gemäß der Erfindung und im herkömmlichen MIS-FET.

Wie F i g. 1 zeigt, ist zunächst ein Siliziumsubstrat 1 mit η-Leitung und einer η-Dotierung in einer Konzentration von lO'Vcm³ vorgesehen. In dem n-leitenden

Substrat 1 sind Source- und Drain-Bereiche 2 und 3 mit p-Leitung vorgesehen, während auf der Oberfläche des Substrates 1 ein Gate-Isolatorfilm 4 und ein Oberflächenschutz-Isolationsfilm 5 gebildet sind, wobei beide Filme aus Siliziumoxyd gebildet werden, welches keinen Schutzeffekt gegen Fremdionen besitzt. Der Gate-Isolatorfilm 4 wird zwischen Source und Drain 2 und 3 vorgesehen. In dem Oberflächenschutzfilrn 5 sind Kontaktlöcher 6 und 7 vorgesehen für eine elektrische Verbindung mit den Source- und Drain-Bereichen 2 und 3. Der Aufbau, wie er oben erläutert und in F i g. 1 gezeigt ist, ist nicht Gegenstand der Erfindung und kann in bekannter Weise hergestellt werden.

In F i g. 2 ist eint· Tantalschicht 8 von ungefähr 700 A Dicke und eine Aluminiumschicht 9 von ungefähr 1,5 Mikron Dicke auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 1, die mit dem Gate-Isolatorfilm 4 und dem Oberflächenschutzfilm 5 versehen ist, aufgebracht Die Oberfläche des Tantals oxydiert leicht, wenn sie Luft ausgesetzt wird. Deshalb werden Tantal und Aluminium kontinuierlich verdampft in derselben Glocke ohne Ausschalten des Vakuums bei der Bildung der Tantal-Aluminium-Doppelmetallschichten 8 und 9.

Danach wird die selektive elektrolytische Oxydation der Doppelmetallschichten vorgenommen. Zuerst wird eine provisorische Maske 10 aus Photoätzlack, Siliziumoxyd, Glas oder ähnlichem vorgesehen zum Bedecken eines Teiles der Aluminiumschicht 9, der in Oxyd umgewandelt werden soll wie es in F i g. 3 gezeigt ist. Wo ein Photoätzlack als vorläufige Maske 10 verwendet wird, wird vorzugsweise im voraus die ganze Oberfläche der Aluminiumschicht 9 umgewandelt in einen porösen Aluminiumoxydfilm (nicht gezeigt) von ungefähr 0,1 Mikron Dicke durch elektrolytische Oxydation unter Verwendung von wäßriger zehnprozentiger Chromsäure-Lösung bei einer konstanten Formierspannung von 10 V über 10 Minuten, wodurch der poröse Aluminiumoxydfilm das Haftvermögen des Photoätzlacks bei der darauffolgenden elektrolytischen Oxydation vergrößert. Die in F i g. 3 gezeigte Anordnung mit einer vorläufigen Maske 10 wird in Formlösung aus mit Ammoniumborat gesättigtem Äthylenglykol getaucht. Durch Verbinden des Substrates 1 und der Metallschichten 8 und 9 mit einer Anode einer Gleichspannungsquelle mit einer Spannung von 80 V und einer in der Formlösung angeordneten Elektrode mit einer Katode der Spannungsquelle wird die selektive elektrolytische Oxydation über eine Dauer von 15 Minuten ausgeführt, um die Oberfläche der Aluminiumschicht 9, die nicht mit der Maske 10 bedeckt ist, umzuwandeln in einen dichten, nicht porösen Aluminium-Oxydfilm 11 von ungefähr 0,1 Mikron Dicke. Wo bereits ein poröser Aluminium-Oxydfilm über der Oberfläche der Aluminiumschicht 9 gebildet ist, wird der dichte Aluminium-Oxydfilm 11 unter diesem porösen Film gebildet.

