DE3044958A1

DE3044958A1 - Verfahren zur bildung eines isolierenden films auf einer halbleitervorrichtung und die dabei erhaltenen produkte

Info

Publication number: DE3044958A1
Application number: DE19803044958
Authority: DE
Inventors: Hideki Osaka Osaka Hayashi; Kenichi Kikuchi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1979-11-28
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1981-09-17
Also published as: GB2064218B; FR2471046B1; DE3044958C2; FR2471046A1; JPS5676538A; GB2064218A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Filmsauf einem GaAs-Halbleiter-Substrat.

Die Passivierung der Oberfläche eines GaAs-Substrats durch Bildung eines isolierenden Films darauf ist von großer Bedeutung bei der Bildung eines Gitterisolators ("gate insulator") eines Feldeffekt-Transistors vom MOS-Typ und beim Schutz der Oberflächen verschiedener Arten von elektronischen Vorrichtungen und lichtemittierenden und -empfangenden Vorrichtungen. Es wurden bisher verschiedene Methoden zur Bildung derartiger isolierender Filme empfohlen. Diese Methoden lassen sich grob klassifizieren in eine Methode zur direkten Oxidation der Oberfläche des GaAs und eine Methode zur Bildung eines separaten isolierenden Films auf dem Substrat. Die erste Methode umfaßt beispielsweise die thermische Oxidation, die anodisehe Oxidation in einem Elektrolyten und die Plasma-Oxidation, wie beschreiben von D.N. Butcher und B.J. Sealy, Electron Lett., 13, S. 558 (1977); H. Hasegawa et al., Appl. Phys. Lett., 26, S. 567 (1975); R.A. Logan et al., J. Electrochem. Soc, Band 120, S. 1385 (1973); A.G. Revesz und K.H. Zaininger, J. Amer. Ceram. Soc, 46, S. 606 (1963); 0. A. Weinreich/ J. Appl. Phys. , 37, S. 2924 (1966); T. Sugano und Y. Mori, J. Electrochem. Soc, 121, S. 113 (1974); K. Yamasaki und T. Sugano, Japan J. Appl. Phys., 17, S. 321 (1978); F. Koshiga und Y. Sugano, Thin Solid Films, 56, S. 39 (1979); N. Yokoyama et al., Appl. Phys. Lett., 32, S. 58 (1978); L. A. Chesler und G. Y. Robinson, "dc plasma anodization of GaAs", Appl. Phys. Lett., 32, S. 60 (1978); R.P.H. Chang und A. K. Sinha, Appl. Phys. Lett., 29, S. 56 (1976); usw., wohingegen die letztere Methode beispielsweise umfaßt CVD, Aufspritzen, Vakuumäbscheidung, Molekülstrahlabscheidung und Glimmentladung, wie beschrieben in H. W. Becke und J. P. White, Electronics, S. 82 (1967); H. W. Becke et al., Solid State Electron, 8, S. 813 (1965); L. Messick,

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Solid State Electron, 22, S. 71 (1979); K. Kamimura und Y. Sakai, Thin solid Films, 56, S. 215 (1979); B. Bayraktaroglu, 37th Device Research Conf. Abstract PWP-A3, (1979); H. C. Casey et al., Appl. Phys. Lett., 32, S. 678 (1978}; W. T. Tsang, Appl. Phys. Lett., 33, S. 429; usw. Beispiele für das isolierende Material umfassen SiO, SiO₃, Si₃N₄, SiO₂ZSi₃N₄, SiN, SiON, Al₃O₃, SiO₂/Al₂O₃, PSG, GaN und Ta₃O₅.

Eine der wichtigsten Eigenschaften, die für diese Arten von isolierenden Filmen erforderlich sind, ist eine ausreichend geringe Grenzflächen-Zustandsdichte an der Fläche zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter. Dies ist besonders wichtig für einen Gitterisolator eines MOS-Feldeffekt-Transistors, da die gegenseitge Konduktanz bzw. die Steilheit nachteilig verringert wird, wenn die Grenzflächen-Zustandsdichte zu hoch ist. Ist die Grenzflächenzustandsdichte extrem hoch, so kann ein MOS-Feldeffekt-Transistor vom Inversionstyp seine Funktion nicht erfüllen, da keine Oberflächeninversion stattfindet.

