DE2425185A1 - Verfahren zum herstellen einer halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer halbleitervorrichtung

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Description

Böblingen, 14. Mai 1974 heb-oh
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 172
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und insbesondere von Feldeffekttransistoren. Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, insbesondere von Feldeffekttransistoren, ergibt sich eine Verunreinigung der Metallisierungen insbesondere durch mobile Ionen, beispielsweise Alkalimetallionen, wie z.B. Natriumionen, die eines der wesentlichen Probleme bei der Herstellung stabiler Halbleitervorrichtungen darstellen. Die Anwesenheit solcher mobiler Ionen in einem Feldeffekttransistor erzeugt eine SpannungsInstabilität des Schwellwertes und parasitische Leckströme zwischen Halbleitervorrichtungen, die auf dem gleichen Halbleiterplättchen angebracht sind.
Man hat bereits versucht, die Verunreinigung von Metallisierungen von Feldeffekttransistoren durch mobile Ionen durch ein ständiges Reinigen des Verdampfersystems zu beseitigen, da bei den hohen Temperaturen, denen das Verdampfersystem ausgesetzt ist, eine Entgasung stattfindet, die bewirkt, daß beispielsweise Natrium-Ionen in einem Metallfilm aus Aluminium oder Aluminium-Kupfer eindringen. Unabhängig von dem ständigen und mühsamen Reinigen des Verdampfersystems ist dabei doch nicht sichergestellt, daß der Metallfilm frei von beweglichen Ionen ist. Demgemäß hat das Problem, daß bewegliche Ionen die Metallisierung einer Halbleiter-
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vorrichtung verunreinigen, insbesondere bei Feldeffekttransistoren die Herstellkosten erhöht und bewirkt, daß die Anzahl der tatsächlich zufriedenstellend arbeitenden Feldeffekttransistoren ziemlich gering ausfällt.
Die vorliegende Erfindung löst dieses schwierige Problem in zufriedenstellender Weise durch ein neues Verfahren, durch das die Metallisierung einer Halbleitervorrichtung, insbesondere eines Feldeffekttransistors, frei von beweglichen Ionen ist. (Die Feststellung, daß die Metallisierung frei von beweglichen Ionen ist, bedeutet, daß der Anteil beweglicher Ionen, der noch vorhanden ist, elektrisch nicht meßbar ist, so daß irgendwelche in der Metallisierung noch vorhandene bewegliche Ionen die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung nicht beeinflussen.) Auf diese Weise lassen sich durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stabile Feldeffekttransistoren herstellen, wobei die Herstellkosten im Vergleich zu bisher zur Verfügung stehenden Verfahren für die Herstellung zufriedenstellend arbeitender Feldeffekttransistoren verringert werden.
Die vorliegende Erfindung löst diese Schwierigkeiten dadurch, daß nichtdotierende Ionen in der Metallisierung implantiert werden, und zwar entweder vor oder nach dem Anlassen, und zwar mit einer genau gesteuerten Energie, so daß sich alle Ionen innerhalb des Metallfilms befinden. Es ist weiterhin notwendig, die Dosierung der Ionen genau zu steuern, um eine Zunahme in der Dichte der schnellen Oberflächen-Zustände zwischen der metallischen Elektrodenschicht und der Isolierschicht zu verhindern, über der die Elektrodenschicht liegt.
Es ist nicht bekannt, ob die Beseitigung beweglicher Ionen auf die Anwesenheit nichtdotierender Ionen im Kristallgitter der Metallisierung oder aber auf Beschädigungen der Kristallgitterstruktur der Metallisierung zurückzuführen ist, die sich aus der Ionenimplantation ergeben haben. Es wurde festgestellt, daß eine vollständige Beseitigung aller durch Ionenimplantation in der Kristallgitterstruktur der metallischen Elektrodenschicht
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hervorgerufenen Schäden wieder eine solche Menge beweglicher Ionen zur Folge hat, daß sie elektrisch meßbar ist und die elektrischen Eigenschaften der Halbleitervorrichtung beeinflußt. Da die Freiheit von Beschädigungen der Kristallgitterstruktur ein Anlassen bei sehr hohen Temperaturen, wie z.B. etwa 800° C, erfordert, weisen die implantierten Ionen, beispielsweise Wasserstoff ionen, bei dieser Temperatur eine sehr starke Diffusion auf. Es ist daher nicht bekannt, ob die hohe Diffusion der implantierten Ionen oder die Abwesenheit von Beschädigungen der Kristallgitterstruktur der metallischen Elektrodenschicht bewirkt, daß die Natrium-Ionen wiederum beweglich werden.
Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren anzugeben, die beweglichen Ionen in einem Metallfilm einer Halbleitervorrichtung, vorzugsweise in einem Feldeffekttransistor, zu verringern oder völlig zu beseitigen, insbesondere aber einen stabilen Feldeffekttransistor herzustellen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen im einzelnen angegeben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Feldeffekttransistors mit einem metallischen Film;
Fig» 2 eine Teilschnittansicht des Feldeffekttransistors nach Fig. 1, bei dem der Metallfilm zur Bildung von Elektrodenschichten abgeätzt ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht ähnlich Fig. 2 zur Darstellung der Ionenimplantation in der Metallelektrodenschicht durch eine Maske.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft die Implantierung von Ionen, die jedoch nicht den Gruppen 3 und 5 des periodischen Systems angehören sollen, in einen über einer Isolierschicht auf einem Halbleitersubstrat liegenden Metallfilm, wobei dieser Metallfilm mit mindestens einem Teil des Substrats zur Bildung einer Elektrodenschicht in Berührung ist. Die isolierende Schicht kann aus Silicium-Dioxyd bestehen, so daß es sich dabei um eine MOS-Vorrichtung handelt, oder die isolierende Schicht kann aus Silicium-Dioxyd auf dem Substrat bestehen, über welcher Schicht eine Schicht aus Silicium-Nitrid liegt, so daß es sich hierbei um eine MNOS-Vorrichtung handelt. Die vorliegende Erfindung kann also mit jeder metallisolierten Halbleitervorrichtung (MIS) angewandt werden.
Beispiele von für die Implantation geeigneten Ionen sind Wasserstoff-, Helium-, Silicium-, Neon-, Argon-, Kohlenstoff-, Aluminium-, Stickstoff-, Sauerstoff-, Kupfer-, Gold-, Xenon- und Krypton-Ionen. Die Energie, bei der die Ionen in dem Metallfilm implantiert werden, hängt von der Dicke des Metallfilmes ab, da es erwünscht ist, daß alle Ionen innerhalb des Metallfilms implantiert werden. Die beispielsweise für die Implantierung von Wasserstoffionen in einem Aluminiumfilm mit einer Dicke von 1000 Ä erforderliche Energie ist 4,5 keV. Werden Heliumionen implantiert in einem Aluminiumfilm von 1000 A* Dicke, dann beträgt die erforderliche Energie 6,5 keV. Bei Siliciumionen beträgt die erforderliche Energie für einen Aluminiumfilm mit der Dicke von 1000 A etwa 45 keV. Die verschiedenen Energiepegel für die oben erwähnten Ionen bei verschiedenen Schichtdicken des Metallfilms sind in einem Buch "Projected Range Statistics in Semiconductors" von W. S. Johnson und J. F. Gibbons beschrieben, das 1970 durch Stanford University Bookstore veröffentlicht wurde.
Die Ionen können in dem Metallfilm entweder vor oder nach der Ätzung des Filmes zur Bildung von metallischen Elektrodenschichten implantiert werden. Vorzugsweise werden jedoch die Ionen nach der Ätzung des Metallfilmes implantiert, da dies die Schwierigkeiten beim Ätzen verringert, wenn beispielsweise Siliciumionen
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implantiert werden.
Betrachtet man Fig. 1, so erkennt man eine Halbleitervorrichtung 10, nämlich einen Feldeffekttransistor, mit einem Siliciumsubstrat 11 und Bereichen 12, nämlich einer Source- und einer Drain-Elektrode entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die in geeigneter Weise hergestellt wurden. Ein Metallfilm 14, der aus Aluminium oder Aluminium-Kupfer bestehen kann, wird über einer Isolierschicht 15 auf dem Substrat 11 aufgebracht. Die Isolierschicht 15 kann Silicium-Dioxyd oder Silicium-Nitrid und Silicium-Dioxyd sein.
Nach Niederschlagen des Metallfilms 14 über der Isolierschicht 15 wird der Metallfilm 14 in geeigneter Weise zur Bildung metallischer Elektrodenschichten 16 in Fig. 2 geätzt. Anschließend werden nichtdotierende Ionen in die metallischen Elektrodenschichten 16 durch Ionenimplantation durch eine Maske 17 implantiert, wobei die Maske 17 aus einem geeigneten Material, wie z.B. Photolack, bestehen kann, und die Implantation durch Pfeile 18 in Fig. 3 angedeutet ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ionen nur auf die metallischen Elektrodenschichten 16 gerichtet sind.