Danach wird die provisorische Maske 10 entfernt und die selektive anodische Oxydation in derselben Weise ausgeführt, wie oben erwähnt, wobei der dichte Aluminiumoxidfilm 11 als Maske in einer Formlösung von 10% verdünnter Schwefelsäure bei einer Gleichspannung von 20 V verwendet wird. Als Ergebnis wird die gesamte Dicke des Teiles der Aluminiumschicht 9, die vorher mit einer provisorischen Maske versehen und jetzt nicht mit dem dichten Aluminiumfilm 11 bedeckt ist, in eine poröse Aluminiumoxydschicht 12 umgewandelt, wie es in F i g. 4 gezeigt ist.

In der in Fig.4 gezeigten anodischen Oxydation wirkt die darunterliegende Tantalschicht 8 als Weg für den Formierstrom, wodurch der unbedeckte Teil des Aluminiums vollständig oxydiert werden kann trotz einer gewissen Änderung in der Dicke an der Aluminiumschicht 9, und es besteht keine Möglichkeit, daß nicht umgewandeltes Aluminium in dem Oxydteil 12 zurückbleibt. Es ist übrigens möglich, als Maske 11 in dem anodischen bzw. elektrolytischen Oxydationsprozeß in Fig.4 Siliziumoxyd, Siiiziumnifrid, Glas, ein Metall wie etwa Titan oder ähnliches anstelle des

ίο dichten Aluminiumoxyds zu verwenden. In diesem Falle ist der in bezug auf F i g. 3 beschriebene Vorgang nicht notwendig.

Anschließend wird eine elektrolytische Oxydation in einer 3% wäßrigen Lösung von Ammoniumzitrat bei einer konstanten Formierspannung von 200 V ausgeführt Bei diesem Vorgang wird die verbleibende Aluminiumschicht 9 als eine Maske verwendet, und der nicht bedeckte Teil der Tantalschicht 8 wird in seiner ganzen Stärke in eine Tantal-Oxydschicht 13 umgewandelt, wie es in F i g. 3 gezeigt ist

Da die Tantalschicht 8 sehr dünn ist (1000 A oder weniger und 700 A in dieser Ausführungsform) wird die Filmdicke beim Verdampfen auf ein Minimum vermindert, und der unbedeckte Teil dieser Schicht wird in eine einheitliche Oxydschicht ohne zurückbleibenden Tantalteil umgewandelt

Auf diese Weise wird ein MIS-FET hergestellt, wie in Fig.5 gezeigt ist bei dem eine Gate-Elektrode zusammengesetzt ist aus einer Tantalschicht 8-1 und einer Aluminiumschicht 9-1, und die auf einem Gate-Isolatorfilm 4 angeordnet ist. Auch eine Source- und eine Drain-Elektrode sind aus Tantal-Aluminium-Doppelschichten 8-2,9-2 und 8-3, 9-3 zusammengesetzt und über Kontaktöffnungen 6 und 7 (F i g. 1) verbunden mit den Source- und Drain-Bereichen 2 und 3. Die Abstände zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode und zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode werden mit einem doppelschichtigen Isolationsfilm aus Tantaloxyd 13 und Aluminiumoxyd 12 gefüllt. Die Aluminiumschichten 9-1, 9-2 und 9-3 der entsprechenden Elektroden werden darüber hinaus mit dem dichten Aluminiumoxydfilm 11 beschichtet

