DE3628399A1 - METHOD FOR PRODUCING A DIELECTRIC FILM ON A SEMICONDUCTOR BODY AND A SEMICONDUCTOR COMPONENT PRODUCED THEREOF - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING A DIELECTRIC FILM ON A SEMICONDUCTOR BODY AND A SEMICONDUCTOR COMPONENT PRODUCED THEREOF

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DE3628399A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Films auf einem Siliziumkörper. Sie betrifft ferner ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement sowie ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, einer Elektrode und einem Halbleiterkörper und die Elektrode trennenden dielektrischen Film.The invention relates to a method for producing a dielectric film on a silicon body. It affects furthermore a semiconductor component produced by the method as well as a semiconductor component with a semiconductor body, an electrode and a semiconductor body and dielectric film separating the electrode.

Dielektrische Materialien, z. B. Siliziumoxid (SiO x mit 1 ≦ωτ x ≦ωτ 2) werden weiterhin bei der Halbleiterherstellung verwendet. Diese Materialien finden nicht nur Anwendung als abschließende Passivierbeschichtungen fertiggestellter Bauelemente sondern auch als zwischenliegende Isolierschichten bei Mehrschicht-Bauelementen. Thermisch gewachsene Oxide, z. B. Siliziumoxid, werden typisch als dielektrische Filme, z. B. als Gate-Isolator, in Halbleiterbauelementen, z. B. in einem EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory, elktrisch änderbares ROM) oder in einem MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET), oder als Kapazitäten oder dergleichen, eingesetzt.Dielectric materials, e.g. B. silicon oxide (SiO x with 1 ≦ ωτ x ≦ ωτ 2) are still used in semiconductor manufacturing. These materials are not only used as final passivation coatings for finished components, but also as intermediate insulation layers for multi-layer components. Thermally grown oxides, e.g. As silicon oxide, are typically used as dielectric films, for. B. as a gate insulator, in semiconductor devices, for. B. in an EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory, electrically changeable ROM) or in a MOS field effect transistor (MOSFET), or as capacitors or the like.

Thermische Oxidationsmethoden, durch die die besten Siliziumoxidfilme herzustellen sind, werden im allgemeinen derart ausgeführt, daß das fragliche Silizium in eine oxidierende Umgebung mit Temperaturen zwischen 800 und 1200°C gebracht wird. In vielen Fällen sind diese Temperaturen für das Substrat zu hoch. Wenn beispielsweise der herzustellende dielektrische Film Teil eines über einem Glassubstrat herzustellenden Halbleiterbauelements ist, werden niedrigere Prozeßtemperaturen verlangt. Speziell auf dem Gebiet der Flüssigkristallanzeige (LCD = Liquid Crystal Display) werden Dünnfilmtransistoren auf Glassubstraten mit einem Erweichungspunkt von etwa 650°C hergestellt. Um daher auf einem auf Glas befindlichen Silizium ein Oxid thermisch aufzuwachsen, wird die Temperatur des Substrats in der Sauerstoffumgebung auf etwa 600°C gehalten mit dem Ergebnis, daß etwa 120 Stunden zum Aufwachsen von 60 bis 70 nm Siliziumoxid benötigt werden.Thermal oxidation methods, through which the best silicon oxide films are generally to be produced carried out that the silicon in question in an oxidizing Environment with temperatures between 800 and 1200 ° C brought. In many cases these are temperatures too high for the substrate. If, for example, the one to be manufactured dielectric film part of one over a glass substrate is to be manufactured semiconductor device requires lower process temperatures. Especially on the Field of liquid crystal display (LCD = Liquid Crystal Display) become thin film transistors on glass substrates made with a softening point of about 650 ° C. Around  hence an oxide on silicon on glass growing up thermally is the temperature of the substrate kept at about 600 ° C in the oxygen environment with the Result that about 120 hours to grow up from 60 to 70 nm silicon oxide are required.

Siliziumoxid (SiO x ), Aluminiumoxid und Siliziumnitrid können bei Anwendung von Glimmentladung oder chemischer Aufdampftechniken (CVD) in einem Bruchteil der zum thermischen Aufwachsen erforderlichen Zeit, z. B. in einigen Stunden oder weniger bei Temperaturen unter 600°C niedergeschlagen werden. Die dielektrische Qualität so gebildeter Filme ist jedoch schlecht im Verhältnis zu derjenigen thermisch gewachsenen Materials.Silicon oxide (SiO x ), aluminum oxide and silicon nitride can be applied using glow discharge or chemical vapor deposition (CVD) techniques in a fraction of the time required for thermal growth, e.g. B. in a few hours or less at temperatures below 600 ° C. However, the dielectric quality of films formed in this way is poor in relation to that of thermally grown material.