Obgleich die Maske 17 vorzugsweise für die Implantierung der Ionen ausschließlich in den metallischen Elektrodenschichten 16 benutzt wird, ist es doch einleuchtend, daß die Maske 17 nicht unbedingt verwendet werden muß, da die Ionen die metallischen Elektrodenschichten 16 viel leichter durchdringen können als die Isolierschicht 15 aus Silicium-Dioxyd oder Silicium-Nitrid und Silicium-Dioxyd. Es ist somit also nicht unbedingt erforderlich, daß die Maske 17 zusammen mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung während der Implantation der Ionen benutzt wird.
Werden die Ionen in dem metallischen Film 14 vor dem Ätzen implantiert, dann können selbstverständlich die Ionen auf alle Teile des metallischen Filmes 14 gerichtet werden. Selbstverständlich könnte man auch hier die Maske 17 einsetzen und die Ionen in der Weise steuern, daß sie nur auf die Teile des Filmes 14 ge-
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richtet werden, die nach dem Ätzen zur Bildung der metallischen Elektrodenschichten 16 verbleiben würden.
Wird die Halbleitervorrichtung 10 nach der Ionenimplantation angelassen, dann ist es notwendig, daß der Anlaßvorgang, durch den die Ohmschen Kontakte zwischen den Metallelektrodenschichten und den Source- und Drain-Elektroden hergestellt werden, bei einer Temperatur von nicht mehr als 600° C durchgeführt wird. Damit soll sichergestellt werden, daß eine eventuell durch die Ionenimplantation in den Metallelektrodenschichten 16 hervorgerufene Beschädigung der Kristallgitterstruktur nicht beseitigt wird. Das Aufheizen der Halbleitervorrichtung 10 auf eine Temperatur von etwa 8000C würde alle Beschädigungen der Kristallgitterstruktur wiederum beseitigen, so daß die mobilen Ionen wiederum in den metallischen Elektrodenschichten 16 auftreten wurden.
Das Anlassen der Halbleitervorrichtung 10 zur Bildung der Ohmschen Kontakte zwischen den metallischen Elektrodenschichten und der Source- und Drain-Elektrode 12 kann vor der Implantation der Ionen in den metallischen Film stattfinden. In diesem Fall ist es unwichtig, bei welcher Temperatur die Halbleitervorrichtung 10 angelassen wird, soweit die Verhinderung oder die Verringerung der Anwesenheit von beweglichen Ionen in den metallischen Elektrodenschichten 16 davon betroffen ist, da die Beschädigungen der Kristallgitterstruktur durch die implantierten Ionen erst nach dem Anlassen oder Aufheizen stattfindet.
Man hat Versuche mit zwei MOS-Transistoren durchgeführt, die auf einem [lOO] N-leitenden Halbleiter plättchen mit einem spezifischen Widerstand von 1,0 Ohm-cm hergestellt waren. Auf jedem der beiden Plättchen (1 und 2) waren eine Oxydschicht von einer Stärke von 500 8 bei 97O°C in trockenem Sauerstoff thermisch oxydiert. Anschließend wurde ein 0,5 mm starkes Aluminiumkügelchen verdampft und bei 425° C für 20 Minuten in einem formierenden Gas gesintert, das zu 90 bis 95% aus Stickstoff und dem Rest aus Wasserstoff bestand.
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Anschließend wurde die Anzahl der Natriumionen in jedem der Plättchen 1 und 2 durch Messen des Bereichs des Spitzenwertes an mobilen Ionen in einer Standard-Strom-Spannungsschleife bestimmt. Die Anzahl der Oberflächenionen wurde durch Messen niedrigsten Wertes in der Standard-Strom-Spannungsschleife ermittelt.
Jedes der Plättchen 1 und 2 hatte eine Natrium-Ionen-Konzentration
10
von weniger als 10 , wobei die Anzahl der schnellen Oberflächen-
zustands-Ionen 3,4 χ 1011 im Plättchen 1 und 3,3 χ 1011 im Plättchen 2 betrugen. Die niedrige Konzentration von Natrium-Ionen war elektrisch nicht meßbar, da jede Konzentration von weniger als 10 als solche d
tung nicht beeinflußt
als 10 als solche die elektrischen Eigenschaften der Vorrich-
Nach Feststellen der Anzahl der Natrium-Ionen und der Anzahl der schnellen Oberflächenzustands-Ionen in den Plättchen 1 und 2 wurden bei jedem Plättchen 1 und 2 die Aluminiumpunkte abgezogen. Dann wurden die Aluminiumpunkte erneut in einem Verdampfer bis zu einer Dicke von einem Mikron aufgebracht, wobei bekannt war, daß der Verdampfer verunreinigt ist. Jedes der Plättchen wurde anschließend für 20 Minuten in Stickstoff bei 450° C erwärmt.
