CH497339A - Verfahren zum Herstellen von ätzbarem Siliciumnitrid in Form dünner Schichten - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zum Herstellen von   ätzbarem    Siliciumnitrid in Form dünner Schichten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Herstellen von   ätzbarem    Siliciumnitrid in Form dünner
Schichten durch Abscheiden aus der Gasphase auf einem    Träverkörper.   



   Solche Verfahren werden vor allem in der Halbleiter technik benötigt, da solche auf   Haibleiteroberflächen    aufgebrachte Schichten einmal nach Erzeugung entspre chender, zur   Halbleilcroberfläche    durchgehender Fenster als Diffusionsmasken verwendet werden können, zum anderen, weil auf der Oberfläche von Halbleiterbauele menten- aufgebrachte   Siliciumnitridschichten    den elektri schen Schutz der Anordnung in ähnlicher Weise über nehmen können,   wic    dies bei Siliciumdioxidschichten be    kannt    ist.



   Es ist nun Aufgabe der Erfindung, dichte und an der
Unterlage. insbesondere aus Halbleitermaterial. fest haftende   Siliciumnitridschichten    herzustellen.



   Zur Lösung   dicser    Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass ein Silicium und Stickstoff in gebundener Form enthaltendes Reaktionsgas unter Verwendung eines Trä    gergases    in ein Reaktionsgefäss eingeleitet und dort an dem erhitztem Trägerkörper unter Bildung von Silicium nitrid zersetzt wird und dass dabei die Reaktionsbedin    gungen    derart gewählt werden,

   dass eine irreversible
Pyrolyse stattfindet und das gebildete Siliciumnitrid in    röntgenamorpher    Form abgeschieden wird
Weiter betrifft die Erfindung eine nach diesem Ver fahren hergestellte Siliciumnitridschicht    Als      siliciumhaltige    Komponente des Reaktionsgases    kann    beispielsweise - eine bei Raumtemperatur flüssige   organische      Siliciumverbindung    gewählt werden. Zu den für die   Durchführung    des Verfahrens geeigneten Verbin dungen zählen Tetraalkylsilane mit der allgemeinen For mel   SiR+,    wobei R ein Radikal, vor allem eine Methyl-,    Äthyl-    oder Propylgruppe oder Wasserstoff bedeutet. Die
Verbindung soll nicht mehr als zwei Wasserstoffatome enthalten.

  Eine andere Möglichkeit bildet die Anwen    dung    von   rrialkyisilanen    mit der allgemeinen Formel    SiR1X,    wobei R die gleiche Bedeutung wie im erstgenannten Beispiel hat, während X als Symbol für die Halogene Cl, Br und J sowie für die Zyangruppe (CN) dient Als stickstoffhaltige Komponente des Reaktionsgases wird bevorzugt Ammoniak verwendet, das zweckmässig direkt einem Druckgefäss entnommen wird. Gegebenenfalls kann die den Stickstoff liefernde Komponente vor dem Vermischen mit den übrigen Komponenten des Re   aktionsgases    gereinigt werden. Zu diesem Zweck wird diese, insbesondere Ammoniak, auf ein Alkalimetall, z.B.



  Kalium oder Natrium, aufkondensiert und anschliessend aus der hierbei resultierenden Lösung verdampft. Das   abdampfende    Ammoniak wird dann über eine getrennte Zuleitung in das Reaktionsgefäss eingeführt. Das Mi   schunesverhältnis    der einerseits das Silicium und der andererseits den Stickstoff enthaltenden Komponenten im Reaktionsgas entspricht dabei etwa dem stöchiometrischen Verhältnis.



   Das Reaktionsgas, dem   zweckmässigerweise    als Trä   eproas    Wasserstoff und/oder ein Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon, zugesetzt wird, strömt mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 5 cm/Sek. über die zu beschichtenden Träger. Eine Abscheidungstemperatur im Bereich von   750-900 C,    insbesondere von   800 C,    hat sich als vorteilhaft erwiesen. Der zu beschichtende Trä   aber.    beispielsweise eine einkristalline Siliciumscheibe, wird auf eine Kohleheizbrücke aufgelegt, die dann während des Abscheideprozesses durch direkten Stromdurchgang   au±    die für die Abscheidung erforderliche hohe Temperatur erhitzt ist.