Im weiteren werden mit der Erfindung erreichte technische Vorteile beschrieben. Es wird dazu auf F i g. 6 Bezug genommen. Die Kurve B zeigt den Wert von VV eines herkömmlichen MIS-FET als Funktion der Dicke eines Gate-Isolationsfilmes. In dem herkömmlichen MIS-FET ist der Gate-Isolationsfilm zusammengesetzt aus einer Siliziumoxydschicht und einer Phosphorsilikat-Glasschicht, und die Elektroden sind nur aus Aluminium gebildet. Bei einem solchen Aufbau ist es schwierig, VV auf weniger als —2 V zu vermindern, und zwar sogar dann, wenn der Gate-Isolationsfilm 1000 A dünn ist, wie es in Kurve B gezeigt ist. Im Gegensatz dazu weist der MIS-FET nach der oben beschriebenen Ausführungsform, bei dem die Dicke des Gate-Isolationsfilmes 4 in der Größenordnung zwischen 1000 und 3000 Ä geändert wurde, einen merklich verminderten Wert Vt auf, wie es die Kurve A zeigt So beträgt der Wert für VV -1,2 V bei einer Gate-Isolationsdicke von 1000A. Fig.7 zeigt die Ergebnisse der sogenannten B-T-Behandlung, in der eine Vorspannung von +20 V oder -20V an die Gate-Elektrode des MIS-FET angelegt und diese auf 250° über eine Stunde lang erwärmt wird. In der Abszisse in F i g. 7 stellt 0 den Zustand vor der B-T-Behandlung dar, +BT zeigt das Ergebnis der B-T-Behandlung mit positiver VorsDan-

nung, und -B-T ist das Ergebnis der B-T-Behandlung mit negativer Vorspannung.

Fig. 7A zeigt ein Ergebnis für den MIS-FET der in Fig.5 gezeigten Ausführungsform, während Fig. 7B für einen herkömmlichen MIS-FET der obengenannten Art zeigt. Beide MIS-FETs weisen einen 1000 A dicken Gate-Isolationsfilm auf. Wie aus F i g. 7 ersichtlich ist, ist Vt des bekannten MIS-FET sehr instabil, während VV bei dem MIS-FET gemäß der Erfindung sich kaum ändert mit der B-T-Behandlung und daher sehr stabil ist.

Ferner trägt der dichte Aluminiumoxydfilm 11, der die Oberfläche der Aluminiumschicht bedeckt, stark zur Verminderung solcher Probleme wie dem Kurzschluß von Elektroden als Folge einer Ansammlung von Schmutz und mechanischer Zerstörung von Elektroden als Folge von Zerkratzung bei, was sich in einer merklichen Verbesserung bezüglich der Zuverlässigkeit als auch der Produktionsergebnisse ausdrückt.

In einem MIS-FET mit p-Kanal, wie er in Fig.3 gezeigt ist, besitzt das Substrat 1 η-Leitung, während die Source- und Drain-Bereiche 2, 3 p-Leitung besitzen. Daher benötigt dieses die Anwendung einer Gegenvorspannung von 80—90 V zur Lieferung einer Formierspannung von dem Substrat 1 durch die p-n-Grenzschicht in umgekehrter Richtung über die Quellen- und Senkenbereiche 2,3 zu der Metallschicht 9. Es ist jedoch unmöglich, einen nicht porösen Aluminiumoxydfilm 11 herzustellen, der einer Spannung von mehr als 20—30 V widersteht. Entsprechend muß die der Metallschicht 9 zugeführte Formierspannung von der metallischen Schicht 9 per se kommen. Bei dem herkömmlichen MIS-FET ist keine der Schicht 8 in F i g. 3 entsprechende metallische Schicht unter der Aluminiumschicht 9 vorhanden. Da die Aluminiumschicht verhältnismäßig dick ist (1 Mikron oder mehr), variiert die Dicke unvermeidlich, und in Abhängigkeit von der Variation der Schichtdicke bleibt oft nicht in Aluminiumoxyd umgewandeltes Alumuminium zurück in der letzten Stufe der anodischen Oxydation, die für die Aluminiumoberfläche stattfindet. Aus diesem Grund kann die

