DE1544287B2 - Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht aus Siliciumnitrid - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht aus Siliciumnitrid

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht aus Siliciumnitrid an der Oberfläche eines — insbesondere aus Silicium bestehenden — Halbleiterkristalls, bei dem der Halbleiterkristall in einem zur thermischen Abscheidung von Siliciumnitrid befähigten Reaktionsgas unter Entstehung einer Siliciumnitridschicht erhitzt wird.
Solche Siliciumnitridschichten lassen sich — ähnlich wie Siliciumdioxydschichten — als Grundlage für eine Diffusionsmaske bei der Herstellung von pn-Ubergängen durch Eindiffundieren von entsprechenden Dotierungsstoffen aus der Gasphase bzw. als Passivierungsschichten zum Schütze von pn-Ubergängen einsetzen. Die erforderlichen Fenster in der Siliciumnitridschicht lassen sich z. B. durch entsprechendes Ätzen, z. B. mit HF-haltigen Säuregemischen, erzeugen. Siliciumnitridschichten sind in mancher Beziehung, nämlich in bezug auf die Maskierungsfähigkeit bei der Diffusion und als Passivierungsschicht gegen das Einwandern von Alkaliionen und auch bezüglich der Spannungsfestigkeit günstiger als SiO2-Schichten.
Zum Zwecke der Herstellung einer Schutzschicht aus Siliciumnitrid war es bekannt, den Halbleiterkristall in einem durch ein Inertgas verdünnten Gemisch aus Monosilan (SiH4) und Ammoniak (NH3) zu erhitzen. Dazu benötigt man jedoch über 500° C liegende Abscheidungstemperaturen, durch welche andererseits die Lösbarkeit der Siliciumnitridschicht in HF-haltigen Ätzmitteln beeinträchtigt wird.
Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, als aktiven Bestandteil des Reaktionsgases Alkylaminosilane, Arylaminosilane, Alkylaminoalkylsilane, Arylaminoalkylsilane, Alkylaminosilazane, Arylaminosilazane, oder cyclische alkyl- oder arylsubstituierte Si-N-Verbindungen zu verwenden.
Im Gegensatz zu dem z. B. durch die US-PS 3149216 bekannten Verfahren zum Herstellen von Siliciumnitrid durch Reaktion von SiCl4 bzw. SiH4 mit NH3 werden hier merklich niedrigere Abscheidungstemperaturen benötigt, weil die für die Entstehung von Siliciumnitrid erforderliche Si-N-Bindung bereits im Reaktionsgas vorliegt. Außerdem wird die Entstehung von Zwischenprodukten, welche noch Si-H-Bindungen enthalten und die sich in die Siliciumnitridschicht einbauen und damit deren Eigenschäften beeinträchtigen können, vermieden. Geht man nämlich entsprechend der Lehre der Erfindung von den genannten gasförmigen sauerstofffreien Silicium- > Si-nitrid + Kohlenwasserstoffe
Je nach Temperaturführung und Art sowie Zumischung des Fremdgases können hierbei Si-Nitridschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten werden.
Beispiel
Durch flüssiges Tetrakisdimethylaminosilan (Schmp. 15° C, Sdp. 180° C) in einer Fritten waschflasche wird ein Trägergas (N2, Argon, NH3 oder Gemische davon) geleitet, so daß sich das Gas mit den Dämpfen der Verbindung belädt. Das Verhältnis Gas zu Dampf wird zweckmäßig durch ein geregeltes Temperaturbad eingestellt (gegebenenfalls auch durch »bypass«). Das Gasgemisch wird nun in einen Reaktor mit den auf einer beheizten Unterlage (meist Kohleheizer mit Quarzglas überzogen) liegenden Silicium- (bzw. Halbleiterscheiben geleitet. Die Temperatur der Scheiben kann zwischen 500 und 1200°C betragen; im allgemeinen liegt sie bei etwa 700° C. Auf den Scheiben scheidet sich dann langsam ein dichter, durchsichtiger, überzug von Siliciumnitriden ab, dessen Dickenwachstum linear mit der Zeit zunimmt. Die Lösungsgeschwindigkeit der hergestellten Schichten, besonders in Ätzlösungen, ist weitgehend von der Abscheidetemperatur abhängig.
Als flüchtige Si-Stickstoffverbindungen kommen besonders in Frage:
a) Alkyl- und Arylaminosilane bzw. Alkyl- und Arylaminoalkylsilane
Si(NRR')4
R = H; Alkyl; Phenyl, R' = H; Alkyl; Phenyl, bzw. R(4_n)Si(NRR')„
η = 1;2;3;4.
b) Alkyl- und Arylaminosilazane
(R1RN)3 _ m-SiRm-N-Rm,Si(NRR')3 _ m,
R
m; m' = 1; 2; 3.
c) Cyclische Si-N-Verbindungen von a) und b) wie
Si
NR' NR'
Si Si
R NR' R
R' R"
\ /
Si
/ \ '■
NR NR
R'
R'
Si Si
R" N R"
R R'
Si
NH NH
R'
R'
20
Si Si
/ \ / \
R NH R
d) An Stelle von Alkylaminalkylsilanen kann auch ein gasförmiges Gemisch von Alkylaminosilanen mit Ammoniak bzw. mit Alkylaminen und Wasserstoff zur Reaktion gebracht werden. Bei Temperaturen über 7000C entstehen hieraus ebenfalls überzüge von Siliciumnitriden.