Die vorstehenden Methoden zur Bildung von isolierenden Filmen nach dem Stand der Technik führen zu dem Auftreten einer hohen Grenzflächen-Zustandsdichte zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter. Eine Diode, die nach einer beliebigen bekannten Methode hergestellt wurde, beispielsweise solche, die nach Methoden in den vorstehend genannten Veröffentlichungen hergestellt wurden, weist Kapazitäts-Spannungs-Charakteristika auf, derart, daß sie eine hohe Hysterese und einen geringen maximalen Gradienten für die Kapazitätsänderung, die selbst gering ist, hat, was deutlich anzeigt, daß die Grenzflächen-Zustandsdichte der Diode hoch ist. Es ist bekannt , daß, wenn die Grenzflächen-Zustandsdichte ausreichend niedrig liegt, eine Inversion auftritt, und sich so die Kapazität der MOS-Diode dem Niveau der Kapazität des Isolators bei Frequenzen nähert, die niedrig genug sind für die Reaktion von Minoritätsträgern. Jedoch weist keine der nach Methoden des Stands der Technik hergestellten MOS-Dioden eine derartige Zunahme der Kapazität auf, d.h. es erfolgt keine

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Iversion in beliebigen derartigen Dioden.

Daher waren alle bekannten Methoden zur Bildung eines isolierenden Films bisher nicht geeignet, eine ausreichend geringe Grenzflächen-Zustandsdichte zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter bereitzustellen, und alle davon sind schwierig für die praktische Herstellung von elektronischen Vorrichtungen oder dgl. anzuwenden.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung der vorstehenden Nachteile des Stands der Technik für die Bereitstellung einer Methode zur Bildung eines isolierenden Films mit einer äußerst niedrigen Grenzflächen-Zustandsdichte ("interface state density") auf einem GaAs-Substrat.

Im folgenden wird die beigefügte Figur beschrieben. Die Figur ist eine graphische Darstellung, die die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristika einer MOS-Diode zeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

Im folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben.

Durch die Erfindung wird die Verbesserung des üblichen Verfahrens erzielt, bei dem ein GaAs-Substrat mit einer alkoholischen Lösung von SiO~ überzogen und wärmebehandelt wird. Dieses bekannte Verfahren führte zu einer hohen Grenzflächen-Zustandsdichte zwischen dem isolierenden Film und dem Substrat, und es wurde gefunden, daß die hohe Grenzflächen-Zustandsdichte bedingt wird durch die Diffusion von Ga in den SiO₂-FiIm während der Wärmebehandlung. Erfindungsgemäß wird daher eine alkoholische Lösung von SiO-, die Ga enthält, zur Beschichtung des Substrats verwendet, um die Diffusion von Ga in den SiO2~Film während der Wärmebehandlung zu verhindert und so eine starke Verringerung der Grenzflächen-Zustandsdichte zwischen dem isolierenden Film und dem Substrat zu erzielen.

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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein GaAs-Substrat, dessen Oberfläche in üblicher Weise behandelt wird, mit einer alkoholischen Lösung von SiO-/ die Ga enthält, überzogen und anschließend wärmebehandelt, wodurch ein SiO₃-FiIm mit einer vorbestimmten Dicke auf dem Substrat gebildet wird.

Vorzugsweise ist die Konzentration von GaCl₃ in der SiO₃-Lösung 0,5 bis 5 g pro 100 ml der Lösung. Wenn der Ga-Gehalt geringer als 0,5 g/100 ml der Lösung ist, ist die Wirkung der Dotierung von Ga nicht zufriedenstellend, während sich das Ga nicht lösen würde, wenn der Ga-Gehalt über 5 g/100 ml der Lösung beträgt. Die Wärmebehandlung führt man eingangs bei niedrigen Temperaturen und anschließend bei hohen Temperaturen, z. B. 550 bis 75O°C durch, da Risse auftreten, wenn man plötzlich höheren Temperaturen aussetzt.

Das folgende Beispiel dient zur genaueren Beschreibung der Erfindung.

Die Oberfläche eines GaAs-Substrats vom p-Typ mit einer Träger-

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konzentration von 1 χ 10 cm wurde durch Entfetten und Ätzen in üblicher Weise behandelt und mittels einer Spinn-, Rotier— oder Schleudervorrichtung (spinner) mit einer alkoholischen Lösung von SiO-, die GaCl₃ enthält, bei Raumtemperatur, überzogen. Anschließend wurde das Substrat unmittelbar nach dem Überziehen (gewöhnlich innerhalb von 1 Minute) in einen Ofen eingebracht, und 30 min bei 150⁰C, 30 min bei 45O°C und 1 h bei 600°C in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, wodurch man einen isolierenden Film mit einer Dicke von etwa 80 nm (800 S) auf der Oberfläche des Substrats bildete. Die Überzugslösung kann beispielsweise 5 g SiO₃ und 2,5 g GaCl₃ pro 100 ml enthalten. Mit dieser Überzugslösung wurde ein SiO₃-FiIm. erhalten, der etwa 5,3 Atom-% Ga enthielt.