ίο anodische bzw. elektrolytische Oxydation nicht angewandt werden auf die Herstellung eines herkömmlichen MIS-FET mit p-Kanal. Im Gegensatz dazu besitzt der MIS-FET gemäß der Erfindung die darunter liegende Tantalschicht 8, die zum Zuführen des Formierstromes zu der Aluminiumschicht 9 dienen kann. Selbst wenn Variationen der Dicke der Aluminiumschicht 9 in einem gewissen Ausmaß auftreten, wird, da Tantal kaum eloxiert wird durch einen für die elektrolytische Oxydation des Aluminiums verwendete Elektrolyten, die elektroiytische Oxydation der Aluminiumschicht 9 fortgesetzt werden können, bis der ganze vorbestimmte Teil der Aluminiumschicht 9 in Aluminiumoxyd umgewandelt ist durch den die Tantalschicht durchfließenden Formierstrom. Auf diese Weise kann ein MIS-FET mit p-Kanal leicht nach der Erfindung hergestellt werden.

Die Erfindung kann gleichermaßen angewendet werden auf die Herstellung eines MIS-FET mit n-Kanal, in dem ein Substrat mit p-Leitung und Quellen- und Senkenberetchen mit η-Leitung vorgesehen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit einem Halbleitersubstrat und darin ausgebildeten Source- und Drain-Bereichen, mit einem Gate-Isolatorfilm und einem, einen Teil der Substratoberfläche bedeckenden ersten Isolierfilm, mit einer auf dem Gate-Isolatorfilm angeordneten Gate-Elektrode aus Tantal, mit aus einer Tantalschicht und einer Aluminiumschicht bestehenden Source- und Drain-Elektroden, die entsprechend mit den Source- und Drain-Bereichen verbunden sind, und sich auf der Oberfläche des ersten Isolierfilmes erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gate-Elektrode aus Tantal (8-1) eine Aluminiumschicht (9-1) angeordnet ist und da3 auf der Oberfläche des nicht mit den Elektroden (8, 9) bedeckten Gebietes des ersten Isolierfilmes (5,4) ein zweiter Isolierfilm (12, 13) ausgebildet ist, der aus einer Tantaloxidschicht (13) und einer Aluminiumoxidschicht (12) besteht

2. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Tantalschicht (8-1) 500 bis 1000 A und der Aluminiumschicht (9-1) 1 bis 1,7 Mikron beträgt.

3. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen auf der Aluminiumschicht (9) angeordneten dritten Isolierfilm (11) aufweist, der aus dichtem Aluminiumoxyd besteht

4. Verfahren zur Herstellung eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors nach Anspruch 1 mit den Verfahrensschritten: Ausbilden von Source- und Drain-Bereichen in einem Halbleitersubstrat, Bedekken der Substratoberfläche mit einem Gate-Isolatorfilm und einem Isolierfilm, Ausbilden von Kontaktöffnungen mit den Source- und Drain-Bereichen im Isolierfilm, Aufbringen einer Tantalschicht auf der mit dem Gate-Isolatorfilm und dem Isolierfilm bedeckten Substratoberfläche, Aufbringen einer Aluminiumschicht auf der Tantalschicht und Ausbilden der Elektroden aus der Aluminium- und der Tantalschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Aluminiumschicht, die zur Ausbildung der Elektroden bestimmt sind, mit einer Maske bedeckt werden, daß die Aluminiumschicht in den nicht von der Maske bedeckten Bereichen in ihrer gesamten Dicke in eine poröse Aluminiumoxidschicht und dann die unter der Aluminiumoxidschicht liegende Tantalschicht in ihrer gesamten Dicke in eine Tantaloxidschicht elektrolytisch umgewandelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske zum Bedecken der Bereiche der Aluminiumschicht, die zur Ausbildung der Elektroden bestimmt sind, aus einem nicht porösen Aluminiumfilm auf der Oberfläche der Aluminiumschicht besteht, wobei der Film durch Abdecken der nicht für die Ausbildung der Elektroden bestimmten Bereiche mit einer provisorischen Maske gebildet wird, daß die Oberfläche der Aluminiumschicht in den nicht durch die provisorische Maske bedeckten Bereiche elektrolytisch oxydiert und die provisorische Maske entfernt wird.