Die Plättchen 1 und 2 wurden erneut geprüft. Die Anzahl der
11
Natrium-Ionen war größer als 6,8 χ 10 im Plättchen 1 und war
4,5 χ 1011 im Plättchen 2. Plättchen 1 hatte 3,9 χ 1011 schnelle
11 Oberflächenzustande und Plättchen 2 hatte 3,2 χ 10 schnelle Oberflächenzustande.
Jedes der Plättchen 1 und 2 wurde in vier Teile unterteilt. Die Viertel des Plättchens 1 werden als 1A, 1B, 1C und 1D bezeichnet, während die Viertel des Plättchens 2 als 2A, 2B, 2C und 2D bezeichnet werden.
Eine implantation mit verschiedenen Mengen von Wasserstoff-Ionen (H2 +) wurde dann bei 110 keV vorgenommen. Die Anzahl der Natriumionen (Ng+), die Anzahl der schnellen Oberflächenzustande (NFS),
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die Implantationsdosis in Ionen/cm , die Aufheizung nach der Implantation für jedes der einzelnen Viertelplättchen 1Af 1B, 1C, 1D, 2A1. 2B, 2C, 2D sind wie folgt:
Plättchen
Nr.
Implantations Dosis
NFS
Anlassen nach Implantation
1A 1B
1C
1D
2A
2B
2C
2D
1 χ 1 X
13 13
5 x
12
5 χ
12
6 x
13
1 χ
13
5 χ
12
1 χ
12
weniger als 10 weniger als 10
weniger als 10
7.2 χ 10
7.2 χ 10
11
11
6.5 χ 10
11
2 χ
10
6.8 χ 10
11
weniger als 10
weniger als 10
2.1 χ 10
8.2 χ 10
12
11
weniger als 10
5.7 χ 10
11
4 χ
10
4.0 χ 10
11
kein
20 Minuten in Stickstoff bei 425Ο c.
20 Minuten in Stickstoff bei 425Ο c.
120 Min. in Stickstoff bei 425Ο c.
120 Min. in Stickstoff bei
450° C.
120 Min. in Stickstoff bei
450° C.
120 Min. in Stickstoff bei
450° C.
120 Min. in Stickstoff bei
450° C.
Wie die Daten für die Plättchen 1A und 1B zeigen, wird weder die Anzahl der Natrium-Ionen noch die Anzahl der schnellen Oberflächenzustände geändert, wenn die Aufheizung bei 425° C erfolgt. Dies zeigt, daß eine richtig gewählte Aufheiztemperatur die An-
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zahl der Natriumionen oder die Anzahl der schnellen Oberflächenzustände nach Ionenimplantation nicht ändert.
Wie beispielsweise Plättchen 2 zeigt, ergibt eine Erhöhung der Ionenkonzentration des Implants auch eine Erhöhung der Anzahl der schnellen Oberflächenzustände. Es ist nicht bekannt, warum das so ist, doch man glaubt, daß es darauf zurückzuführen ist, daß die Dosierungskonzentration zu hoch ist, so daß die Ionen von der Implantation übrigbleiben und sich frei nach der Oberfläche bewegen können.
Im Plättchen 2D nimmt die Anzahl der Natrium-Ionen zu, wenn die Dosierungskonzentration bei der Ionenimplantation zu niedrig ist. Somit ist also eine genaue Auswahl der Dosierung der Ionenkonzentration bei der Implantation notwendig, um sowohl die Anzahl der Natriumionen und die Anzahl der schnellen Oberflächenzustände unter Kontrolle zu halten.
Unter Berücksichtigung der Beseitigung mobiler Ionen bei richtiger Auswahl der Dosierung und der Aufheiztemperatur liefert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stabile Feldeffekttransistoren. Das heißt, daß die gleiche Vorspannung immer den gleichen Strom zur Folge hat.
