DE2830035A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleitervorrichtung, welche mindestens eine arsenverbindung in einem teil derselben enthaelt - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer halbleitervorrichtung, welche mindestens eine arsenverbindung in einem teil derselben enthaeltInfo
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Description
MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD. Kadoma City, Osaka Pref., Japan
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, welche mindestens eine Arsenverbindung in einem Teil derselben enthält.
beanspruchte Prioritäten:
15. Juli 1977 - Japan - 8522 8/1977 18. Juli 1977 - Japan - '86383/1977
24. Februar 1978 - Japan - 21399/1978
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, v.'elche
eine Halbleiterverbindung, insbesondere eine Arsenverbindung
enthält.
809884/03SQ
Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zur Erzeugung eines arsenhaltigen Oxidationsfilms mittels
thermischer Behandlung bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung, welche eine Halbleiterverbindung auf der Basis
von Arsen enthält.
Neuverdings haben Halbleitervorrichtungen mit einem Halbleiter auf der Basis einer chemischen Verbindung, beispielsweise
Galliumarsenid, besonderes Interesse gefunden, weil diese befriedigende Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Da diese
.Halbleitervorrichtungen jedoch im wesentlichen aus einer HaIb-
nur leiterverbindung und nicht aus einem Halbleiter aus einem
Element bestehen, wie dies bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung der Fall ist, ergeben sich bei der Wärmebehandlung
zur Bildung einer thermischen Oxidationsschicht oder beim Glühen der Oxidationsschicht zu deren Stabilisierung
mancherlei Probleme, so daß die Entwicklung auf dem Gebiet der Halbleitervorrichtungen mit Halbleiterverbindungen noch
nicht abgeschlossen ist.
Im allgemeinen werden zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen die verschiedensten Wärmebehandlungen durchgeführt,
beispielsweise zur Bildung eines thermischen Oxidationsfilms,
zum Glühen eines Gate-Oxidfilms, oder zur Bildung eines Isolierfilms
durch selektive Oxidation.
Herkömmliche Methoden der Wärmebehandlung von Halbleitern
Halbleiterauf der Basis von/Arsenverbindungen werden im folgenden be-
809884/09 5.0
schrieben:
Zur Bildung eines thermischen Oxidationsfilms aus der Halbleiterverbindung
wird ein Substrat der betreffenden Halbleiterverbindung, beispielsweise Galliumarsenid, in ein offenes
Rohr verbracht und während des Durchleitens eines Stroms von Luft, Sauerstoff oder Dampf als Reaktionsgas bei Temperaturen
zwischen 500 und 600°C wärmebehandelt. Eine Glühbehandlung zur Stabilisierung des Gate-Oxidfilms aus der Halbleiterverbindung
wird durchgeführt, indem man den durch anodische Oxidation gebildeten Oxidfilm einem Strom eines Reaktionsgases
aus einem der Elemente Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff oder eines Gemisches von diesen Elementen bei einer
Temperatur von über 300 C in einem offenen Rohr aussetzt.
Die mit der herkömmlichen Wärmebehandlungsmethode hergestellten arsenhaltige Halbleiterverbindungen aufweisenden Vorrichtungen
des Standes der Technik v/eisen jedoch Nachteile auf, beispielsweise haben die Gate-Oxidfilme der MOS-Feldeffekttransistoren
einen niedrigen spezifischen Widerstand und damit in der Praxis eine niedrige Durchschlagsspannung, und
es treten Fehlströme auf.
Wird zum Erhalt einer ebenen Endoberfläche in der Isolationszone ein anodischer Oxidfilm verwendet, der in seinen elektrischen
Eigenschaften dem thermischen Oxidfilm nachweislich überlegen ist, so ergibt sich das Problem, daß ein solcher
anodischer Oxidfilm chemisch instabil ist und daher durch
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eine chemisch reaktive Lösung, beispielsweise ein Ätzmittel, leicht beschädigt werden kann. Es haben sich daher Schwierigkeiten
bei der Herstellung eines integrierten Halbleiterschaltkreises unter Verwendung einer arsenhaltigen Halbleiterverbindung
ergeben.
Die Erfinder haben nun verschiedene Untersuchungen an herkömmlichen,
thermisch hergestellten Oxidfilmen durchgeführt, die zu folgenden Schlüssen führten:
(1) Bei der Wärmebehandlung des Stands der Technik zur Erzeugung eines thermischen Oxidfilms bilden sich auf der Oberfläche
des Substrats im wesentlichen Galliumsesquioxid und Arsentrioxid. Da jedoch der Dampfdruck des Arsentrioxids bei
der vorstehend genannten Wärmebehandlungstemperatur über
1. Atm. beträgt, verdampft ein erheblicher Teil des Arsentrioxids aus dem thermischen Oxidfilm, so daß ein Oxidfilm entsteht,
der im wesentlichen aus Galliumsesquioxid besteht und einen verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand aufweist.
