DE2309615A1 - Verfahren zum herstellen einer phosphorsilicatglasschicht durch kathodenzerstaeubung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer phosphorsilicatglasschicht durch kathodenzerstaeubung

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DE2309615A1 DE19732309615 DE2309615A DE2309615A1 DE 2309615 A1 DE2309615 A1 DE 2309615A1 DE 19732309615 DE19732309615 DE 19732309615 DE 2309615 A DE2309615 A DE 2309615A DE 2309615 A1 DE2309615 A1 DE 2309615A1
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Description

Böblingen, 13. Februar 1973 oe-we
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 058
Verfahren zum Herstellen einer Phosphorsilicatglasschicht durch Kathodenzerstäubung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Phosphorsilicatglasschichten durch Kathodenzerstäubung unter Verwendung einer Auftreffplatte aus Quarzglas.
In S102-Schichten eingebautes P2 0C verhindert die Bildung von Inversionsschichten in Halbleitermaterial an der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und SiO2~Schicht. Dabei handelt es sich im wesentlichen um die Bildung einer negativ geladenen Schicht an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und einer Isolierschicht. Die Bildung dieser Schicht wird verursacht durch die Wanderung von positiv geladenen Ionen innerhalb der Isolierschicht unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes in ein Gebiet, das der Halbleiteroberfläche benachbart ist. Diese positiv geladenen Ionen, bei denen es sich hauptsächlich um Natriumionen handelt, ziehen Elektronen aus dem Halbleiterkörper an die Halbleiteroberfläche. Diese Erscheinung stört besonders bei Halbleitern vom η-Typ, weil die Zunahme der negativen Ladungen in einem Gebiet dessen n-Leitfähigkeit erhöht. Die Bildung einer Inversionsschicht beeinflußt stark
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die Schwellwertspannung von Feldeffekttransistoren. Es wurde erkannt, daß P2 O 5 die positiv geladenen Ionen festhält und sie an der Wanderung hindert.
Die Kathodenzerstäubung ist als Verfahren zum Herstellen von Oxidschichten bei Temperaturen unterhalb 500 C bekannt. Mit diesem Verfahren wurden auch schon dotierte Oxidschichten hergestellt.
So wurde versucht, Phosphorsilicatglasschichten durch Kathodenzerstäubung unter Verwendung einer aus Phosphorsilicatglas bestehenden Auftreffplatte herzustellen. Es ist jedoch mit diesem Verfahren schwierig, die Konzentration des Po0K *·η äer aufwachsenden Schicht zu steuern, bzw. überhaupt die notwendige Menge an P2 0R in die aufwachsende Schicht zu bringen. Ein großer Teil des aus der Auftreffplatte herausgeschlagenen P 0 entweicht offensichtlich aufgrund seines hohen Dampfdruckes.
Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen der Dotierungsstoff nicht in die Auftreffplatte eingelagert ist. Im IBM TDB, Band 9, Nummer 10, 1967, Seite 1417 z.B. wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der Dotierungsstoff auf die Anode gebracht wird und dann durch geeignete Steuerung der Zerstäubung Teilchen des Dotierungsstoffs in fester From abgetragen und schließlich in die aufwachsende Schicht eingebaut werden. Es ist schwierig, mit diesem Verfahren homogen zu dotieren.
Deshalb wurde versucht, wie im IBM TDB Band 11, Nummer 5, 1968, Seite 454 beschrieben ist, Phosphorsilicatglasschichten durch Einbringen von gasförmigem Phosphorwasserstoff in dem Kathodenzerstäubungsraum herzustellen. Die Auftreffplatte bestand in diesem Fall aus Quarzglas. Phosphorwasserstoff ist aber giftig, und deshalb nur mit großer Vorsicht zu behandeln. Außerdem ist die Zersetzung des Phosphorwasserstoffs schwierig zu kontrollieren.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, homogene Phosphor-Fi 971 058 309836/1126
silicatglasschichten bei Temperaturen < 500 °c in einem Verfahrensschritt gefahrlos und kontrolliert herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß gasförmiges P3O5 in die Glimmentladung zwischen Anode (28) und Kathode (22) gebracht wird. P2°5 "*-st e*ne stabile Verbindung, die sich verdampfen läßt. Die Phosphorsilicatglasschicht wird in einem Verfahrensschritt hergestellt.