Namentlich die Transistor-Einschaltspannung wird bei Verwendung niedergschlagener Siliziumdioxidfilme unstabil. Es wird angenommen, daß Ladungshaftstellen in den Film und/oder an der Grenzfläche Silizium/Dielektrikum eine Sammlung von Ladung im Film bei anfänglichem Anlegen von Spannung zur Folge haben. Beim nachfolgenden Anlegen von Spannung wandert die Einschaltspannung oder Schwellenspannung um 5 bis 10 V oder mehr, während bei Transistoren mit thermisch gewachsenem Oxid die Schwellenspannung nur wenig oder gar nicht wandert.In particular, the transistor turn-on voltage is used deposited silicon dioxide films unstable. It is believed that charge traps appear in the film and / or a collection at the silicon / dielectric interface of charge in the film when voltage is initially applied have as a consequence. The next time voltage is applied the switch-on voltage or threshold voltage migrates by 5 to 10 V or more, while transistors with thermal grown oxide the threshold voltage little or doesn't hike at all.

Weiterhin ist es beim Herstellen von dielektrischen Filmen auf hydriertem, amorphem Silizium wünschenswert, die Prozeßtemperaturen unter etwa 400°C zu halten. Diese Bedingungen gelten, weil die Halbleitereigenschaften von amorphem Silizium sich bei Temperaturen über 400°C - wahrscheinlich als Folge eines Verlustes an Wasserstoff aus dem Film oberhalb dieses Wertes - ändern.Furthermore, it is in the manufacture of dielectric films on hydrogenated, amorphous silicon, the process temperatures are desirable keep below about 400 ° C. These conditions apply because of the semiconductor properties of amorphous silicon at temperatures above 400 ° C - probably as  Result of a loss of hydrogen from the film above of this value - change.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Films bei einer Temperatur unter 600°C, vorzugsweise unter 400°C, zu schaffen, bei dem die Aufwachsgeschwindigkeit des Films gegenüber derjenigen im gleichen Temperaturbereich thermisch aufgewachsenen Films beträchtlich höher ist. Zugleich soll die dielektrische Stabilität eines thermisch gewachsenen Films im wesentlichen erhalten werden. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das eingangs genannte Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Films auf einem Siliziumkörper in den im Hauptanspruch angegebenen Schritten.The invention has for its object a method for Make a dielectric film at one temperature below 600 ° C, preferably below 400 ° C, at which the rate of growth of the film over that thermally grown in the same temperature range Film is considerably higher. At the same time, the dielectric Stability of a thermally grown film in the are essentially preserved. The solution according to the invention exists for the manufacturing process mentioned at the beginning of a dielectric film on a silicon body in the steps specified in the main claim.

Nach diesem Verfahren kann der dielektrische Oxidfilm eines einen solchen Film erfordernden Halbleiterbauelements hergestellt werden.According to this method, the dielectric oxide film can be one semiconductor device requiring such a film will.

Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Lösung für ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und einer Elektrode und einem dazwischen liegenden dielektrischen Film insbesondere in den Merkmalen des Anspruchs 9.Furthermore, the solution according to the invention for a semiconductor component exists with a semiconductor body and an electrode and an intermediate dielectric film in particular in the features of claim 9.

Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.Improvements and further refinements are made in the Subclaims specified.

Durch die Erfindung werden ein Verfahren zum Herstellen eines dreischichtigen dielektrischen Films auf Silizium und ein einen solchen Film anwendendes Halbleiterbauelement geschaffen. Hierbei wird zunächst Silizium in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung oxidiert. Bei dem Oxidieren wird eine erste Schicht aus Siliziumoxid gebildet. Sobald die Oxidation begonnen hat, wird ein reaktives Zerstäuben von Aluminium in einem Sauerstoff-Plasma in Gang gesetzt. Hierdurch wird eine eine Mischung von Silizium- und Aluminiumoxiden enthaltende zweite Schicht des dielektrischen Films gebildet. Eine im wesentlichen Aluminiumoxid enthaltende dritte Schicht wird durch Fortsetzen des reaktiven Zerstäubens von Aluminium gebildet.The invention provides a method for manufacturing of a three layer dielectric film on silicon and a semiconductor device using such a film created. Here, silicon is first in an oxygen  containing oxidized environment. When oxidizing a first layer of silicon oxide is formed. As soon as The oxidation has started to become reactive sputtering of aluminum started in an oxygen plasma. This creates a mixture of silicon and aluminum oxides containing second layer of dielectric Film formed. An essentially containing alumina third layer is by continuing the reactive Atomizing formed by aluminum.

