SE500975C2 - Sätt att framställa ett isolerande dielektriskt skikt av kiseldioxid på ett kiselskikt genom utfällning av ett amorft kiselskikt på ett substrat vid en temperatur som är lägre än ca 580 grader C - Google Patents

Description

500 975 2 fällts på ett substrat vid en temperatur lägre än 580°C bildar ett amorft kiselskikt med en ytterst slät yta. Utlöpning av denna film vid en temperatur mellan ca 900°C och 1000°C omvand- lar den amorfa kiseln från det amorfa tillståndet till ett polykristallint tillstånd med en genomsnittlig kornstorlek av ca 0,08 pm. Det överraskande resultatet av detta förlopp är att polykiselns yta förblir extremt slät trots det förhållandet att kornstorleken i polykiselskiktet som ursprungligen har utfällts i det amorfa tillståndet är betydligt större än kornstorleken i skiktet som utfälls i det polykristallina tillståndet.

Föreliggande uppfinning avser en metod att framställa ett kiseldioxidskikt, i vilken metod ingår momenten att utfälla ett skikt av amorf kisel på ett substrat vid en temperatur som är lägre än ca 580°C och att oxidera skiktet.

På bifogade ritning visar fig 1 en tvärsektionsvy av ett halvledarorgan i vilket föreliggande uppfinning är tilläm- pad, fig 2 är en schematisk vy av kontroll- eller undersöknings- anordningen som används för att mäta egenskaperna hos kisel- dioxidskiktet enligt föreliggande uppfinning, och fig 3 och 4 är histogram som visar genombrottsspänningen hos kiseldioxid som har bildats på amorf kisel och polykiselskikt.

Fig 1 visar en del 10 av ett halvledarorgan med en styrstruktur på detsamma, vilket är typiskt för vad som finns i ett laddningskopplat organ. Delen 10 inkluderar en enkristall- kiselkropp 12 med en huvudyta 14. En styroxid 16, som vanligen bildas genom termisk oxidation av kiselkroppen 12, är belägen ovanför ytan 14. En styr- eller grindstruktur som innefattar ett flertal av var och en av tre olika styren 18, 20 och 22 i en anordning med flera nivåer, varvid varje styre är isolerat från de övriga medelst ett dielektrikum 24, som vanligen utgörs av kiseldioxid, är belägen ovanför styroxiden 16.

Inom tidigare känd teknik består styrena 18, 20 och 22 i regel av polykisel som är utfälld i det polykristallina till- ståndet genom kemisk ångutfällning vid lågt tryck ur en atmosfär som innehåller kisel och ett dopningsmedel, företrädesvis fos- for, vid temperaturen 620°C eller högre. Den dielektriska isole- ringen mellan styrena bildas genom att polykiselskiktet upphet- tas i en torr syreatmosfär vid en temperatur mellan ca 900°C och 500 975 3 l100°C eller i vattenånga vid en temperatur mellan ca 800°C och 900°C. Vanligen innehåller atmosfären också ca 3 volymprocent HCl i gasform.

Enligt metoden som är angiven av föreliggande uppfin- ning utfälls amorf kisel, i ett typiskt fall genom kemisk ångut- fällning vid lågt tryck ur en atmosfär som innehåller kisel i form av silan som är utspädd med kväve, ehuru andra utfällnings- eller avlagringsmetoder inte är uteslutna, i vilka temperaturen hos substratet är lägre än 580°C, vanligen mellan ca 550°C och 575°C, och företrädesvis ca 560°C. Sedan omvandlas skiktet av amorf kisel till ett polykristallint tillstånd genom utlöpning vid en temperatur som är högre än ca 600°C och som företrädesvis ligger mellan ca 900°C och 1000°C. Substratet på vilket den amorfa kiseln är utfälld utgör i ett typiskt fall en kropp av enkristallkisel på vilken ett styroxidskikt är anbragt.