Um also eine bestimmte Oberflächendichte von schnellen Oberflächenzuständen und eine gewünschte Anzahl von Natriumionen in den metallischen Elektrodenschichten in einem Feldeffekttransistor zu erhalten, ist es notwendig, die Dosierung, die Art der Ionen, das Energieniveau, bei dem die Ionen implantiert werden, und die Aufheiztemperatur richtig zu wählen, wenn die Aufheizung nach der Implantation stattfindet. Wenn man alle diese Parameter sorgfältig steuert und überwacht, kann man stabile Feldeffekttransistoren erzeugen.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar als ein Verfahren bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren beschrieben, es leuchtet
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jedoch ohne weiteres ein, daß dieses Verfahren auch bei anderen Halbleitervorrichtungen Anwendung finden kann, wenn man mobile Ionen beseitigen möchte. Außerdem haben die verschiedenen Versuche nur die Natriumionen betroffen. Selbstverständlich ist es dabei klar, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch zur Reduzierung der Anzahl anderer mobiler Ionen, die Alkalimetallionen sind, dienen kann. Andere Alkalimetallionen sind beispielsweise Lithium und Kalium.
Obgleich die Versuche mit Halbleiterplättchen durchgeführt wurden, auf denen Isolierschichten eines bestimmten Materials auf einem Silicium-Substrat angebracht waren, ist es doch ohne weiteres einleuchtend, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Halbleitersubstrate Anwendung finden kann, die mit einer Isolierschicht bedeckt sind. In gleicher Weise läßt sich jedes andere geeignete Material als Aluminium oder Aluminium-Kupfer verwenden.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es ein wesentlich billigeres Verfahren zur Herstellung eines Metallfilmes ohne bewegliche Ionen für eine Halbleitervorrichtung, insbesondere einen Feldeffekttransistor, angibt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sichergestellt wird, daß in dem Metallfilm keine beweglichen Ionen vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine relativ kurze Zeit zum Implantieren der Ionen und Entfernen der beweglichen Ionen aus dem Metallfilm erforderlich ist.
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Claims (13)

  1. BAT EN !ANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit einem Substrat aus Halbleitermaterial, einer darüberliegenden Isolierschicht und einem über der Isolierschicht liegenden Metallfilm, der zur Bildung einer Elektrodenschicht mit mindestens einem Teil des Substrats in Berührung ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
    Auswählen von Ionen aus jeder Gruppe des periodischen Systems der Elemente mit Ausnahme der Gruppen III und V, zum Implantieren von Ionen in den Metallfilm,
    Auswahl der Dosierung der Ionenkonzentration zum Verhindern einer Zunahme der Dichte der schnellen Oberflächenzustände,
    Implantieren der Ionen in den Metallfilm und dabei
    Steuern des Energieniveaus der Ionen in der Weise, daß alle implantierten Ionen innerhalb des Metallfilms eingelagert werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silicium verwendet wird, und daß der Metallfilm mindestens Aluminium enthält.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zunächst Teile des Metallfilms zur Bildung mindestens einer Elektrodenschicht vor der Implantation der Ionen in den Metallfilm entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantationen der Ionen so gesteuert wird, daß die Ionen nur in der Elektrodenschicht implantiert werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Implantation der Ionen nur in der Elektrodenschicht dadurch erzielt wird, daß die Ionen
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    durch eine Maske auf die Elektrodenschicht gerichtet werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilm nach der Ionenimplantation nur auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, daß alle durch die Ionenimplantation hervorgerufenen Kristallgitterstörungen nicht beseitigt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    als Metallfilm ein ausschließlich aus Aluminium bestehender Film verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallfilm ein Aluminium und/oder Kupfer enthaltender Film verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoffionen benutzt werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, unter Entfernung von Teilen des Metallfilmes zur Bildung mindestens einer Elektrodenschicht vor der Implantation der Ionen in dem Metallfilm, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation der Ionen so gesteuert wird, daß die Ionen nur in der Elektrodenschicht implantiert werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation der Ionen nur in der Elektrodenschicht dadurch erreicht wird, daß die Ionen durch eine Maske auf die Elektrodenschicht gerichtet werden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitervorrichtung ein Feldeffekttransistor verwendet wird.
    FI 972 172 409 88 3/0836
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionen Wasserstoffionen benutzt werden.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufheizung des Metallfilmes nach der Ionenimplantation diese Aufheizung bei einer Temperatur erfolgt, bei der alle durch die Ionenimplantation in der Metallschicht
    hervorgerufenen Kristallgitterstörungen nicht beseitigt werden.
    FI 972 172 A09883/083.6
    Leerseite
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