Ein Halbleiterbauelement, welches den dreischichtigen dielektrischen Film zwischen einer Elektrode und einem Halbleiterkörper enthält, besitzt nur geringe oder gar keine Schwellenspannungswanderung, so daß eine gute Stabilität erhalten wird; außerdem kann ein solches Halbleiterbauelement mit beträchtlich weniger Zeitaufwand und/oder bei niedrigeren Temperaturen als nach vergleichbaren bekannten Verfahren hergestellt werden.A semiconductor device that the three-layer dielectric film between an electrode and a semiconductor body contains, has little or no Threshold voltage hike so that good stability is obtained becomes; in addition, such a semiconductor device with considerably less time and / or at lower Temperatures than according to comparable known processes getting produced.

Anhand der schematischen Zeichnungen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:Using the schematic drawings, details of the Invention explained. Show it:

Fig. 1 eine Querschnitts-Ansicht eines Gerätes zum Herstellen des dielektrischen Films für ein Halbleiterbauelement; Fig. 1 is a cross-sectional view of an apparatus for producing the dielectric film for a semiconductor device;

Fig. 2 einen Querschnitt eines einen dreischichtigen dielektrischen Film aufweisenden Halbleiterbauelements; Fig. 2 is a cross section of a three-layer dielectric film having semiconductor device;

Fig. 3 ein Diagramm zur Schwellspannungswanderung eines Halbleiterbauelements mit einem dielektrischen Film, dessen erste Schicht plasmagewachsen ist; und . 3 is a diagram Schwellspannungswanderung a semiconductor device with a dielectric film whose first layer is grown Fig plasma; and

Fig. 4 ein Diagramm zur Schwellspannungswanderung eines Halbleiterkörpers mit einem dielektrischen Film, dessen erste Zone thermisch gewachsen ist. Fig. 4 is a diagram Schwellspannungswanderung a semiconductor body with a dielectric film, the first zone is thermally grown.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein dreischichtiger dielektrischer Film über einem Film oder einem Substrat aus Silizium (amorph, polykristallin oder einkristallin) durch Kombination von Oxidationstechniken und reaktiven Sprüh- bzw. Zerstäubungstechniken gebildet. Eine Siliziumoxid (SiO x mit 1 ≦ωτ x ≦ωτ 2) enthaltende erste Schicht wird entweder durch Plasmaoxidation oder thermische Oxidation auf dem Silizium gebildet. Die Plasmaoxidation kann bei Temperaturen zwischen 25 und 300°C ausgeführt werden, während das thermische Verfahren dort anzuwenden ist, wo Temperaturen von 600°C oder mehr toleriert werden können. Eine eine Mischung von Silizium- und Aluminiumoxiden enthaltende zweite Zone wird durch Zerstäuben von Aluminium in einem Sauerstoff-Plasma gebildet. Die Fortsetzung der reaktiven Zerstäubung führt schließlich zu der im wesentlichen Aluminiumoxid enthaltenden dritten Schicht.The method according to the invention forms a three-layer dielectric film over a film or a substrate made of silicon (amorphous, polycrystalline or monocrystalline) by combining oxidation techniques and reactive spraying or sputtering techniques. A first layer containing silicon oxide (SiO x with 1 ≦ ωτ x ≦ ωτ 2) is formed on the silicon either by plasma oxidation or thermal oxidation. Plasma oxidation can be carried out at temperatures between 25 and 300 ° C, while the thermal process is to be used where temperatures of 600 ° C or more can be tolerated. A second zone containing a mixture of silicon and aluminum oxides is formed by sputtering aluminum in an oxygen plasma. The continuation of the reactive sputtering finally leads to the third layer essentially containing aluminum oxide.

