DE3044958C2 - Verfahren zur Bildung eines SiO ↓2↓ enthaltenden isolierenden Films auf einem GaAs-Halbleitersubstrat und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Bildung eines SiO ↓2↓ enthaltenden isolierenden Films auf einem GaAs-Halbleitersubstrat und Verwendung des Verfahrens

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines SiO2 enthaltenden isolierenden Films auf einem GaAs-Halbleitersubstrat nach izm Obi/begriff des Patentanspruchs 1 und die Verwendejig dieses Verfahrens.
Die Passivierung der Oberfläcl·: eines GaAs-Substrats durch Bildung eines isolierenden Films darauf ist von großer Bedeutung bei der Bildung eines Gate-Isolators eines Feldeffekt-Transistors vom MOS-Typ und beim Schutz der Oberflächen verschiedener Arten von elektronischen Vorrichtungen und lichtemittierenden -to 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 *5 Methode zur Bildung eines separaten isolierenden Films auf dem Substrat. Die erste Methode umfaßt beispielsweise die thermische Oxidation, die anodische Oxidation in einem Elektrolyten und die Plasma-Oxidation, wohingegen die letztere Methode beispielsweise CVD, "° Aufspritzen, Vakuumabscheidung, Molekülsirahlabscheidung und Glimmentladung umfaßt. Beispiele für das isolierende Material umfassen SiO, SiO2, Si3N4, SiO2/Si3N4, SiN, SiON, AI2O3, SiO2/AI2O3, PSG, GaN und Ta2O5.
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 &o Gate-Isolator eines MOS-Feldeffekt-Transistors, da die gegenseitige Konduktanz bzw. die Steilheit nachteilig verringert wird, wenn die Grenzflächenzustandsdichte zu hoch ist. Ist die Grenzflächenzustandsdichte extrem hoch, so kann ein MOS-Feldeffekt-Transistor vom Inversionstyp seine Funktion nicht erfüllen, da keine Oberflächeninversion stattfindet.
Aus Japan J. Appl. Phys., Bd. 15 (1976), Nr. 5, Seiten 939 und 940, ist es bekannt, auf einem GaAs-Halbleitersubstrat einen Oberzug von reinem SiO2 anodisch mit einem Elektrolyten in Form einer Propylenglycol enthaltenden wäßrigen Lösung zu erzeugen. Nach dem Auftragen des SiO2-FHmS unterzieht man das Substrat einer Wärmebehandlung. Die DE-AS 25 06 457 beschreibt die Bildung eines SiO2-FiImS auf einem Halbleiter unter Verwendung einer Silikon-Emulsion. Diese Oberzugsschicht wird anschließend durch Wärmebehandlung gehärtet Die DE-AS 12 94 137 erwähnt die Löslichkeit von GeO2 in Alkoholen. In J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, Bd. 125, Nr. 4, Seiten 579 bis 581, wird die thermische Oxidation eines GaAs-Substrats unter Erhitzen in einer Atmosphäre, die As2O3 enthält beschrieben. Dadurch wird verhindert daß As2O3 die Oxidschicht verläßt und sich in der umgebenden Atmosphäre verflüchtigt.
Die nicht vorveröffentlichte DE-OS 29 44 180 beschreibt die Bildung eines SiO2-FiImS auf einem Halbleiter unter Verwendung einer SiO2 enthaltenden Lösung, wobei als Lösungsmittel Methanol, usw. angewandt werden.
Die bekannten Methoden zur Bildung von isolierenden Filmen auf GaAs-Halbleitersubstraten 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 ändf rt, 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 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 GaAs-Halbleiter bereitzustellen, und alle davon sind schwierig für die praktische Herstellung von elektronischen Vorrichtungen oder dgl. anzuwenden.