Anschließend wurde Aluminium durch eine Metallmaske auf dem SiO-PiIm unter Bildung einer Elektrode abgelagert, während

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eine AuGeNi-Legierungselektrode an der Rückseite des Substrats gebildet wurde, wodurch eine MOS-Diode hergestellt wurde. Die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristika der MOS-Diode wurden gemessen, und die Ergebnisse sind in der Figur 1 dargestellt.

Wie in der graphischen Darstellung der Figur 1 dargestellt, hatten die Kapazitäts-'Spannungs-Charakteristika der MOS-Diode, hergestellt gemäß der Erfindung, eine geringe Hysterese bei . jeder untersuchten Frequenz, d.h. 100 Hz, 1 KHz, 10 KHz und 1 MHz in der Figur 1, und starke Änderungen in der Kapazität mit der angelegten Spannung, was eine extrem geringe Grenzflächen-Zustandsdichte anzeigt. Darüber hinaus erreichte die Kapazität der MOS-Diode das Niveau der Kapazität des Isolators bei niedrigen Frequenzen, bei Anlegen einer Spannung in der Durchlaßrichtung. Dies zeigt deutlich das Auftreten einer Inversion.

Die so erzielten zufriedenstellenden Ergebnisse beruhen darauf, daß die Anwendung einer alkoholischen Lösung von SiO2, die Ga enthält, die Diffusion von Ga aus dem GaAs-Substrat in den SiO₂-FiIm während der Wärmebehandlung verhindert.

Die Menge an Ga in der alkoholischen Lösung von SiO₂ ist nicht auf den vorstehenden Wert beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise variiert v/erden, insoweit es möglich ist, die Diffusion von Ga in den SiO₂-FiIm während der Wärmebehandlung zu verhindern. Die Wärmebehandlung des Substrats kann auch nach jeder anderen geeigneten Methode als dies vorstehend beschrieben wurde, durchgeführt werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, wird es durch die Erfindung erleichtert, einen isolierenden Film mit einer niedrigen Grenzflächen-Zustandsdichte einfach durch Überziehen eines GaAs-Substrats mit einer Alkohollösung von SiO₂, die Ga enthält, und anschließende Wärmebehandlung, zu bilden. Daher ist die Erfindung von sehr großer industrieller

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Bedeutung, und sie ist praktisch anwendbar auf die Bildung eines Gitterisolators für einen MOS-Feldeffekt-Transistor oder für die Bildung eines Schutzfilms für die Oberfläche einer Vielzahl anderer elektronischer ^Vorrichtungen und lichtemittierender und -empfangender Vorrichtungen.

Es versteht sich, daß das vorstehende Beispiel nur zur Erläuterung der Erfindung dient, ohne diese zu beschränken.

Insbesondere betrifft somit die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Films auf einer Halbleiter-Vorrichtung, das darin besteht, daß man ein GaAs-Substrat mit einer alkoholischen Lösung von SiO^, die Ga enthält, überzieht und das Substrat einer Wärmebehandlung unterzieht.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

H. KINKEUDEY

DR-ING.

W. STOCKMAIR

K. SCHUMANN

DR BER NAT - DIPL-FHYS

P. H. JAKOB

QPL-ING

G. BEZOLD

CW JSR NAT · DCPL-CHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

Sumitomo electric industries, ltd.

No. 15, Kitahama 5-ch.oiae, Higasn.i-ku Osaka-shi, Osaka, Japan

28. November 1980

Verfahren zur Bildung eines isolierenden Films auf
einer Halbleitervorrichtung und die dabei erhaltenen

Produkte

Pateritansprüche

Verfahren zur Bildung eines isolierenden Films auf einer Halbleitervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß man

ein GaAs-Substrat mit einer Ga enthaltenden alkoholischen Lösung von SiO₂ überzieht und

das Substrat einer Wärmebehandlung unterzieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einer alkoholischen Lösung arbeitet, die 0,5 bis g GaCl₃ pro 100 ml enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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man mit einer alkoholischen Lösung arbeitet, die 5 g SiO„ und 2,5 g GaCl pro 100 ml enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung bei 150°C während 1/2 h, bei 45O°C während 1/2 h und bei 600⁰C während 1 h in einer Stickstoffatmosphäre durchführt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Film eine Dicke von etwa 00 nm Cetwa 800 A) aufweist.
6. Halbleitervorrichtung, erhalten nach dem Verfahren von Anspruch 1.
7. MOS-Feldeffekt-Transistor, enthaltend ein GaAs-Substrat, überzogen mit einer Ga enthaltenden alkoholischen Lösung von SiO₂ und wärmebehandelt, und eine Aluminiumelektrode.

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