JP3509856B2 - 安定化層のための保護層及びその製法 - Google Patents
安定化層のための保護層及びその製法Info
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Description
(パシベーション)層のための保護層並びにその製法に
関する。
MOS技術を使用した集積化半導体デバイスは、これが表
面的な帯電による障害に対して敏感であることから、電
気的に活性な安定化層を必要とする。これらの安定化層
は次の特性、すなわち108Ω・cm以上の絶縁性、1019cm
-3・eV-1以上の欠陥密度ならびに良好な電気的結合度を
有していなければならない。電気的に活性な安定化層と
しては、無定形ケイ素、即ちa−Siからなる層が特に適
している。この種の層は、例えば蒸着又はSiターゲット
をスパッタすることにより製造することができる(これ
に関してはドイツ連邦共和国特許出願公開第2730367号
明細書(特公昭61−58976号公報)参照)。
っかきに対して極めて敏感であり、著しい数のいわゆる
ピンホールを有している。従ってこれらの層は機械的及
び化学的に安定な、硬い中間層によって保護する必要が
ある。しかしこの保護層は、その下にあるa−Si層の電
気的特性及び電気的に活性な安定化作用にマイナスの影
響を及ぼすものであってはならない。
ケイ素又はa−Si上に付加的に窒化ケイ素、即ちSi
3N4、いわゆるプラズマナイトライドを防湿材として施
す。この処置法は、特に動作電圧2000V未満のバイポー
ラモジュールサイリスタにおいて、数年来大量生産に使
用されている。a−Siが10-9Ω-1cm-1未満の導電率σに
調整され、また表面の金属汚染が阻止される限り、湿気
による影響は実際に二次的な問題であるにすぎない。し
かし動作電圧4000V以上の高耐圧デバイスでは問題が生
じる。この場合a−Si層は基板に対して十分に電気的に
接続するために低オームに調整されなければならない
が、その結果デバイスは環境の影響及び汚染に対して一
層敏感になる。従ってa−Si層は、湿気及びイオンに対
して拡散障壁として作用する第2の絶縁層によって保護
する必要がある。プラズマナイトライド層はこの目的に
はあまり適してはいない。それというのも、この種の層
は亀裂を生じる傾向があり、従って亀裂を介して水が浸
入するおそれがあるからである。
定化層用の機械的及び化学的に安定な硬い保護層を提供
することにある。この場合該保護層は、更に湿気及びイ
オンに対して確実な拡散障壁としても作用するものでな
ければならない。
有炭素、即ちa−C:Hの薄層から形成することによって
解決される。
素格子構造が存在する炭素材料であり、その機械的硬度
によりこの炭素材料は、ダイヤモンド状炭素ともいわれ
る〔例えば「イー・デー・エル・インドゥストリー・デ
ィアマンテン・ルントシャウ(IDR−Industrie Diamant
en Rundschau)」第18巻(1984年)、第4号、第249頁
以降参照〕。炭素のこの無定形変態は、四面体(sp3-)
及び三方晶(sp2-)ハイブリット化の共存によって及び
水素の組み込みことによって(約10〜40原子%)、光学
的透明度、微小硬度、化学抵抗性及び電気絶縁性のよう
な優れた特性をもたらされる。
安定化半導体デバイス用保護層は、その厚さを約0.05〜
3μmとすることにより、これに設定される要件を高度
に満足する。すなわちこの種の層は高い機械的硬さ、引
っかき強さ、化学的安定性及び低い水透過性のような、
いわゆるダイヤモンドに類似した特性を有するものであ
るが、その厚さが0.05μm未満であるとピンホール発生
の危険があり、水分を透過するおそれがある。他方3μ
m以上とすると、膜内の機械的応力が過大となってクラ
ックを生じ、さらに層の剥離を起こす危険がある。更に
加工材であるa−C:Hは、例えばa−Si及びa−Si:Hと
は異なり、可変の光学的エネルギーギャップ、可変の欠
陥密度及びとりわけ可変の電気抵抗を持つものを製造す
ることができる。本発明による保護層としては、特に10
10Ω・cm以上の電気比抵抗(室温)において、できる限
り低い欠陥密度、特に1017・cm-3・eV-1以下の欠陥密度
を有するa−C:H層が特に適している。すなわち上記の
条件を満たす層によって、その下に存在する、好ましく
はa−Siからなる安定化層の電気特性及び電気的に活性
な安定化作用が妨げられず、更にこの安定化層は機械的
にまた湿気に対して確実に保護されることとなる。もし
電気比抵抗が1010Ω・cm以下であると、この保護層がpn
接合を跨いで設けられていることから、漏洩電流が過大
となってしまう。また欠陥密度が1017・cm-3・eV-1を越
えると、装置内に強い電界が生じ、余分な電荷キャリア
が生成し、漏洩電流を増大させる。従って、1010Ω・cm
以上の電気比抵抗ならびに1017・cm-3・eV-1以下の欠陥
密度が重要である。
定なC−H結合により、保護すべき半導体構造物に害を
及ぼす水の浸入拡散が、この材料を介して起こることは
ないという利点を有する。しかしこの現象は、例えばa
−Si:H層の場合には生じる可能性がある。更に、特に周