(2) Auch bei der Wärmebehandlung zur Glühung des Gate-Oxidfilms
oder zur Bildung eines selektiven Oxidationsfilms besteht
die Gefahr, daß das Arsentrioxid verdampft, wodurch sich die Zusammensetzung so verändert, daß der Film im wesentlichen
nur noch aus GaIliiamsesquioxid besteht und einen
niedrigen spezifischen Widerstand aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung auf der
Basis einer Halbleiterverbindung mit einem Oxidfilm zu schaffen, der chemisch stabil ist und gute elektrische Eigenschaften
aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man
die Wärmebehandlung zur Ausbildung eines Oxidfilms in einer
Atmosphäre durchführt, die dampfförmiges Arsentrioxid enthält.
Die Erfindung wird nun im folgenden anhand der Figuren im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt das Verhältnis zwischen Temperatur und Sättigungsdampfdruck
von Arsentrioxid.
Fig. 2 zeigt als Längsschnitt in Schemadarstellung ein Beispiel einer für die Wärmebehandlung nach der Erfindung verwendbaren
Vorrichtung einschließlich einer graphischen Darstellung der Teraperaturverteilung in der Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt als Längsschnitt in Schemadarstellung eine weitere Ausfuhrungsform einer verwendbaren Vorrichtung einschließlich
einer graphischen Darstellung der Temperaturverteilung.
Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen der Oxidationszeit und der Dicke des Oxidfilms„
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Fig. 5 zeigt als Längsschnitt in Scheraadarsteilung eine weitere
Ausfuhrungsform einer für das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren
brauchbaren Vorrichtung einschließlich einer graphischen Darstellung der Temperaturverteilung in der
Vorrichtung.
Figuren 6 bis 8 geben in Form von Längsschnitten verschiedene Herstellungsschritte bei der Durchführung eines weiteren Beispiels
nach der Erfindung wieder.
Figuren 9 und 10 sind Längsschnitte durch modifizierte Ausführungsformen
nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Halbleiters auf der Basis einer Halbleiterverbindung.
Gemäß Fig. 2 wird in ein Reaktionsrohr 5 eines Elektroofens 1 mit einer Zone A einer höheren Temperatur und
einer Zone B einer niedrigeren Temperatur in die Zone A mit der höheren Temperatur ein Substrat 2 aus Galliumarsenid
(GaAs) und in die niedrigere Temperaturstufe B ein Platinschi'ffchen
4 verbracht, welches Arsentrioxid 3 in Form von Pulver oder Klümpchen enthält. In dem Beispiel wird die höhere
Temperaturzone A auf etwa 50O0C und die niedrigere
Temperaturzone B auf etwa 45O°C eingestellt. Wird nun Sauerstoff
als Trägergas durch eine Zuleitung 6 in das Reaktionsrohr 5 eingespeist, so reagiert das Galliumarsenidsubstrat 2
mit dem Sauerstoff unter Bildung eines Oxidfilms 7 auf seiner Oberfläche. Der Oxidfilm besteht im wesentliehen aus einem
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Gemisch aus Galliumsesquioxid und Arsentrioxid. Der Dampfdruck des Arsentrioxids in dem Ga2O3-As2O3-FiIm beträgt gemäß Fig.1
bei der Temperatur von 5OO°C etwa 700 mmHg. Der Trägergasstrom
reichert sich bei der Berührung mit den Arsentrioxidklümpchen, die sich in der Zone B der niedrigeren Temperatur
von etwa 45O°C befinden, mit Arsen(III)-oxiddampf an. Der
Dampfdruck dieses Gases beträgt bei der Temperatur von 45O°C mindestens 700 mmHg. Genau genommen enthält der Dampf als Ar-
s ow oh 1
sen(ill)-oxid / As2O3 (Arsentrioxid) als auch As^Og, wobei letzteres mit zunehmender Temperatur in überwiegender Menge .vorhanden ist. Im allgemeinen wird ein solches Dampfgemisch als Arsentrioxiddarapf bezeichnet. Ein Verdampfen des Arsentrioxids aus dem Oxidfilm 7 wird in wirksamer Weise durch den Arsen(III)-oxiddampf unterbunden, der durch den Sauerstoffstrom erzeugt wurde, welcher mit dem Arsentrioxid-Vorrat 3 im Platinschiffchen 4 in Berührung gekommen war. Dadurch verdampft das Arsentrioxid in dem Oxidfilm 7 fast nicht. Darüber hinaus besteht dadurch, daß das Galliumarsenidsubstrat 2 sich in der Zone mit der höheren Temperatur befindet, keine Gefahr, daß sich das Arsentrioxid auf der Oberfläche des Substrats 2 niederschlägt.