Ein zum Ausführen des beschriebenen Verfahrens geeignetes Gerät wird anhand von Fig. 1 erläutert. Das Gerät 10 enthält eine Vakuumkammer 12, die als Glasglocke ausgebildet werden kann. In der Vakuumkammer 12 befindet sich eine Elektrode 14, die als Schirm, als Spule oder Platte aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie Aluminium, bestehen kann. Die Elektrode 14 wird mit einem Netzanschluß 16 verbunden, bei dem es sich um Gleichstrom, Wechselstrom oder Hochfrequenz zum Erzeugen eines Spannungspotentials handeln kann. Hinter der Elektrode 14 befindet sich ein Magnet 18, der elektrisch von der Elektrode 14 isoliert wird und dazu beiträgt, das Plasma im Bereich der Elektrode zu konzentrieren. Außerdem kann ein Aluminiumtarget 20 vorgesehen werden, wenn die Elektrode 14 aus einem anderen Material als Aluminium besteht. Hinter dem Target 20 soll ein Magnet 22 angeordnet werden. Ein Auslaß 24 der Vakuumkammer 12, der das Evakuieren des Systems ermöglichen soll, wird mit einer nicht gezeichneten Pumpe verbunden. Ferner werden ein erster Einlaß 26 und ein zweiter Einlaß 28 der Vakuumkammer 12 vorgesehen und mit nicht gezeichneten Gas-Entnahmesystemen, die das jeweils passende Gas bzw. Gase liefern sollen, verbunden. Zu dem Gerät gehört außerdem eine nicht gezeichnete Wärmequelle zum Aufheizen der Umgebung (in der Kammer 12) auf eine gewünschte Temperatur.A device suitable for carrying out the described method is explained with reference to FIG. 1. The device 10 contains a vacuum chamber 12 , which can be designed as a glass bell. In the vacuum chamber 12 there is an electrode 14 , which can consist of a material with good electrical conductivity, such as aluminum, as a screen, a coil or a plate. The electrode 14 is connected to a mains connection 16 , which can be direct current, alternating current or high frequency for generating a voltage potential. Behind the electrode 14 there is a magnet 18 which is electrically isolated from the electrode 14 and which helps to concentrate the plasma in the region of the electrode. An aluminum target 20 may also be provided if the electrode 14 is made of a material other than aluminum. A magnet 22 is to be arranged behind the target 20 . An outlet 24 of the vacuum chamber 12 , which is intended to enable the system to be evacuated, is connected to a pump, not shown. Furthermore, a first inlet 26 and a second inlet 28 of the vacuum chamber 12 are provided and connected to gas extraction systems, not shown, which are intended to deliver the appropriate gas or gases. The device also includes a heat source, not shown, for heating the environment (in chamber 12 ) to a desired temperature.

Wenn die erste Schicht thermisch aufgewachsen werden soll, wird die Vakuumkammer 12 zunächst evakuiert und dann über den ersten Einlaß 26 an eine Sauerstoffquelle, z. B. CO2, N2O, O2 oder H2O, angeschlossen. Die Temperatur in der Kammer 12 wird dann auf etwa 600°C angehoben, und es wird die gewünschte Dicke von SiO2 auf der Siliziumoberfläche aufgewachsen.If the first layer is to be thermally grown, the vacuum chamber 12 is first evacuated and then via the first inlet 26 to an oxygen source, e.g. B. CO 2 , N 2 O, O 2 or H 2 O, connected. The temperature in chamber 12 is then raised to about 600 ° C and the desired thickness of SiO 2 is grown on the silicon surface.

Alternativ kann die erste Schicht bei einer niedrigeren Temperatur durch Plasma-Oxidation gemäß US-PS 45 76 829 aufgewachsen werden. Bei diesem Verfahren wird ein Substrat 30, das aus Silizium (amorph, polykristallin oder einkristallin) besteht oder damit umgeben ist, vor die Elektrode 14 gesetzt. Das Substrat 30 liegt dabei auf einer Montageplatte 32 mit einem typischen Abstand von etwa 2,5 cm von der Elektrode 14 entfernt. Die Montageplatte 32 soll aus einem Material bestehen, das während der Plasma-Oxidation als Wärmesenke dienen kann, um die Temperatur des Substrats 30 zu kontrollieren. Eine solche Anordnung mit Wärmesenke wird in der US-PS 43 61 595 beschrieben. Der Grund hierfür ist, daß das Plasma das Substrat 30 deutlich über 300°C erhitzen könnte, aber die Substrattemperatur auf Werten unter 300°C gehalten werden soll. Andere übliche Methoden zum Halten der Temperatur des Substrats 30 können ebenfalls eingesetzt werden.Alternatively, the first layer can be grown at a lower temperature by plasma oxidation in accordance with US Pat. No. 4,576,829. In this method, a substrate 30 consisting of or surrounded by silicon (amorphous, polycrystalline or single-crystal) is placed in front of the electrode 14 . The substrate 30 lies on a mounting plate 32 at a typical distance of approximately 2.5 cm from the electrode 14 . The mounting plate 32 is to be made of a material that can serve as a heat sink during the plasma oxidation in order to control the temperature of the substrate 30 . Such an arrangement with a heat sink is described in US Pat. No. 4,361,595. The reason for this is that the plasma could heat the substrate 30 well above 300 ° C, but the substrate temperature should be kept below 300 ° C. Other common methods of maintaining the temperature of the substrate 30 can also be used.