期率表第4主族の元素からなる基板上へのa−C:H層の
付着性は極めて良好であり、これは炭化物を介しての化
学的結合により得られる。従って、特にa−Siでの電気
的に活性な安定化半導体デバイスを被覆する処理は、a
−Siとa−C:Hとの間に炭化物結合が生じることから、
安定でかつ良好に付着する被膜を生ずる。
層上に、ガス状の炭化水素を高周波プラズマ析出処理す
ることにより、無定形の水素含有炭素からなる薄層を施
すことによって行う。この場合プラズマ析出は、有利に
は無線周波数(RF)、すなわち0.1〜100MHzの範囲を用
いて行うが、マイクロ波(MW)、すなわち0.1〜1000GHz
の範囲を用いて行うこともできる。
素として有利にはアルカン、すなわちメタン、エタン及
びプロパンのような飽和脂肪族炭化水素を使用するが、
この場合好ましいのはメタンである。しかしその他にア
ルケン、すなわちエタン及びプロペンのような不飽和の
脂肪族炭化水素、並びにアセチレン、シクロアルカン、
すなわちシクロヘキサンのような飽和環状炭化水素、及
び蒸気状態でのベンゾール及びベンゾール誘導体の形の
芳香族炭化水素も使用することができる。上記の各炭化
水素は、単独又は混合物として使用することができる。
更にこれらの炭化水素には、水素及び/又は希ガス、例
えばヘリウムやアルゴンを添加することもできる。
きさの内部電極(0.5以下、有利には0.25〜0.05の表面
比)に、空間電荷により約1kVまでの、高周波(HF)の
タイミングパルスで脈動する直流電圧成分(バイアス電
圧又はセルフバイアス電圧)が生じる。この直流電圧成
分は高周波交流電圧に重畳し、小さな電極を陰極化す
る。これにより、反応ガスのイオン化及びフラグメント
化によって生じる、帯電したCXHY粒子を陰極に向かって
加速し、陰極の前に配置された基板に高い運動エネルギ
ーをもって衝突・析出させ、a−C:H層を形成する。基
板の温度をできるだけ低く(250℃以下)保持し、それ
によりできるだけ高いsp3成分(<60%)a−C:H中に得
るために、陽極は鉢状に形成するのがよい。すなわち、
基板温度が250℃を越えると水素の離脱が起こり、それ
に伴ってグラファイト状のクラスタの生成、従って固有
抵抗の低下が起こる。固有抵抗は被覆された装置の漏洩
電流に逆比例するので、析出温度は250℃以下とすべき
である。先に記載した形式の「セルフバイアス」効果
は、内部電極が欠けていることにより極く僅かな規模で
はあるが、MW誘導析出プラズマの場合にも有効である。
それというのも、プラズマと基板表面との間には、いず
れの場合にも電位差が生じるからである。
をプラズマ析出する装置内に、メタンCH4(反応ガスと
して)を100Paの圧力で導入する。反応ガスは面積の異
なる2つの電極(表面比1:4)間に形成された約400cm3
の容量のプラズマに達する。双方の電極はRF発電機と接
続されている(ν=13.56MHz)。面積の異なる電極によ
り、両電極間にはRF電圧に重畳するセルフバイアス直流
電圧が生じ、その際被覆すべきa−Si安定化半導体成分
を有する小さい方の電極が陰極となる。このa−Si層に
より、a−C:Hでの被覆処理中における半導体デバイス
へのプラズマの有害な電気的影響は十分に阻止される。
両電極間には約500Vのセルフバイアス直流電圧が生じ
る。この条件下において8.8・104Pa・cm3・s-1のCH4物
質流量で、1分後に、即ち析出速度約3nm・s-1で、ダイ
ヤモンド状特性及び3・10-13m2・s-1未満のH2O透過係
数を有する厚さ約0.2μmのa−C:H層が得られる。a−
C:H層の極めて高い電気抵抗(1010Ω・cm以上)及び10
17・cm-3・eV-1未満の欠陥密度により、その下に存在す
るa−Si層の電気的に活性な安定化作用がマイナスに影
響されることはない。
Claims (6)
- 【請求項1】半導体デバイスの電気的に活性な安定化層
のための保護層の製造方法であって、この保護層が1017
cm-3・eV-1以下の欠陥密度及び1010Ω・cm以上の電気比
抵抗を有するものにおいて、 前記保護層が無定形の水素含有炭素、即ちa−C:Hの薄
層からなり、 該薄層が1000Vまでのセルフバイアス直流電圧下での、
ガス状炭化水素の高周波−プラズマ析出処理により前記
安定化層上に析出されることを特徴とする方法。 - 【請求項2】保護層が0.05μm以上、3μm以下の厚さ
を有することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】電気的に活性な安定化層が無定形ケイ素か
らなることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。 - 【請求項4】プラズマ析出を、無線周波数を用いて行う
ことを特徴とする請求項1ないし3の1つに記載の方
法。 - 【請求項5】ガス状炭化水素としてアルカンを使用する
ことを特徴とする請求項1ないし4の1つに記載の方
法。 - 【請求項6】電気的に活性な安定化層の析出中250℃以
下の温度に保持することを特徴とする請求項1ないし5
の1つに記載の方法。
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