sen(ill)-oxid / As2O3 (Arsentrioxid) als auch As^Og, wobei letzteres mit zunehmender Temperatur in überwiegender Menge .vorhanden ist. Im allgemeinen wird ein solches Dampfgemisch als Arsentrioxiddarapf bezeichnet. Ein Verdampfen des Arsentrioxids aus dem Oxidfilm 7 wird in wirksamer Weise durch den Arsen(III)-oxiddampf unterbunden, der durch den Sauerstoffstrom erzeugt wurde, welcher mit dem Arsentrioxid-Vorrat 3 im Platinschiffchen 4 in Berührung gekommen war. Dadurch verdampft das Arsentrioxid in dem Oxidfilm 7 fast nicht. Darüber hinaus besteht dadurch, daß das Galliumarsenidsubstrat 2 sich in der Zone mit der höheren Temperatur befindet, keine Gefahr, daß sich das Arsentrioxid auf der Oberfläche des Substrats 2 niederschlägt.
Das vorstehende Beispiel gilt für den Fall, daß die Temperatur des Substrats 2 etwa 5000C beträgt. Jedoch ist die Temperatur
des Substrats 2 in dem Reaktionsrohr 5 nicht notwendigerweise auf diese Temperatur· beschränkt. Es können
auch andere Temperaturen verwendet werden, sofern die Temperaturen
des Substrats 2 und des Arsentrioxids 3 so gewählt wer-
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den, daß der Dampfdruck des Arsentrioxids in dem Ga3O3-As
O3-FiIm 7 dem des Arsen(III)-oxidgases, das sich aus dem
Arsentrioxid-Vorrat 3 bildet, entspricht oder niedriger als dieser ist. Der auf diese Weise auf dem Galliumarsenid gebildete
Oxidfilm enthält Galliumsesquioxid und Arsentrioxid im Äquivalent-Molverhältnis.
Die thermische Reaktion kann auch in einem verschlossenen bzw. versiegelten Reaktionsrohr gemäß Fig. 3 erfolgen, sofern
die vorstehend erwähnte Bedingung erfüllt ist. Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung der Halbleitervorrichtung
in einem verschlossenen Rohr bzw. einer versiegelten Ampulle. Es werden dabei ein Substrat 11 aus Galliumarsenid
und ein Platinschiffchen 9, welches Arsentrioxid 10 in Pulverform enthält, in einer evakuierten Quarzampulle
8 eingeschlossen und die Ampulle 8 in einen Elektroofen 12 verbracht, der eine Zone A mit einer höheren Temperatur
und eine Zone B mit einer niedrigeren Temperatur von etwa 5000C für das Substrat bzw. 45O°C für den Arsentrioxid-Vorrat
aufweist.
Da in dieser Vorrichtung der aus dem Arsentrioxid-Vorrat im Platinschiffchen erzeugte Arsen(III)-oxiddampf einen Druck
von etwa 700 mmHg aufweist, wird eine Verdampfung des Arsentrioxids aus dem Oxidfilm 13 stark eingeschränkt und
es erfolgt eine Oxidation der Oberfläche des Galliumarsenid-Substrats
11 unter Bildung des Oxidfilms 13, welcher befriedigende Eigenschaften hat und dessen Gehalt an Gallium-
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sesquioxid und Arsentrioxid dem äquivalenten Molverhältnis im
Substrat entspricht.
Die sich einer versiegelten Ampulle bedienende Methode dieses Beispiels ist zur Steuerung des Dampfdrucks des Arsen(III)-oxids
geeigneter als die sich eines offenen Rohrs bedienende Methode gemäß Fig. 2. Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen
der Dicke des Oxidfilms und der Dauer der Oxidationsbehandlung. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, beträgt die Wachstumsrate des Oxidfilms
13 etwa 15 A/Minute und sie wird im wesentlichen durch
die Temperatur des Galliumarsenidsubstrats 11 bestimmt,
während sie von der Temperatur des Arsentrioxids kaum beeinflußt wird.