Skiktet av amorf kisel kan dopas med en konduktivitets- modifierare, i regel fosfor, genom att man tillfogar en fosfor- haltig förening till atmosfären under utfällningsförloppet. Vid föreliggande uppfinnings tillkomst har det emellertid visat sig att man föredrar att dopa den amorfa kiseln i ett efterföljande steg eller moment, eftersom ytan hos det resulterande dopade kiselskiktet är glattare om dopningen utförs samtidigt med ut- fällningen av skiktet av amorf kisel.

Skiktet av amorf kisel kan dopas i ett efterföljande moment eller steg under utnyttjande av joninplantering eller diffusion från en atmosfär som innehåller dopningsmedlet med hjälp av metoder som är allmänt kända inom tekniken. Då det gäl- ler diffusionsdopning kan man använda sig av en atmosfär som innehåller POCl3 med skiktet av amorf kisel upphettad till en temperatur mellan ca 800°C och ll00°C. Med joninplantering akti- verar det efterföljande oxidationsmomentet dopmedlet.

Ett skikt av amorf kisel dopat med fosfor kan omvandlas till polykisel genom utlöpning i en kväveatmosfär som innehåller ca 0,5 procent syre vid en temperatur mellan ca 850°C och 1000°C. Den lilla syrekoncentrationen bildar ett tunt glasskikt på ytan och hindrar fosfor från att undkomma och en nitrid från att bildas på ytan. Diffusionsdopning av skiktet av amorf kisel i POCI,-atmosfären resulterar också i att ett tunt glasskikt bil- 500 975 4 das på ytan hos skiktet av amorf kisel. I båda fallen har glaset vanligen en tjocklek mellan 2 och 10 nm, varjämte det är kraf- tigt dopat med fosfor. Detta glas är inte ett användbart isole- rande dielektrikum, och det avlägsnas medelst etsningsmetoder innan ett dielektrikum som isolerar mot kiseldioxid bildas.

Vid denna punkt i förloppet befinner sig kiselskiktet i det amorfa tillståndet om dopningen i skiktet har utförts under utfällningsförloppet eller medelst joninplantering. Om skiktet dopas efter utfällningen medelst diffusion blir upphettningen av skiktet under dopningsförloppet tillräcklig för att omvandla skiktet till det polykristallina tillståndet vid början av dop- ningsmomentet. Det nedan beskrivna termiska oxidationsmomentet är också tillräckligt för att omvandla det utfällda skiktet från amorft tillstånd till polykristallint tillstånd.

Det har visat sig att trots att skiktet av amorf kisel genomgår en övergång till det polykristallina tillståndet all- deles i början av antingen dopningsmomentet eller oxidations- momentet företer ett därpå anbragt kiseldioxidskikt en över- raskande större dielektrisk hållfasthet och en reducerad läck- ström i förhållande till vad som gäller för skikt som är anbrag- ta på polykisel som ursprungligen utfälls i det polykristallina tillståndet.

Före oxidationsmomentet ges det utfällda kiselskiktet vanligen ett mönster så att det får en önskad konfiguration, såsom en eller flera elektroder, genom att man avlägsnar en del av kiselskiktet under utnyttjande av litografiska förfaranden och etsningsförfaranden av standardtyp.

Oavsett om skiktet av utfälld kisel befinner sig i det amorfa tillståndet eller om det polykristallina tillståndet oxi- deras det genom upphettning i en atmosfär som innehåller vatten- ånga eller torrt syre såsom har beskrivits ovan. Man föredrar emellertid att använda sig av torrt syre.

Kiseldioxidskiktet har en tjocklek av minst ca 10 nm och tjockleken är vanligen större än ca 15 nm samt företrädesvis större än ca 25 nm.

Kiseldioxid som bildats enligt den av uppfinningen an- givna metoden kontrollerades eller undersöktes genom användning av den i fig 2 visade kontrollanordningen. \ 500 975 5 Ett kontrollprov inkluderar en kropp 40 av enkristall- kisel med en yta 42 som har en styroxid (grindoxid) 44 som har tjockleken 0,3 pm och som är belägen ovanför en del av ytan 42.