In der Phosphorsilicatglasschicht wird eine optimal Ionen festhaltende P,Oj.-Konzentration eingestellt, wenn ein P-Oc-Dampf-
-3 -3
druck zwischen 2 χ 10 und 5 χ 10 Torr erzeugt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn das P3O5 aus mindestens einem, auf der Anode (28) stehenden Behälter (60) herausverdampft wird. Dabei läßt sich die Erwärmung der Anode beim Kathodenzerstäuben zum Heizen der das P3O5 enthaltenden Behälter ausnutzen, wobei die notwendige Temperatur durch entsprechende Kühlung der Anode eingestellt wird. Die Zahl der notwendigen Behälter richtet sich nach der Zahl und der Größe der Substrate, auf die eine Phosphorsilicatglasschicht aufgebracht werden soll.
Zur Einstellung des optimalen Dampfdrucks des P?0_ ist es vorteilhaft, wenn die Ρ2°5 enthaltenden Behälter (60) auf 300 bis 400 0C erhitzt werden.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich besonders dann ausnützen, wenn die Phosphorsilicatglasschicht auf Halbleiterplättchen aufgebracht wird, wird dem Verfahren erlaubt, reproduzierbar die ganze Plättchenoberfläche homogen zu dotieren.
Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
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-A-
Fig. 1 in Seitenansicht eine Kathodenzerstäubungsan
lage zur Durchführung des Verfahrens, und
Fig. 2 einen Substrathalter in Draufsicht, zur Ver
deutlichung einer günstigen Anordnung der Halbleiterplättchen und der Behälter, die P-O5 enthalten.
Eine Hochfrequenzkathodenzerstäubungsanlage, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist, zeigt Fig. 1. Die Kathodenzerstäubung findet in einer Kanuner statt, die aus der Bodenplatte 12, einer auf dieser Bodenplatte aufstehenden zylindrischen Wandung 14 und aus einer auf der zylindrischen Wandung aufliegenden Deckplatte 2O besteht. Die vakuumdichte Verbindung zwischen der zylindrischen Wandung und den beiden Platten besorgen die Dichtungen 16. Eine Kathode 22 hängt an der Deckplatte 20 und ist von ihr durch die Isolation 2 4 isoliert. Die Auftreffplatte 26 ist auf der unteren Oberfläche der Kathode 22 gegenüber der als Substrathalter ausgebildeten Anode 28 befestigt. Es ist günstig, die Kathode 22 zu kühlen, indem in die ausgehöhlte Kathode 22 konzentrisch ein Rohr 30 eingeführt und dann Wasser oder ein anderes flüssiges Kühlmittel durch die Kathode, in Richtung der Pfeile Pfeile 31 und 32, geleitet wird. Eine Abschirmung 34 umgibt die Kathode 22, wobei ein Abstand zwischen Abschirmung und Kathode gewahrt ist. Ddadurch wird eine Kathodenzerstäubung auf der Rückseite der Kathode verhindert. Die Anode 28 ruht auf den aus Isoliermaterial bestehenden Säulen 36, die ihrerseits auf der Bodenplatte 12 stehen. Das Kühlrohr 38 kontaktiert die Unterseite der Anode 28 und hat die doppelte Funktion, die Anode zu kühlen und den elektrischen Kontakt zu ihr herzustellen. Das Kühlrohr 38 wird durch den aus einem dielektrischen Material bestehenden Block 40 in die Kammer hinein und aus ihr herausgeführt. Durch das Einlaßrohr 42, das durch das Ventil 44 abgesperrt werden kann, wird Gas in die Kammer eingelassen, über das Auslaßrohr 46, das mit einer Vakuumpumpe 4 8 in Verbindung
„,„™ 309836/1126
steht, kann Gas aus der Kammer abgesaugt werden. Mittels des HF-Generators 50 kann ein HF-Potential zwischen die Grundplatte 12 und die Kathode 22 gelegt werden. Eine variable Impedanz und ein Kondensator 54 sind in Reihe zwischen die Grundplatte und die Anode 28 gelegt, um eine Vorspannung an die Anode 28 zu legen. Wird der HF-Generator eingeschaltet, so bildet sich zwischen der Kathode 22 und der Anode 28 eine Glimmentladung, die bewirkt, daß Teilchen aus der Auftreffplatte 26 herausgeschlagen werden, welche anschließend auf Gegenständen, die auf der Anode 28 liegen, niedergeschlagen werden.