Fig. 5 Eeigt ein drittes erfindungsgemäßes Bdispiel, bei dem
ein Galliumarsenidsubstrat 14 mit einem Oxidfim 141, welcher
vorher beispielsweise mittels der anodischen Oxidationsmethode gebildet worden war, und ein in einem Platinschiffchen befindliches
Arsentrioxid 3 in Pulverform in einer Quarzampulle 8 eingeschlossen werden und die Ampulle in einen Elektroofen
12 verbracht wird, der eine Zone mit einer höheren Temperatur
A von etwa 5OO°C für das Substrat 14 und eine Zone mit einer niedrigeren Temperatur B für den Arsentrioxid-Vorrat 3
aufweist. Die Ampulle füllt sich dann mit Arsentrioxiddampf mit einem Druck von etwa 700 iranHg. Da der Dampfdruck des
ArsentrioxidfiIms auf dem Galliumarsenidsubstrat bei der
Temperatur von SOO0C ebenfalls etwa 700 mmllg beträgt, wird
ein Verdampfen des Arsentrioxids aus dem Oxidfilm v?ährend der
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Wärmebehandlung in wirksamer Weise verhindert.
Die Wärmebehandlung kann somit erfolgen, ohne daß sich die
Zusammensetzung des Oxidfilms ändert. Die Temperatur kann so hoch wie möglich gewählt werden, vorausgesetzt, der Dampfdruck
des Arsentrioxids aus dem Vorrat entspricht dem des Arsentrioxids in dem Oxidfilm 141 oder ist höher als dieser.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen ein viertes Beispiel zur erfindungsgemäßen
Herstellung einzelner Vorrichtungen unter Verwendung einer Halbleiterverbindung bzw. zur Erzeugung einer
Isolierung im Zusammenhang mit der Herstellung zweier oder mehrerer Halbleitervorrichtungen in einem integrierten
Schaltkreis. Die Figuren 6 bis 8 zeigen verschiedene Längsschnitte durch Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Beispiels.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird zunächst auf dem Bauteil ein eine Oxidierung verhindernder Film 17, beispielsweise
aus Stickstoffsilicid (Si3N4) erzeugt, der auf der nleitenden
Galliumarsenidschicht 16, welche sich auf dem halbisolierenden Galliumarsenidsubstrat 15 befindet, einen Inselbereich
bilden soll. Die thermische Oxidierung des Galliumarsenids 18 erfolgt durch die anschließende Wärmebehandlung
des Substrats in Arsentrioxiddampf bei geregeltem Dampfdruck
nur an den Stellen, die nicht von dem eine Oxidierung verhindernden Film 17 überzogen sind. Die thermische Oxidierung
erfolgt in Arsentrioxiddampf in einem versiegelten Rohr, in dem das Galliumarsenidsubstrat 15 auf einer Temperatur von
etwa 5OO°C und der Arsentrioxid-Vorrat zur Bildung von Arsen-
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trioxiddampf mit einem Dampfdruck von etwa 800 mrallg auf einer
Temperatur von etwa 47O°C gehalten wird. Die Wachstumsrate
des Oxidfilms beträgt etwa 15 A/Minute und der erzeugte Oxidul
ο film weist einen spezifischen Widerstand von etwa 10 Xl cm auf. Dieser Wert ist für eine elektrische Isolierung zwischen
den Elementen ausreichend hoch und der entstandene Oxidfilm weist allgemein eine befriedigende chemische Beständigkeit
auf. Die Oxidierung sollte solange durchgeführt werden, bis die Unterseite des Oxidfilms 18 zumindest die Oberfläche des
Galliumarsenidsubstrats 15 erreicht hat. Erfolgt die Oxidierung auf diese Weise, so nimmt die Dicke des Oxidfilms 18 um etwa
30 % gegenüber der der ursprünglichen Halbleiterschicht zu, so daß, wie aus Fig. 7 ersichtlich, auf der Oberfläche eine
Erhebung bzw. Vorwölbung entsteht.
Der Stickstoffsilicidfilm 17 wird sodann durch Gasplasmaätzung
oder durch chemische Ätzung mittels Phosphorsäure unter Bildung zweier Inselzonen 19 und 19 entfernt, die durch die Oxidzone
18 voneinander getrennt sind. Infolge der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte beträgt der Höhenunterschied
zwischen der Oberfläche des Oxidfilms und der der Inselzonen 19 und 19 etwa 30 % der Dicke der Inselzonen 19, 19, was weniger
ist als der Höhenunterschied bei den herkömmlichen,mit
Isolierluftnuten versehenen Halbleitervorrichtungen auf der Basis von Halbleiterverbindungen. Solche Isolierluftnuten sind
Leerräume, die durch chemische Ätzung des Substrats bis zur Schicht vom i-Typ . gebildet worden sind. Durch Verringerung
des Höhenunterschieds auf der Oberfläche des Substrats in
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der vorstehend beschriebenen Weise läßt sich die Gefahr, daß die den Schaltkreis enthaltende Leitschicht auf der Substratoberfläche
abbricht, erheblich mindern. Ferner können durch Abtragen der vorstehenden Teile des Oxidfilms 18 durch Ätzung
die Oberflächen des Oxidfilmteils 18 und der Inselteile 19 und 19 auf die gleiche Höhe gebracht werden. Dadurch kann die
den Schaltkreis enthaltende Leitschicht auf der Substratoberfläche fast eben gestaltet werden, wodurch sich die Zuverlässigkeit
des Bauelements erhöht.