En styrelektrod (grindelektrod) 46, som består av ett med fosfor dopat kiselskikt som är utfällt i överensstämelse med metoden enligt föreliggande uppfinning, är belägen ovanför styroxiden 44 och en del av kroppens 40 yta 42. För enkelhets skull försågs styrelektroden 46 inte med mönster. Ett i enlighet med metoden enligt föreliggande uppfinning framställt kiseldioxidskikt 48 är beläget ovanför styrelektroden 46. Ett flertal kontrollelektro- der 50, vilka innehåller var sitt skikt av polykristallin kisel av n-typ med diametern en millimeter jämte en aluminiumkontakt till skiktet av polykristallin kisel, är belägna ovanpå kisel- dioxidskiktet 48, varigenom man erhåller ett flertal kontroll- kondensatorer i kontrollprovet.

I mätapparaturen ingår en spänningskälla 60, ett ström- begränsande seriemotstånd 62 och en sond 64 med uppgift att åstadkoma en elektrisk anslutning till en av de i ett flertal förekommande kontrollelektroderna 50. Elektrisk ström flyter från spänningskällan 60 genom strömbegränsningsmotståndet 62, sonden 64, kontrollprovet och en amperemeter 66 till jordpoten- tial. En voltmeter 68 är inkopplad över kontrollprovet för att mäta spänningsfallet över detta.

Spänningskällan 60 kan pålägga antingen en positiv eller negativ spänning på kontrollelektroden 50. Genombrotts- spänningen och läckströmmen för varje provkondensator mäts individuellt med både en positiv och en negativ spänning på en kontrollelektrod. Eftersom det elektriska strömflödet genom en kontrollkondensator i första hand beror på elektrisk injicering i kiseldioxiden från styr- eller kontrollelektroden ger en jäm- förelse mellan resultaten för de skilda spänningspolariteterna ett mått på kvaliteten hos gränsytan mellan styrelektroden och det på detta belägna skiktet av kiseldioxid.

De nu följande exemplen är avsedda att åskådliggöra uppfinningen, och de har inte till uppgift att begränsa dess omfattning på något sätt.

EXEMPEL 1 Tre kontrollprov med var sin gemensam styrelektrod och 500 975 6 ett flertal kontrollelektroder, såsom har beskrivits ovan, fram- ställdes genom termisk oxidation i en torr syreatmosfär. Provet 1 utgjordes av ett skikt av amorf kisel utfälld genom kemisk ångutfällning vid lågt tryck i en silanatmosfär på en styroxid vid temperaturen 560°C. Skiktet av amorf kisel dopades därefter med fosfor genom diffusion från en POCIQ-atmosfär vid 950°C under 15 minuter. Denna behandling medförde också att kiselskiktet omvandlades till polykristallint tillstånd med arkresistiviteten 16 ohm/D. Detta skikt upphettades därefter vid 1000°C i en atmosfär av torrt syre plus tre procent HCl under en time, var- igenom ett 108 nm tjockt skikt kiseldioxid bildades på kisel- skiktets yta.

Ett flertal kontrollelektroder bildades på kiseloxid- skiktet medelst följande moment: (a) ett skikt av polykisel med en tjocklek av ca 700 nm ut- fälldes över oxiden; (b) nämnda polykisel dopades genom indiffundering av fosfor från en POCl,-källa; (c) polykiselprickar eller -punkter bildades under använd- ning av standardiserade fotoresist- och kemiska ets- ningsmetoder; (d) hela ytan aluminerades, inklusive både polykiselpunk- terna och den exponerade kiseldioxiden; och (e) aluminiumpunkter bildades på polykiselpunkterna och hade därvid en mindre diameter än polykiselpunkterna med användning av standardiserade fotoresist- och kemiska etsningsmetoder.

Provet II framställdes med hjälp av samma metoder som i provet I bortsett från att skiktet av amorf kisel utfälldes vid 560°C ur en atmosfär som innehöll silan och fosfin, varigenom utfällnings- och dopningsmomenten kombinerades. Skiktet av amorf kisel hade arkresistiviteten 10 ohm/Ü. Kiseldioxidskiktet, som bildades liksom då det gällde provet I, hade tjockleken 130 nm.

Provelektroderna bildades på kiseldioxidskiktet på sätt som be- skrivits ovan.