   Die mit Siliciumnitrid überzogene Siliciumscheibe kann nach Beendigung des Verfahrens in ähnlicher Weise wie eine mit einem Oxid überzogene   Siliciumscheibv    einem formgebenden Ätzen unterworfen werden Als Ätzmittel für das in Form seiner bei niedrigen Temperaturen beständigen röntgenamorphen Modifikation vorliegende Siliciumnitrid eignet sich verdünnte Flussäure oder ein Gemisch aus Flussäure und Ammoniumfluorid.



   Das Verfahren   gemäss    der Erfindung lässt sich mit besonderem Vorteil auf die Herstellung von Feldeffekt  transistoren anwenden. Solche Bauelemente, die nach der Art der MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, enthalten als isolierende Schicht zwischen dem Halbleitkörper und einer Steuerelektrode anstelle der Silicium dioxidisolierschicht eine Siliciumnitridschicht, die unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung hergestellt worden ist.



   Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem anhand der Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hervor.



   In der Fig. 1 ist eine zum Herstellen von dünnen Schichten aus amorphem,   d.h    röntgenamorphem Siliciumnitrid durch Abscheiden aus der Gasphase geeignete Vorrichtung dargestellt. In einem Reaktionsgefäss 10 aus Quarz sind die Siliciumscheiben 1 untergebracht.



  Diese liegen auf einer Kohleheizbrücke 2, die mit einem oberflächlichen   Slliciumcarbidüberzug    versehen ist, auf und werden durch Wärmeübergang von dieser beheizt.



  Die Kohleheizbrücke 2 ist über die Stromzuführungen 3 mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Stromzuführungen 3 sind isoliert durch die Bodenplatte 4 des Reaktionsgefässes 10 hindurchgeführt. Das Reaktionsgefäss   10    weist ausserdem die Einlassöffnung 5 zum Einleiten des Reaktionsgases sowie die Auslassöffnung 6   zum Entfernen    der   Restgas    auf. Das obere Ende des   Reaktionsgefässes    ist mit einer plangeschliffenen Quarzscheibe 7 versehen, mittels derer die Temperatur der zu beschichtenden   Siliciumscheiben      l    pyrometrisch bestimmt werden kann. Die Ein- bzw. Auslassöffnungen 5 und 6 sind mit den Hähnen 8 und 9 versehen, die ein vollstän   dies    oder teilweises Verschliessen des Reaktionsgefässes gestatten.

  In dieses Reaktionsgefäss wird das Reaktionsgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 4 cm.



  Sek. eingeleitet (lineare Strömungsgeschwindigkeit am Ort der Reaktion). Als Reaktionsgas wird in vorliegendem Fall ein Gemisch von 0,5%   Si(CH3)4    und 2-5%   NH3    unter Zusatz von Wasserstoff als Trägergas verwendet. Es ist dabei vorgesehen, dass die Siliciumverbindung und das gasförmige Ammoniak über getrennte   Zuleitungen,¯ die    erst unmittelbar vor dem Eintritt in das Reaktionsgefäss vereinigt werden, durch die   Einlass-    öffnung 5 in das   Reaktionsgefäss    10 eingeführt werden.



  Der Wasserstoff wird dabei einem Vorratsgefäss 11 entnommen und gelangt über das Überdruckventil 12 in das   Verdampfersyefäss    13, in welchem sich flüssiges Tetrame   thylsilan    befindet und das zur Einstellung der Verdampfungsgeschwindigkeit in einem Temperaturbad 14 untergebracht ist. Der mit der organischen Siliciumverbindung beladene Wasserstoff gelangt von hier aus über die Einlassöffnung 5 in das Reaktionsgefäss   10.   



   Die Zuführung des Ammoniaks erfolgt direkt aus dem   Druckgefäss    15 über ein Überdruckventil 16. Soll ein ausserordentlich hoher Reinheitsgrad der   herzustellen-    den Siliciumnitridschichten erreicht werden, so empfiehlt es sich, das aus dem Druckgefäss 15 stammende   Ammo-    niak vor dem Einführen in das   Reaktionsgefässzu.    reinigen. Dies geschieht vorteilhafterweise so, dass das Ammoniak in einem geeigneten Reaktionsgefäss auf ein Alkalimetall, beispielsweise Kalium oder Natrium aufkondensiert- und anschliessend aus der dabei entstehenden Lösung verdampft wird.