Die Vakuumkammer 12 wird dann durch den Auslaß 24 auf einen Druck von etwa 25 bis 140 Pa (etwa 0,2 bis 1,0 × 10-6 Torr) evakuiert. Dann wird Sauerstoff enthaltender gasförmiger Zwischenstoff über den Einlaß 26 bis zu einem Druck von etwa 6,5 bis 7 Pa (etwa 50 m Torr) eingelassen. Zu den in diesem Zusammenhang geeigneten, Sauerstoff enthaltenden Gasen gehören Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickoxid und dergleichen. Zum Initiieren des Sauerstoff-Plasmas wird Hochfrequenz von 13,56 MHz und etwa 300 bis 600 W an die Elektrode 14 angelegt, so daß eine effektive Leistungsdichte zwischen etwa 1 und 15 W/cm2, vorzugsweise zwischen etwa 5 und 7 W/cm2, ansteht.The vacuum chamber 12 is then evacuated through the outlet 24 to a pressure of about 25 to 140 Pa (about 0.2 to 1.0 x 10 -6 torr). Oxygen-containing gaseous intermediate is then admitted through inlet 26 to a pressure of about 6.5 to 7 Pa (about 50 m Torr). Suitable oxygen-containing gases in this connection include oxygen, carbon dioxide, nitrogen oxide and the like. To initiate the oxygen plasma, a high frequency of 13.56 MHz and about 300 to 600 W is applied to the electrode 14 , so that an effective power density between about 1 and 15 W / cm 2 , preferably between about 5 and 7 W / cm 2 , pending.

Das Herstellen der zweiten Schicht des erfindungsgemäßen dielektrischen Films umfaßt ebenfalls die Anwendung eines Sauerstoff enthaltenden Plasmas. Wenn daher die erste Schicht thermisch aufgewachsen war, wird die Vakuumkammer evakuiert, abgekühlt und das Plasma wird wie oben angegeben initiiert. Wenn dagegen die erste Schicht nach der Plasma- Oxidationstechnik aufgewachsen war, wird das Plasma lediglich aufrechterhalten. Dabei entsteht die zweite Schicht durch reaktives Zerstäuben des Aluminiums der Elektrode 40 oder des Target 20. Das bedeutet, daß das Sauerstoff- Plasma das Aluminium oxidiert und dann das Aluminiumoxid weg von der Elektrode 14 (bzw. dem Target) sprüht. Es wird angenommen, daß das Plasma zur gleichen Zeit etwas von dem aufgewachsenen Siliziumoxid der ersten Schicht zerstäubt und zusammen mit dem durch das reaktive Zerstäuben niedergeschlagenen Aluminiumoxid erneut niederschlägt. Auf diese Weise enthält die zweite Schicht eine Mischung von Silizium- und Aluminiumoxid. Die Konzentration des Siliziumoxids nimmt mit zunehmendem Abstand von der ersten Schicht ab, während umgekehrt die Konzentration des Aluminiumoxids mit dem Abstand von der ersten Schicht zunimmt.The production of the second layer of the dielectric film according to the invention also comprises the use of an oxygen-containing plasma. Therefore, when the first layer has grown thermally, the vacuum chamber is evacuated, cooled, and the plasma is initiated as indicated above. On the other hand, if the first layer was grown using the plasma oxidation technique, the plasma is only maintained. The second layer is created by reactive sputtering of the aluminum of the electrode 40 or the target 20 . This means that the oxygen plasma oxidizes the aluminum and then sprays the aluminum oxide away from the electrode 14 (or the target). At the same time, it is believed that the plasma sputtered some of the grown silicon oxide of the first layer and deposited again along with the aluminum oxide deposited by the reactive sputtering. In this way, the second layer contains a mixture of silicon and aluminum oxide. The concentration of the silicon oxide decreases with increasing distance from the first layer, while conversely the concentration of aluminum oxide increases with the distance from the first layer.