Bei der Durchführung des Verfahrens stehen ein oder mehrere Behälter 60, die bevorzugt aus Tantal bestehen, auf der Anode 28, wie es in den Fign. 1 und 2 dargestellt ist. Jeder Behälter 60 enthält eine bestimmte Menge fein pulverisiertes p 2°5' ^as beim Erhitzen verdampft und das Gebiet des sichtbaren Teils der Glimmentladung zwischen den Elektroden durchdringt. Die p 2°5~ Moleküle werden zusammen mit dem aus der Auftreffplatte herausgeschlagenen Glasmaterial, bei dem es sich im allgemeinen um Quarz handelt, auf den auf der Anode liegenden Halbleiterplättchen 62 unter Bildung einer Phosphorsilicatglasschicht niedergeschlagen. Bei der Kathodenzerstäubung wird die Anode 28 durch die angelegte HF-Leistung genügend erhitzt, um das P?0_ in den Behältern 60 zum Verdampfen zu bringen. Es wurde gefunden, daß eine Leistungsdichte im Bereich zwischen 10 und 20 Watt pro
2
6,452 cm ausreicht, um die Temperatur der Anode auf 300 bis 450 0C zu erhitzen. Die Temperatur der Anode 28 kann gesteuert werden, indem man eine Kühlflüssigkeit^ in Richtung der Pfeile durch das Kühlrohr 38 strömen läßt. Sofern es jedoch nötig oder wünschenswert ist, können die Behälter 60 auch getrennt durch eine andere geeignete Heizung erhitzt werden. Die notwendige Zahl der Behälter 60 ergibt sich aus dem erwünschten P_0--Gehalt in dem herzustellenden Phosphorsilicatglas, der Temperatur der Anode 28 während der Kathodenzerstäubung und aus der Größe der Anodenoberfläche. Der Dampfdruck des Ρ-,Ο^ in der sichtbaren
-3 Glimmentladung liegt bevorzugt im Bereich zwischen 2 χ 10 und
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5 χ 10 Torr. Die Auftreffplatte 26 kann aus jeder Glaszusammensetzung bestehen, aus der sich mit P?0_ Phosphorsilicatglas herstellen läßt. Bevorzugt besteht die Auftreffplatte 26 aus Quarzglas. Ein brauchbarer P O1.-Gehalt in der auf den Halbleiterplättchen 62 niedergeschlagegen Phosphorsilicatglasschicht liegt im Bereich zwischen 3 und 5 Molprozent. In den meisten Fällen reicht dies aus, um die positiven Ladungsträger in der Isolierschicht festzuhalten.
Die folgenden Beispiele sollen das Verfahren noch weiter verdeutlichen.
Beispiel 1
Mit einer Kathodenzerstäubungsanlage, die der in der Fig. 1 gezeigten ähnlich war, wurde in fünf Versuchen je ein Halbleiterplättchen dem beschriebenen Verfahren unterworfen. Bei allen fünf Versuchen wurde eine Auftreffplatte aus Quarzglas benutzt, die von der Anode einen Abstand von etwa 38 mm hatte. Auf die Anode wurde ein einzelnes Halbleiterplättchen gelegt und im Umkreis um dieses Plättchen wurden vier Behälter gestellt.
Zwischen der Anode und der Kathode fand ein einer Leistungsdichte
2
von 14 Watt pro 6,542 cm entsprechender Leistungsverbrauch von 500 Watt statt. Durch entsprechende Einstellung der variablen Impedanz wurde eine Vorspannung von -100 V zwischen der Boden-
_2 platte und der Anode angelegt. Ein Argondruck von 2 χ 10 Torr wurde während der Kathodenzerstäubung in der Kammer aufrechterhalten. Beim ersten Versuch war kein P2 0S in den Tantalbehältern. Beim zweiten und dritten Versuch wurde P-,Oj. in die Tantalbehälter gefüllt. Der Abstand zwischen dem Halbleiterplättchen und den Tantalbehältern betrug etwa 10 cm. Beim vierten und fünften Versuch wurde der Abstand zwischen den mit P^O- gefüllten Tantalbehältern und dem Halbleiterplättchen auf etwa 7,5 cm vermindert. Die Ergebnisse der fünf Versuche sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet.