  Auf diese Weise gelingt es, das Ammoniak von restlichen Sauerstoffverunreinigungen zu befreien Das zur Reinigung zu verwendende   Reaktionsgefäss    ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt, zumal hierfür allgemein übliche Vorrichtungen zur Anwendung kommen können.



   Zum Einstellen des Mischungsverhältnisses der gas förmiges Komponenten sind in die- Zuleitungen die
Hähne 17, 18 und 19 eingebaut. Die Messung der Strö   m ungsgeschwindigkeit    erfolgt durch die   Strömunvsmes-    ser 20, 21 und 22.



   Das Reaktionsgas, beispielsweise ein Gemisch aus    .S c    Tetramethylsilan und 2-5% Ammoniak (Volu menprozent) unter Verwendung von gereinigtem Wasser stoff als Trägergas, Strömt bei geöffnetem Hahn 8 in    Richtung    des Pfeiles 23 in das Reaktionsgefäss ein.



   Das Reaktionsgas wird nunmehr an den auf 8000C erhitzten Siliciumscheiben zersetzt. Dabei entsteht Sili    ciumnitrid    in Form einer bei niedrigen Temperaturen anfallenden amorphen Modifikation und bildet auf der   Siliciumoberfläche    einen festhaftenden, porendichten    bberzug.    Die Wahl der Abscheidetemperatur wird ein mal dadurch bestimmt, dass sie hoch genug sein muss.



  um eine genügend grosse Abscheidegeschwindigkeit zu garantieren, und andererseits so niedrig gehalten werden    inuss,    dass nicht reines Silicium bzw.   Siliciumcarbid    ab   geschieden    wird und ausserdem dabei ebenfalls entste hendes   Siliciumnitrid    in seiner   Hochtemperaturmodifi-    kation entsteht. Die Hochtemperaturmodifikation des   Siliciumnitnds    kann nicht mit den in der Halbleitertechnik üblichen Ätzmitteln abgeätzt werden, sondern setzt diesen   ÄtzmTtteln    einen erheblichen Widerstand entgegen.



  Oxydierende Schmeizen, die eine   Lbsung    der Hochtem    peratu rniod ifikation    ermöglichen, sind wegen der Gefahr des Einschleppens von Verunreinigungen   unge-      -cignet.    Durch die verhältnismässig niedrige Abscheidetemperatur wird erreicht, dass keine   Gleichgewichtsbe.   



     dingungen    am Ort der Abscheidung vorliegen. so dass die Pyrolyse irreversibel verläuft und das Siliciumnitrid in der   ge.vünscllten      ätzbaren,.nahezu    amorphen Form anfällt. Bei Einhaltung der im vorhergehenden genannten    Reak tionsbedingungen    wird eine   Abscheidegeschwindig.   



   keit von etwa- 100   Älmin    erreicht. Auf diese Weise kön nen Schichten mit einer Dicke bis zu   emlgen      pLm    hergestellt werden. Nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke werden die mit einem Siliciumnitridüberzug verse    dienen    Scheiben aus dem Reaktionsgefäss entfernt und der weiteren Verarbeitung zu Halbleiterbauelementen zugeführt. Derartige Anordnungen eignen sich insbesondere zur Herstellung von Feldeffekttransistoren, die in ihrem Aufbau den MOS-Feldeffekttransistoren entsprechen, wobei anstelle der Siliciumdioxid-Isolierschicht eine Siliciumnitrid-Isolierschicht vorgesehen ist. Die elektrischen Eigenschaften dieser Siliciumnitridschicht sind teilweise noch wesentlich besser als diejenigen der Oxidschicht.



  Ausserdem zeichnen sich. diese Schichten durch einen hohen- Reinheitsgrad aus
In Fig. 2 ist ein mit Hilfe des Verfahrens nach der
Lehre der Erfindung herzustellender Feldeffekttransistor dargestellt. Wie aus der Figur zu ersehen ist besteht der Grundkörper aus schwach pdotiertem Silicium (31). Dieser Grundkörper, der zunächst durch eine   Ätzbehand-    lung gereinigt und poliert worden ist, ist anschliessend mit einem oberflächlichen Überzug von Siliciumnitrid versehen worden. Die Siliciumnitridschicht ist anschliessend durch Atzen mit. 