Provet III är ett jämförelseprov som är framställt genom utfällning ur en atmosfär som innehåller silan vid tempe- raturen 620°C, efterföljd av dopning ur en POCl,-atmosfär vid 500 975 7 950°C under 15 minuter, varigenom ett konventionellt polykisel- skikt bildas. Kiseldioxidskiktet, exempelvis I, på polykisel- skiktet hade tjockleken 95 nm och hade resistiviteten 18 ohm/D.

Kontrollelektroderna var också utformade på det ovan i samband med provet I beskrivna sättet.

Figurerna 3(a), (b) och (c) är histogram som visar de procentuella andelarna av organen i kontrollproven I, II resp III som har förstörande genombrottsfält i ett givet intervall för positiva och negativa spänningar som påläggs kontrollelekt- roden.

Av figurerna framgår klart att ur ett kiselskikt bildad kiseldioxid som är utfälld i amorft tillstånd, oavsett om skik- tet är amorft eller polykristallint när oxidation påbörjas, har i genomsnitt ett genombrottsfält som är en faktor av ca 2 högre än då det gäller kiseldioxid som är bildad på kisel som är ut- fälld i det polykristallina tillståndet.

Då spänningspolariteten är omkastad sker elektron- injicering från kontrollelektroden. Eftersom skrovligheten hos den av kiseldioxid bestående styrgränsytan avlägsnas delvis under oxidtillväxten komer gränsytan mellan kontrollelektroden och oxiden att bli slätare än vid kiseldioxidens styrgränsyta. I detta fall är skillnaden mellan skikten som utfälls i amorft tillstånd och skikten som utfälls i polykristallint tillstånd inte så stor, och en mindre ökning i genombrottsspänningen iakt- tas.

Provet I har en större genomsnittlig genombrottsspän- ning än provet II för båda spänningspolariteterna. Detta resul- tat anger att sekventiell dopning av det amorfa kiselskiktet föredras i förhållande till samtidig utfällning och dopning av kiselskiktet. Detta resultat är förvånande på så sätt att om- vandling av den amorfa kiseln till polykisel endast inträffar vid början av dopningsmomentet. Dopmedelatomer inträder då i polykiseln företrädesvis vid korngränserna, och den efterfölj- ande oxidationen inträffar i första hand vid dylika gränser till följd av överskott av dopningsmedel. Detta bör medföra en ökad skrovlighet i kiselytan.

EXEMEL 2 Tre kontrollprov, som har en gemensam styrelektrod och 500 975 8 ett flertal kontrollelektroder såsom har beskrivits ovan, fram- ställdes genom termisk oxidation av en del av styrelektroden i en atmosfär av vattenånga. Provet IV, som innefattade en av amorf kisel bestående styrelektrod som var utfälld och dopad såsom i fallet med provet I i exempel 1, hade en resistivitet som uppgick till ca 19 ohm/D. Det i atmosfären av vattenånga bildade kiseldioxidskiktet hade tjockleken 175 nm. Provet V bil- dades med användning av samma metoder som provet IV utom att skiktet av amorf kisel utfälldes och dopades i samma moment, liksom var fallet med provet II i exempel 1. Arkresistiviteten hos kiselskiktet uppgick till 10 ohm/Ü. Kiseldioxiden som bilda- des i atmosfären av vattenånga hade tjockleken 161 nm. Provet VI är ett jämförelseprov som svarar mot provet III i exempel l och som är bildad genom utfällning av ett kiselskikt i det polykris- tallina tillståndet vid 620°C med efterföljande dopning vid 950°C under 15 minuter i en POCI3-atmosfär. Det polykristallina skiktets arkresistivitet uppgick till 15 ohm/U. Kiseldioxiden som bildades i atmosfären av vattenånga vid 850°C hade tjock- leken 200 nm.

Figurerna 4(a), (b) och (c) är histogram över den andel organ motsvarande kontrollproven IV, V resp VI vilka har genom- brottsfält i ett givet intervall för positiva och negativa spän- ningar pålagda kontrollelektroden. För positiva kontrollspän- ningar på kontrollelektroderna observeras en ringa ökning av genombrottsfältet, av storleksordningen 25-50 procent. För en negativ kontrollspänning på kontrollelektroden iakttas en lik- artad ökning i genombrottsfältet.