Sobald der dielektrische Film bis zu einer Dicke, bei dem kein Siliziumoxid mehr von der ersten Schicht zerstäubt und zusammen mit dem Aluminiumoxid wieder niedergeschlagen werden kann, angewachsen ist, wird durch fortgesetztes Zerstäuben der Elektrode 14 oder des Targets 20 durch das Sauerstoff-Plasma die im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehende dritte Schicht gebildet. Dieses reaktive Zerstäuben kann aufrechterhalten werden, bis die gewünschte endgültige Filmdicke erreicht ist.As soon as the dielectric film has grown to a thickness at which silicon oxide can no longer be sputtered from the first layer and deposited again together with the aluminum oxide, the sputtering of the electrode 14 or the target 20 by the oxygen plasma is continued essentially formed of aluminum oxide third layer. This reactive sputtering can be maintained until the desired final film thickness is reached.

Es sei darauf hingewiesen, daß im Falle des Plasma-Aufwachsens der ersten Schicht die Plasma-Oxidation in das Silizium hinein auch beim Aufwachsen der zweiten Schicht sich so lange fortsetzt, bis die Dicke des sich ansammelnden Dielektrikums ein weiteres Hindurchdiffundieren von Sauerstoff verhindert. Wenn die erste Zone thermisch aufgewachsen wird, ist eine gewisse weitere Oxidation beim Bilden der zweiten Schicht möglich, jedoch ist dies weniger wahrscheinlich, wenn die thermisch gewachsene erste Schicht eine Dicke von mehr als etwa 10 nm hat.It should be noted that in the case of plasma growth the first layer the plasma oxidation into that Silicon also in the growth of the second layer  continues until the thickness of the accumulating Dielectric further diffuses through Prevents oxygen. When the first zone grew thermally is some further oxidation when forming the second layer, but this is less probably when the thermally grown first layer has a thickness of more than about 10 nm.

Die erste Schicht hat, wenn sie plasma-gewachsen ist, im allgemeinen eine Dicke von zwischen etwa 5 nm und 20 nm; sie kann, wenn sie thermisch aufgewachsen ist, eine größere Dicke, z. B. etwa 100 nm, haben.The first layer, when plasma grown, has generally a thickness of between about 5 nm and 20 nm; when thermally grown, it can be larger Thickness, e.g. B. about 100 nm.

Die zweite Schicht hat im allgemeinen eine Dicke zwischen etwa 2 nm und 30 nm.The second layer generally has a thickness between about 2 nm and 30 nm.

Die Al2O3 enthaltende dritte Schicht kann jede gewünschte Dicke haben und wird im allgemeinen zwischen etwa 10 nm und 100 nm gehalten.The third layer containing Al 2 O 3 can have any desired thickness and is generally kept between about 10 nm and 100 nm.

Die gesamte Dicke des dreischichtigen Films kann jeden gewünschten, von der Anwendung abhängigen Wert haben, beispielsweise werden Schichtdicken von etwa 100 nm bei Anwendung von Dünn-Schicht-Transistoren für geeignet gehalten.The entire thickness of the three layer film can be any desired depending on the application, for example layer thicknesses of about 100 nm are used considered suitable by thin-layer transistors.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) 40. Es wird darauf hingewiesen, daß jedes Halbleiterbauelement, das einen dielektrischen Dünnfilm hoher Qualität erfordert, vorteilhaft unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen ist. Fig. 2 shows an embodiment with a metal-oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) from 40. It is pointed out that any semiconductor component which requires a high-quality dielectric thin film can advantageously be produced using the method according to the invention.

Der Transistor 40 wird zum Teil nach Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt. Eine Siliziumschicht 44 wird auf ein Glassubstrat 42 niedergeschlagen. Dann wird ein erfindungsgemäßer dielektrischer Film 46, der aus einer ersten Schicht 48, einer zweiten Schicht 50 auf der ersten Schicht und einer dritten Schicht 52 auf der zweiten Schicht besteht, auf die Siliziumschicht 44 nach dem oben im Einzelnen angegebenen Verfahren niedergeschlagen. Eine als Gate des Bauelements dienende Elektrode, die als Leiter z. B. aus Metall, einem Silizid oder aus polykristallinem Silizium besteht, wird auf dem dielektrischen Film 46 unter Anwendung üblicher fotolithographischer Verfahren niedergeschlagen. Mit Hilfe selbstausrichtender Ionen-Implantationsverfahren können in der Siliziumschicht 44 eine Sourcezone 56 und eine Drainzone 58 eines Leitungstyps mit dazwischen liegender Kanalzone 60 des anderen Leitungstyps erzeugt werden.The transistor 40 is manufactured in part by methods according to the prior art. A silicon layer 44 is deposited on a glass substrate 42 . Then, a dielectric film 46 according to the invention, which consists of a first layer 48 , a second layer 50 on the first layer and a third layer 52 on the second layer, is deposited on the silicon layer 44 according to the method detailed above. An electrode serving as the gate of the component, which as a conductor z. B. made of metal, a silicide or polycrystalline silicon is deposited on the dielectric film 46 using conventional photolithographic methods. With the aid of self-aligning ion implantation methods, a source zone 56 and a drain zone 58 of one conduction type with a channel zone 60 of the other conduction type lying in between can be produced in the silicon layer 44 .

