DE2263149C3

DE2263149C3 - Isolierschicht-Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2263149C3
Application number: DE2263149A
Authority: DE
Inventors: Hideo Tokyo Tsunemitsu
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1971-12-24
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1984-08-09
Also published as: JPS5124341B2; US3806778A; JPS4871190A; DE2263149B2; DE2263149A1

Description

ΔΔ OO

chen MIS-FET.

Wie F i g. 1 zeigt, ist zunächst ein Siliziumsubstrat 1 mit η-Leitung und einer η-Dotierung in einer Konzentration von 10'Vcm³ vorgesehea 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 Oberflächenschutzfilm 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 eine Tantalschicht 8 von ungefähr 70 nm Dicke und eine Aluminiumschicht 9 von ungefähr 1,5 μΐη Dicke auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 1, die mit dem Gate-IsolatorFdm 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-Doppelmetailschichten 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 μίτι Dicke durch elektrolytische Oxydation unter Verwendung von wäßriger zehnprozentiger Chromsäure-Lösung bei einer konstanten Formierspannung von 10 V über 10 Minuten, wodurch der poröse Aluminiumoxydfiim 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 Aiuminium-Oxydfilm 11 von ungefähr 0,1 μπι Dicke. Wo bereits ein poröser Aluminium-Oxydfilm über der Oberfläche der Aluminiumschicht 3 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 Tantalschichi 8 als Weg für ι 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

i'> zurückbleibt Es ist übrigens möglich, als Maske 11 in dem anodischen bzw. elektrolytischen Oxydationsprozeß in Fig.4 Siliziumoxyd, Siliziumnitrid, Glas, ein Metall wie etwa Titan oder ähnliches anstelle des 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 Aluminiumrchicht 9 als eine Maske verwendet, und der nicht bedeckte Teil der Tanialschicy · 8 wird in seiner ganzen Stärke in eine Tantal-Oxydschicb' 13 umgewandelt, wie es in F i g. 5 gezeigt ist.

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-

jo 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 Isoiationsfilni 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 Aluminiumoxydiihn 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 der. Wert von VV eines herkömmlichen MIS-FET als Funktion der Dicke eines Gate-Isolationsfiimes. 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 100 nm dünn ist, wie es in Kurve B gezeigt ist. Im Gegensatz dazu weist der MIS-FET nach der oben beschriebenen Ausfiilinmgsform, bei dem die Dicke des Gate-lsolationsfilmes 4 in der Größenordnung zwischen 100 und 300 ηm 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-Isolalionsdicke von bo 100 nm. Fig. 7 zeipt die Ergebnisse der sogenannten B-T-Behandlung, in der eine Vorspannung von + 20 V oder -20Y an die Gate-Elektrode des MIS-FET angelegt und diese auf 250° über eine Stande lang erwärmt wird. In der Abszisse in Fig.7 stellt 0 den b5 Zustand vor der B-T-Behandlung dar, + BT zeigt das Ergebnis der B-T-Behandlung mit positiver Vorspannung, 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, wänrend Fig.7B für einen herkömmlichen MIS-FET der obengenannten Art zeigt. Beide MlS-FETs weisen einen 100 nm dicken Gate-Isolationsfilm auf. Wie aus F i g. 7 ersichtlich ist, ist V₇- des bekannten MIS-FET sehr instabil, während Vt 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 Gegcnvorspannung von 80—90 V zur Lieferung einer Formierspannung vor 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 μηι 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 Aluminiumöberflächc stattfindet. Aus diesem Grund kann die anodische bzw. elektrolytische Oxydation nicht angewandt werden auf die Herstellung eines herkömmlichen w 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 elektrolytische Oxydation der Aluminiumschicht 9 fortgesetzt werden können, bis der ganze vorbestimmte Teil der Aluminiumschicht 9 in Aluminiumoxyd umgewandelt ist öarch 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 Senkenbereichen mit η-Leitung vorgesehen sind.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

LA 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, auf der eine Aluminiumschicht angeordnet ist, 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 gesamten Gate-Eiektrode aus Tantal (8-1) die Aluminiumschicht (9-i) angeordnet ist und daß auf der Oberfläche des nicht mit den Eektroden (8, 9) bedeckten Gebietes des ersten Isolierfilmes (5, 4) ein zweiter Isolierfilm (12, 13) ausgebildet ist, der aus einer Tamaloxidschicht (13)oind einer Aluminiumoxidschicht (12) besteht.

2. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Tantalschicht (8-1) 50 bis 100 nm und der Aluminiumschicht (9-1) 1 bis 1,7 μπι beträgt.

3. Isolierschicht-Feldeffektuansistor 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-Feldeffekttrpjisistors nach Anspruch 1 mit den Verfahrensschritten: Ausbilden von Source- und J5 Drain-Bereichen in einem Halblc iersubstrat, 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 d^r 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 Aluminiumschichi, 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 Bereichen elektrolytisch oxydiert und die provisorisehe Maske entfernt wird.

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-Isplatorfilm 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 Verfahren zur Herstellung des Isolierschicht-Feldeffekttransistors.

Ein derartiger Feldeffekttransistor ist aus der DE-OS 18 Ol 882 bekannt bei dem die Drain- und Source-EIekirode 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. Ferner sind zwar die beiden Endbereiche der Gate-Elektrode mit der Kontaktierung dienenden Anschlüssen in Form je einer Aiuminiumschicht bedeckt; zwischen diesen Anschlüssen besteht aber die Gate-Elektrode lediglich aus einer Tantalschicht, die einen hohen Widerstand hat, so dji? 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 gesamten Gate-Elektrode aus Tantal die 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 Aiummiumoxydschicht 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-AIuminium-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 VV 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 Wals Funktion der B-T-Behandlung im MIS-FET gemäß der Erfindung und im herkömmli-