Die vorstehend erwähnten Beispiele der Figuren 6 bis 8 beziehen sich nur auf Fälle, in denen als Ausgangssubstrat halbisolierendes
GaAs verwendet wird; es können jedoch auch andere halbisolierende Substrate zur Herstellung integrierter
Schaltkreise mit isolierten Elementen verwendet werden.
Nach einer modifizierten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform
der Verfahrensschritte nach den Figuren 6 bis 8 werden auf einem in einer Art leitenden GaAs-Substrat eine Reihe von
GaAs-Zonen entgegengesetzter Leitart mit dazwischenliegenden isolierendem Oxidfilm 18 gebildet, wie aus den Figuren 9 und
10 hervorgeht.
Wie bereits im einzelnen beschrieben, läßt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die unerwünschte Verdampfung des
Arsentrioxids aus dem Oxidfilm des GaAs-Substrats auf ein
Minimum reduzieren, während gleichzeitig ein Oxidfilm von hohem Widerstand mit einem Molgehalt an /\rsentrioxid gebildet
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wird, der dem des Galliumsesquioxids äquivalent ist. Daher
weisen erfindungsgemäße Halbleitervorrichtungen, beispielsweise MOS—Feldeffekttransistoren, befriedigende elektrische
Eigenschaften auf. Auch die Isolierung iitegrierter Schaltkreise
oder einzelner Bauelemente unter Verwendung einer Halbleiterverbindung kann erfindungsgemäß durch selektive Oxidation
erfolgen; die den Schaltkreis enthaltende Leitschicht wird dabei auf einer ebenen Oberfläche ausgebildet und somit
die Zuverlässigkeit dieser den Schaltkreis enthaltenden Leitschicht erheblich verbessert. Es steht daher zu erwarten, daß
die Entwicklung der Flachtechnologie in bezug auf Halbleiterelemente
mit Halbleiterverbindungen durch das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentliche Förderung erfährt.
Der Arsen(III)-oxiddampf kann dadurch erzeugt werden, daß man
das sauerstoffhaltige Trägergas mit in fester Phase vorliegendem Arsen umsetzt.
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Claims (10)
- Patentansprüche1J Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, welche mindestens eine Arsenverbindung in einem Teil derselben
enthält, wobei mittels Wärmebehandlung ein arsenhaltiger Oxidati onsfilm erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre
durchführt, die dampfförmiges Arsentrioxid enthält. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Atmosphäre arbeitet, die sowohl Arsentrioxid als
auch As/},- enthält. - 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ärsenverbindung eine Halbleiterverbindung ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterverbindung aus Galliumarsenid besteht.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmebehandlung auf bestimmten Teilbereichen der Oberfläche der Halbleitervorrichtung selektiv ein eine Oxidierung verhindernder Film gebildet wird,
- 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die V^riiebehandluncj ein Arsen (Ill)-oxidhaltiger Oxidfilm gebildet wird.809884/0950ORIGINAL INSPECTED
- 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmebehandlung ein Oxidfilm geglüht wird,der zumindest Arsen(III)-oxid auf einem Substrat enthält.
- 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arsentrioxid enthaltende Dampf durch Verdampfen von in fester Phase vorliegendem Arsen(III)-oxid erzeugt wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Ofen mit einer Zone (A) einer höheren Temperatur und einer Zone (B) einer niedrigeren Temperatur durchgeführt wird, wobei die Halbleitervorrichtung sich in der Zone (A) mit der höheren Temperatur und das in fester Phase vorliegende Arsen(III)-oxid sich in der Zone (B) mit der niedrigeren Temperatur befindet.
- 10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß: der Arsentrioxid enthaltende Dampf durch Umsetzen eines sauerstoffhaltigen Trägergases mit in fester Phase vorliegendem Arsen oder Arsen(III)-oxid erzeugt wird.809884/Q9SQ
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