Während beim Herstellen von dielektrischen Filmen mit Hilfe üblicher Niedertemperatur-Techniken (unter 500°C), z. B. durch Glimmentladung oder CVD, im allgemeinen unstabile MOSFETs mit Schwellspannungswanderungen von 5 bis 10 V oder mehr entstehen, besitzen nach dem vorliegenden Verfahren hergestellte Bauelemente eine verbesserte Stabilität. Außerdem ist die Aufwachsgeschwindigkeit des Films wesentlich höher gegenüber den bei vergleichbarer Temperatur arbeitenden thermischen Oxidationstechniken.While making dielectric films with the help usual low-temperature techniques (below 500 ° C), e.g. B. by glow discharge or CVD, generally unstable MOSFETs with threshold voltage fluctuations of 5 to 10 V or have more, according to the present process manufactured components an improved stability. Furthermore the rate of growth of the film is essential higher compared to those working at a comparable temperature thermal oxidation techniques.

Die Fig. 3 und 4 illustrieren die Stabilität von unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Halbleiterbauelementen. In den in Fig. 3 und 4 dargestellten Diagrammen wird der Drain-Strom I (in A) des Transistors von Fig. 2 als Funktion der Gate-Spannung U (in V) an der Gate-Elektrode 54 aufgetragen. Die durchgezogene Linie repräsentiert den Strom bei der ersten Anwendung von -5 V an der Source-Zone 56 bei geerdeter Drainzone 58. Die gestrichelte Linie repräsentiert den Drainstrom für eine folgende Anwendung von -5 V an der Sourcezone 56, nachdem eine Vorspannung von+10 V 30 Minuten lang bei 150°C an die Gate-Elektrode 54 angelegt war. Speziell Fig. 3 zeigt die verbesserte Stabilität eines dreischichtigen dielektrischen Films in einem MOSFET, in dem die erste Schicht plasmagewachsen war, vorausgesetzt, daß das gesamte Dielektrikum bei etwa 130°C gebildet wurde. Fig. 3 zeigt für ein solches Bauelement eine Schwellspannungs-Wanderung von etwa 2 V nach einem 30-Minuten-Test mit einer Vorspannung von +10 V bei 150°C; dieses Ergebnis ist eine beträchtliche Verbesserung in der Stabilität gegenüber dem Stand der Technik. FIGS. 3 and 4 illustrate the stability of manufactured using the method according to the invention semiconductor devices. In the diagrams shown in FIGS. 3 and 4, the drain current I (in A) of the transistor of FIG. 2 is plotted on the gate electrode 54 as a function of the gate voltage U (in V). The solid line represents the current for the first application of -5 V to the source zone 56 with the drain zone 58 grounded. The dashed line represents the drain current for a subsequent -5 V application to source zone 56 after a + 10 V bias has been applied to gate electrode 54 at 150 ° C for 30 minutes. Specifically, Fig. 3 shows the improved stability of a three-layer dielectric film in a MOSFET, in which the first layer was grown plasma, assuming that the entire dielectric was formed at about 130 ° C. Fig. 3 shows for such a device has a threshold voltage of about 2 V migration after a 30 minute test with a bias voltage of +10 V at 150 ° C; this result is a significant improvement in stability over the prior art.