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TABELLE
CJ
ο
to
CO
CO		 Probe Leistung Vorspannung Argondruck Abstand Behälter- MoI-
(Watt) (V) (m Torr) Halbleiterplätt- P3O
—* chen (cm)
Q (Sättigungs- N(Ladunladung) [Cb]
gen/cm ) (eV)
1 500 -100 20 —
2 500 -100 20 7,5
3 500 -100 20 7,5
4 500 -100 20 10
5 500 -100 20 10
0 1, 2xl0"8 3, 13 °r 93 K)
5 0, 45XlO-10 lf 4XlO11 1, 18 OJ
5 °r 5X10-10 1, 6XlO11 1, 16 O
4 3, IXIO"10 3Λ IXlO11 05 CD
4 8X10-10 3, 8xlO1X 1, 11 cn
Der Molprozentgehalt an P2 0S *n ^en aufgewacnsenen Phosphorsilicatschichten auf den Halbleiterplättchen wurde mittels Röntgenfluoreszenz gemessen, indem die Phosphorsilicatglasschicht der Röntgenstrahlung einer Röntgenröhre mit Chromantikathode ausgesetzt wurde und die charakteristische Phosphorstrahlung mittels eines Analysatorkristalls aus Graphit und eines Proportionalzählrohrs aufgenommen wurde. Der P O -Gehalt wurde dann durch Vergleich mit Phosphorsilicatglasschichten mit bekanntem P-O^-Gehalt und unter Berücksichtigung der Schichtdicke ermittelt. Wie effektiv das Phosphorsilicatglas die positiv geladenen Teilchen wegfängt, zeigt die Spalte in der Tabelle, in der die Ladungen pro
2
cm eingetragen sind, und aus der ersichtlich ist, daß bei der Probe, die kein Ρ9Ος enthält, die Ladungsdichte um zwei Größen-
2 Ordnungen größer ist. Die Ladungsdichten pro cm sind umgekehrt proportional zu den zugehörigen Konzentrationen an P3O^ in den Phosphorsilicatglasschichten. Der Ausdruck E* in der letzten Spalte der Tabelle bezeichnet die Aktivierungsenergie in Elektronenvolt, die notwendig ist, um die Bewegung eines Natriumions in Richtung der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolierschicht einzuleiten. E* berechnet sich aus der Gleichung:
Q = Q0 χ E~E'7kt,
wobei Q gleich der Ladung in Coulomb, QQ gleich der Ladung in Coulomb bei O K, k gleich de
der absoluten Temperatur ist.
Coulomb bei O K, k gleich der Boltzmann-Konstanten und T gleich
Die fünf Versuche zeigen, daß in einen durch Kathodenzerstäubung erzeugten Film P2 0S ein9ebaut werden kann, indem P205-Moleküle in das Gebiet der Glimmentladung eingebracht werden. Die Versuche zeigen auch, daß die so hergestellten Phosphorsilicatglasschichten in der Lage sind, positiv geladene Ionen wegzufangen. Schließlich zeigen die Versuche, daß die Menge des eingebauten P9O1. davon abhängt, wie weit entfernt die Behälter mit dem P3O- von den Halbleiterplättchen stehen.
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Beispiel 2
Zwei Versuche wurden durchgeführt mit Auftreffplatten, die einen unterschiedlichen P3O5-GeIIaIt hatten. Es wurde keine zusätzliche P-O^-Quelle eingesetzt. Beim ersten Versuch bestand die Auftreffplatte aus 9 8 Mol-% SiO2 und 2 Mol-% P3O5 und hatte einen Durchmesser von etwa IO cm. Beim zweiten Versuch wurde eine Auftreffplatte benutzt, die ebenfalls etwa 10 cm Durchmesser hatte und aus 92 Mol-% SiO3 und 8 Mol-% P2 O 5 bestand. In der folgenden Tabelle sind die sonstigen Bedingungen, unter denen die Versuche durchgeführt wurden, und die dabei erzielten Ergebnisse aufgelistet.
Tabelle 2
Probe Leistung Vorspannung Argondruck Mol-%P N(Ladungen E*(eV) (Watt) (V) (m Torr) /cm2)
1 1000 -100 10 0,41 lr25xl014 2'°
2 280 -100 10 0,896 2f9xl014 0,9
Wie die Ergebnisse in der Tabelle zeigen, war der P3O5-GeIIaIt in den hergestellten Phosphorsilicatglasschichten wesentlich kleiner als in den zur Herstellung benutzten Auftreffplatten. Außerdem unterscheidet sich die positive Ionen festhaltende Wirkung der so hergestellten Phosphorsilicatglasschichten sehr unvorteilhaft von den Phosphorsilicatglasschichten, die entsprechend dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind.
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FI 971

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen von Phosphorsilicatglasschichten auf einem auf der Anode liegenden Substrat durch Kathodenzerstäubung unter Verwendung einer die Kathode abdeckenden Auftreffplatte aus Quarzglas, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiges P2 0C *n den Glimmentladungsraum zwischen Anode (28) und Kathode (22) gebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein P2Oj.-Dam
    erzeugt wird
    — 3 — 3
    ein P2Oj.-Dampfdruck zwischen 2 χ 10 und 5 χ 10 Torr
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Atmosphäre eines verdünnten inerten Gases kathodenzerstäubt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    3, dadurch gekennzeichnet, daß das P2 0,- aus mindestens einem, auf der Anode (28) stehenden Behälter (60) heraus verdampft wird.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    4, dadurch gekennzeichnet, daß die P3O5 enthaltenden Behälter (60) auf 300 bis 400 °C erhitzt wurden.
  6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
    5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphorsilicatglasschicht auf Halbleiterplättchen aufgebracht wird.
    309836/1126
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