Schematisch
SiR4 + NH3
DZW- SiR4 + H2NR + H2
Si-nitrid
+ Kohlenwasserstoff
+ Wasserstoff
35
Bei der Wahl des Trägergases ist zu berücksichtigen, ob in der als Ausgangsprodukt verwendeten, flüchtigen Si-Stickstoffverbindung die Siliciumatome nur an Stickstoff gebunden sind oder ob gleichzeitig noch Si-C- bzw. Si-H-Bindungen vorhanden sind. In ersterem Falle können als Trägergas Edelgase, Wasserstoff oder Stickstoff allein (oder Gemische derselben) verwendet werden, im zweiten Fall ist zumindest dann ein Zusatz von Ammoniak oder gasförmiger Alkylamine zu obigen Trägergasen erforderlich, wenn das Atomverhältnis N: Si kleiner 3/2 ist. Zur Erleichterung der Abspaltung der Alkylgruppen ist das Arbeiten in wasserstoff- und/oder NH3-haltiger Atmosphäre immer vorteilhaft.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Apparatur ist in der Zeichnung dargestellt. In einem z. B. aus Quarz bestehenden, zylindrischen Reaktionsgefäß 1 ist auf einem Podest 2, wie es z. B. bei der normalen Halbleiterepitaxie aus der Gasphase angewendet wird, der mit der Siliciumnitridschicht zu versehende Halbleiterkristall 3 angeordnet. Zur Beheizung des Kristalls kann eine direkte elektrische Beheizung mittels Widerstandsheizung 4 unter Verwendung des Podestes 2 als Heizwiderstand vorgesehen sein, oder der aus leitendem und hitzebeständigem Material bestehende Podest wird durch das Induktionsfeld einer Spule 5 auf Reaktionstemperatur gebracht. Die verbrauchten Reaktionsgase verlassen das Reaktionsgefäß über den Abzug 6, während das Frischgas an der Stelle 7 in das Reaktionsgefäß derart eingeführt wird, daß das Frischgas mit dem zu beschichtenden Halbleiterkristall in ausreichenden Kontakt gelangen kann. Die flüssige Siliciumstickstoffverbindung 8 befindet sich in einem Verdampfergefäß 8a, deren Temperatur über einen nicht dargestellten Thermostaten konstant gehalten .wird. In bekannter Weise wird durch dieses Gefäß ein Trägergasstrom an der StelleSb eingeleitet, der das Verdampfergas an der Stelle 9, beladen mit dem Dampf der flüchtigen Siliciumstickstoffverbindung, verläßt. Parallel hierzu ist eine Zuführungsstrecke 10 für reines Trägergas geschaltet. Mittels Gasströmungsmesser 11 und 12 kann der Fluß des Trägergasstromes überwacht und mittels der regelbaren Ventile 13 und 14 geregelt werden. Die Bedingungen sind in gleicher Weise wie die der Heteroepitaxie.
Beispielsweise kann man auf einem Substrat aus Silicium oder Siliciumcarbid mit (lll)-Abscheidefläche einkristalline Si3N4-Schichten erhalten, wenn man die Zusammensetzung des Reaktionsgases während des Abscheideprozesses allmählich verändert, so daß zunächst der Halbleiter- des Substrates in schwacher Vermischung mit dem Siliciumnitrid abgeschieden wird und erst dann allmählich die Zugabe an Siliciumnitrid sukzessive erhöht sowie der Anteil an dem Substrathalbleiter in der Abscheidung sukzessive vermindert wird, bis schließlich nur noch Siliciumnitrid abgeschieden wird. Die richtenden Kräfte des Silicioms bzw. des Siliciumcarbidgitters können auf diese Weise sich schließlich auf eine orientierte Abscheidung des Siliciumnitrids auswirken.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht aus Siliciumnitrid an der Oberfläche eines — insbesondere aus Silicium bestehenden — Halbleiterkristalls, bei dem der Halbleiterkristall in einem zur thermischen Abscheidung von Siliciumnitrid befähigten Reaktionsgas unter Entstehung einer Siliciumnitridschicht erhitzt wird, dadurchgekennzeichnet, daß als aktiver Bestandteil des Reaktionsgases Alkylaminosilane, Arylaminosilane, Alkylaminoalkylsilane, Arylaminoalky!silane, Alkylaminosilazane, Arylaminosilazane oder cyclische alkyl- oder arylsubstituierte Si-N-Verbindungen verwendet werden.
    stickstoffverbindungen aus und leitet deren Dämpfe, gegebenenfalls zusammen mit Fremdgasen, auf erhitzte Halbleiteroberflächen, so scheidet sich auf diesen infolge pyrolytischer Zersetzung eine festhaftende, durchsichtige homogene Schicht von Siliciumnitrid ab.
    Beispiel
    / ,
    Si
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