Es wurde festgestellt daß man an der Grenzfläche Substrat-Überzug eine zu hohe Zustandsdichte erhält, wenn der Überzug auf dem GaAs-Substrat aus reinem SiO2 besteht. Ferner wurde die Feststellung gemacht, daß diese hohe Grenzflächenzustandsdichte auf einer Diffusion von Ga in den SiO2-FiIm während der Wärmebehandlung beruht. Ausgehend vom Stand der Technik nach der oben genannten Veröffentlichung: Japan J. Appl. Phys., Bd. 15 (1976) Nr. 5, Seiten 939 und 940, liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die damit hergestellten isolierenden Filme lediglich eine äußerst geringe Grenzflächenzustandsdichte verursachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das Substrat mit einer alkoholischen Lösung überzieht, die neben SiO2 0.5 bis 5 g GaCI1 pro 100 ml
enthält. Nach dem beanspruchten Verfahren erhält man eine Oberflächeninversion, da die Ga-Diffusion aus dem Substrat in den Überzugsfilm verhindert wird. Dies ist aus der anliegenden F i g. 1 zu entnehmen, die die Kapazttäts-Spannung-Charakteristika einer MOS-Diode, die nach dem beanspruchten Verfahren hergestellt wurde, zeigt.
Bei dem beanspruchten Verfahren wird ein GaAs-Substrat eingesetzt, dessen Oberfläche in üblicher Weise behandelt wurde. Der beim beanspruchten i" Verfahren erhaltene SiO2-FiIm besitzt eine vorbestimmte Dicke.
Die Konzentration von GaCb in der SiO^Lösung beträgt 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 ι > 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 7500C durch, da Risse auftreten, wenn man die Halbleitervorrichtung plötzlich höheren Temperaturen aussetzt.
Das folgende Beispiel dient zur genaueren Erläuterung des beanspruchten Verfahrens.
Die Oberfläche eines GaAs-Substrats vom p-Typ mit einer Trägerkonzentration von 1 · 1018Cm-2 wurde durch Entfetten und Ätzen in üblicher Weise behandelt und mittels einer Spinn-, Rotier- oder Schleudervorrichtung mit einer alkoholischen Lösung von SiO2, die GaCb J" 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 4500C und 1 h bei 6000C in einer Stickstoffatmosphäre i' wärmebehandelt, wodurch man einen isolierenden Film mit einer Dicke von etwa 80 nm auf der Oberfläche des Substrats bildete. Mit einer Überzugslösung, die 5 g SiO2 und 2,5 g GaCb pro 100 ml enthält, wurde ein SiO2-FiIm erhalten, der etwa 53 Atom-% Ga enthielt. 4() Anschließend wurde Aluminium durch eine Metallmaske auf dem SiOrFiIm unter Bildung einer Elektrode abgelagert, während eine AuGeNi-Legierungselektrodr 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 F i g. 1 dargestellt.
Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, hatten die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristika der MOS-Diode, hergestellt gemäß dem beanspruchten Verfahren, eine geringe Hysterese bei jeder untersuchten Frequenz, d. h. 100 Hz, 1 KHz, 10 KHz und 1 MHz 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 zufriedenstel^Aden 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 im vorstehenden Beispiel genannten Wert beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise variiert werden, 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 v/erden.
Die Erfindung ist von sehr großer industrieller Bedeutung, und sie ist praktisch anwendbar zur Bildung eines Gate-Isolators für einen MOS-Feldeffekt-Transistor oder zur Bildung eines Schutzfilms auf der Oberfläche einer Vielzahl anderer elektronischer Vorrichtungen und lichtemittierender und -empfangender Vorrichtungen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Bildung eines SiO2 enthaltenden isolierenden Films auf einem Halbleitersubstrat aus GaAs, wobei man eine Lösung von SiCh aufträgt und das Substrat einer Wärmebehandlung unterzieht dadurch gekennzeichnet, daß man das Substrat mit einer alkoholischen Lösung überzieht, die neben SiO2 0,5 bis 5 g GaCI3 pro 100 ml enthält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man eine alkoholische Lösung aufträgt die 5 g SiO2 und 2J5 g GaCl3 pro 100 ml enthält
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß man die Wärmebehandlung bei 1500C während V2 h, bei 4500C während V2 h und bei 6000C während 1 h in einer Stickstoffatmosphäre durchführt
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß man die Ga enthaltende Lösung von SiO2 in einer Stärke aufträgt die nach der WärrasSehandlung 80 nm beträgt.
5. Verwendung des mit einem isolierenden Film aus Ga enthaltendem SiO2 überzogenen Halbleitersubstrats aus GaAs, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in einem Feldeffekt-Transistor vom MOS-Typ.
DE3044958A 1979-11-28 1980-11-28 Verfahren zur Bildung eines SiO ↓2↓ enthaltenden isolierenden Films auf einem GaAs-Halbleitersubstrat und Verwendung des Verfahrens Expired DE3044958C2 (de)

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