En jämförelse mellan dessa genombrottsfält och genom- brottsfälten för proven I, II och III visar att för varje typ av prov blir genombrottsfältet konsekvent större om den termiska oxidationen utförs i en torr syreatmosfär i motsats till en atmosfär av vattenånga.

EXEMPEL 3 'i Läckströmdensiteter mättes vid ett konstant pålagt elektriskt fält lika med 3 MV per centimeter med avseende på fyra skilda prov. Resultaten är visade i tabellen.

Provet A bildades genom utfällning i det amorfa till- ståndet, dopades och oxiderades i torrt syre liksom i fallet med 500 975 9 provet I. Oxidtjockleken uppgick till 160 nm.

Provet B bildades genom utfällning i den polykristalli- na fasen, dopades och oxiderades i torrt syre liksom i fallet med provet III. Oxidtjockleken blev 130 nm.

Provet C bildades genom utfällning i den amorfa fasen, dopades och oxiderades i ånga liksom i fallet med provet IV.

Oxidtjockleken uppgick till 116 nm.

Provet D bildades genom utfällning i den polykristal- lina fasen, dopades och oxiderades i vattenånga liksom i fallet med provet VI. Oxidtjockleken uppgick till 80 nm.

TABELL 2393 Styrpolaritet Läckströmdensitet A (+) 7,5 x 10" amp/cm" B (+) 1,6 x 10* amp/cm" C (+) 3,1 x 10* amp/cm" D (+) 1,1 x 10* amp/cm" Skikt av kiseldioxid bildade enligt metoden som är an- given av föreliggande uppfinning, dvs på kisel utfälld i den amorfa fasen och oxiderad i torrt syre, har således läckströmar som är mer än tre storleksordningar mindre än strömmarna som förekommer hos skikt av kiseldioxid som är bildade medelst kon- ventionella metoder.

Claims (9)

500 975 10 PATENTKRAV

1. Sätt att framställa ett isolerande dielektriskt skikt av kiseldioxid på ett kiselskikt, vilket sätt innefattar momen- tet med utfällning av ett amorft kiselskikt på ett substrat vid en temperatur som är lägre än ca 580°C, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda kiselskikt (18, 20, 22, 46) upphettas vid en temperatur mellan 900°C och 1100°C i syre i en torr syreatmosfär så att en del av nämnda skikt (18, 20, 22, 46) oxideras och ett isolerande dielektriskt skikt (24, 48) bildas.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det amorfa kiselskiktet (18, 20, 22, 46) dopas innan nämnda skikt (18, 20, 22, 46) oxideras.

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att utfällning och dopning av det amorfa kiselskiktet (18, 20, 22, 46) kombineras till ett enda moment.

4. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att dopmedlet är fosfor.

5. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att utfällning av det amorfa kiselskiktet (18, 20, 22, 46) ut- förs vid en temperatur mellan ca 550°C och 575°C.

6. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att utfällning av det amorfa kiselskiktet (18, 20, 22, 46) ut- förs vid en temperatur av ca 560°C.

7. _ Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att oxidering av det amorfa kiselskiktet (18, 20, 22, 46) utförs vid en temperatur mellan 950°C och l050°C.

8. Sätt enligt något eller några av kraven 1-7 vid fram- ställning av ett halvledarorgan inkluderande ett mönstrat skikt av polykristallin kisel med ett kiseldioxidskikt anbragt därpå, k ä n n e t e c k n a t därav, att på kiseldioxidskiktet (48) anbringas ett skikt (50) av lämpligt elektrodmaterial, varvid det mellan kiselskiktet och elektrodmaterialskiktet belägna kiseldioxidskiktet (48) har en tjocklek som är högst ca 200 nm.

9. Sätt enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t därav, att kiselskiktet (18, 20, 22, 46) är dopat med en konduktivi- tetsmodifierare före termisk oxidation.