  Flussäure unter Anwendung der Fotolithografie teilweise   abgeätzc.worden    Das Ätzen wurde dabei so durchgeführt, dass die Stellen, die für die source   u    drain-Zone vorgesehen sind, freigelegt u.. für das Eindiffundieren einer aktiven Verunreinigung, z.B. von Phos   phor,    vorbereitet sind. Nach dem Eindiffundieren sind die Zonen   32    und 33 (source- und drain-Zone) schwach n-dotiert. Die Verbindung zwischen diesen Zonen wird  durch den ebenfalls aus n-dotiertem Material bestehenden Kanal 34 hergestellt. Der Kanal 34 sowie Teile der Zonen 32 und 33 sind durch die Siliciumnitridschicht 35 teilweise bedeckt. Diese Anordnung ist abschliessend vollständig mit einem Metallüberzug versehen worden, der beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht ist. 

  Durch abermalige Anwendung der Fotolithographie werden die für die Elektroden 36, 37 und 38 vorgesehenen Bereiche abgedeckt und in den übrigen Bereichen der Metall überzug abgeätzt.



   Bei dem fertigen Bauelement werden dann abschliessend die als source-, drain- und gate-Elektrode dienenden Elektroden 26, 37 und 38 mit den Zuführungen 39 versehen und ihrem Verwendungszweck zugeführt. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   I. Verfahren zum Herstellen von ätzbarem Siliciumnitrid in Form dünner Schichten durch Abscheiden aus der Gasphase auf einem Trägerkörper, dadurch gekennzeichnet, dass ein Silicium und Stickstoff in gebundener Form enthaltendes Reaktionsgas unter Verwendung eines Trägergases in ein Reaktionsgefäss eingeleitet und dort an dem erhitzten Trägerkörper unter Bildung von Siliciumnitrid zersetzt wird und dass dabei die Reaktions bedingungen derart gewählt werden, dass eine irreversible Pyrolyse stattfindet und das gebildete Siliciumnitrid in röntgenamorpher Form abgeschieden wird.

   II. Nach dem Verfahren nach Patentanspruch I hergestellte Siliciumnitridschicht III. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass zum formgebenden Ätzen ein Flussäurehaltiges Ätzmittel verwendet wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsgas verwendet wird, das als Siliciumkomponente eine bei Raumtemperatur flüs sige, organische 5 iliciumverbindung enthält.

   2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Alkylsilane mit der allgemeinen Formel SiR4-n Hn verwendet werden, wobei R = Methyl, Äthyl, Propyl und n = eine der Zahlen 0, 1, 2, bedeuten.

   3. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Alkylsilane der allgemeinen Formel SiRv n HnX verwendet werden, wobei R = Methyl, Äthyl, Propyl, X = Cl, Br, J und CN und n eine der Zahlen 0, 1 oder 2 bedeuten.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsgas als stickstoffhal- tige Komponente Ammoniak zugesetzt wird.

   5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ammoniak direkt aus einem Druckgefäss entnommen wird.

   6. Verfahren nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniak vor dem Vermischen mit den übrigen Komponenten des Reaktionsgases durch Aufkondensieren auf ein Alkalimetall und durch anschliessendes Verdampfen aus der resultierenden Lösung gereinigt wird.

   7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsgas verwendet wird, das 0,5% Tetramethylsilan (= Si(CH3)4), 2-5% Ammoniak und als Trägergas mindestens eines der Gase Wasserstoff, Stickstoff oder Argon enthält.

   8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliciumnitridscllicht auf einkristallinen Siiiciumscheiben abgeschieden wird, dabei die Scheiben auf eine Temperatur von etwa 750-9000C erhitzt werden und das Reaktionsgas mit einer linearen Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5 cm/Sek. über die zu beschichtenden Träger geführt wird.

   9. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkörper mittels einer durch direkten Stromdurchgang zu beheizenden, mit einem oberflächlichen SiC-Uberzug versehenen Kohleheizbrücke auf die Abscheidungstemperatur erhitzt werden.