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse für einen anderen unter Anwendung der Erfindung hergestellten MOSFET. In diesem Fall enthielt die erste Schicht etwa 6 nm SiO2, das bei etwa 600°C in etwa 8 Stunden thermisch aufgewachsen worden war. Die zweite und dritte Schicht waren bei etwa 130°C in etwa 0,5 Stunden niedergeschlagen worden, so daß eine Gesamtfilmdicke von etwa 7,5 nm in 8,5 Stunden entstand. Die Schwellspannungs- Wanderung war nach einem 30-Minuten-Test bei 150°C mit +10 V Vorspannung vernachlässigbar. Diese Stabilität ist vergleichbar mit derjenigen einer thermisch in etwa 120 Stunden bei 600°C gewachsenen Schicht. Figure 4 shows the results for another MOSFET made using the invention. In this case, the first layer contained about 6 nm of SiO 2 , which had been thermally grown at about 600 ° C. in about 8 hours. The second and third layers had been deposited at about 130 ° C in about 0.5 hours, so that a total film thickness of about 7.5 nm was formed in 8.5 hours. The threshold voltage hike was negligible after a 30-minute test at 150 ° C with +10 V bias. This stability is comparable to that of a layer thermally grown at 600 ° C. in about 120 hours.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Films (46) auf einem Siliziumkörper (44), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Bilden einer Siliziumoxid enthaltenden ersten Schicht (48) des Films (46) durch Oxidieren der Oberfläche des Siliziumkörpers (44) in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung:
b) Bilden einer eine Mischung von Silizium- und Aluminiumoxiden enthaltenden zweiten Schicht (50) über der ersten Schicht (48) durch Aufsprühen von Aluminium; und
c) Bilden einer im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehenden dritten Schicht (52) über der zweiten Schicht (50) durch reaktives Zerstäuben bzw. Aufsprühen von Aluminium. 1. A method for producing a dielectric film ( 46 ) on a silicon body ( 44 ), characterized by the following steps:
a) Forming a silicon oxide-containing first layer ( 48 ) of the film ( 46 ) by oxidizing the surface of the silicon body ( 44 ) in an oxygen-containing environment:
b) forming a second layer ( 50 ) containing a mixture of silicon and aluminum oxides over the first layer ( 48 ) by spraying on aluminum; and
c) forming a third layer ( 52 ) consisting essentially of aluminum oxide over the second layer ( 50 ) by reactive sputtering or spraying on of aluminum. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) in einem Sauerstoff enthaltenden Plasma ausgeführt wird und das daß Plasma während der Schritte b) und c) für das reaktive Zerstäuben von Aluminium aufrecht erhalten wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that step a) in an oxygen-containing Plasma is running and that plasma during the Steps b) and c) for the reactive atomization of Aluminum is maintained. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur auf einem Wert unter etwa 300°C gehalten wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the ambient temperature is below a value about 300 ° C is maintained. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) durch das Bilden einer Siliziumdioxidschicht auf dem Siliziumkörper (44) mittels thermischer Oxidation eingeleitet wird.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that step a) is initiated by forming a silicon dioxide layer on the silicon body ( 44 ) by means of thermal oxidation. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma mit einer effektiven Leistungsdichte von zwischen etwa 1 und 15 W/cm2 verwendet wird.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that a plasma with an effective power density of between about 1 and 15 W / cm 2 is used. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (48) im Schritt a) durch thermisches Oxidieren hergestellt wird.6. The method according to claim 1, characterized in that the first layer ( 48 ) in step a) is produced by thermal oxidation. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Oxidation bei einer Temperatur von etwa 600°C ausgeführt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that that the thermal oxidation at a temperature of about 600 ° C is executed. 8. Halbleiter mit einem dielektrischen Oxidfilm, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Oxidfilm nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.8. Semiconductors with a dielectric oxide film, characterized in that the dielectric  Oxide film according to the method according to one or more of claims 1 to 7 is made. 9. Halbleiterbauelement (40) mit einem Halbleiterkörper (44), einer Elektrode (54) und einem dazwischen liegenden elektrischen Film (46), dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Film (46)
a) eine erste Schicht (48) aus Siliziumoxid;
b) eine eine Mischung von Silizium- und Aluminiumoxiden enthaltende sowie auf der ersten Schicht (48) liegende zweite Schicht (50), in welcher die Konzentration des Siliziumoxids mit zunehmendem Abstand von der ersten Schicht (48) abnimmt und in welcher die Konzentration des Aluminiumoxids mit dem Abstand von der ersten Schicht (48) zunimmt; und
c) eine Aluminiumoxid enthaltende, dritte Schicht (52) auf der zweiten Schicht (50)
enthält.9. Semiconductor component ( 40 ) with a semiconductor body ( 44 ), an electrode ( 54 ) and an electrical film ( 46 ) lying in between, characterized in that the dielectric film ( 46 )
a) a first layer ( 48 ) made of silicon oxide;
b) a second layer ( 50 ) containing a mixture of silicon and aluminum oxides and lying on the first layer ( 48 ), in which the concentration of the silicon oxide decreases with increasing distance from the first layer ( 48 ) and in which the concentration of the aluminum oxide increases with the distance from the first layer ( 48 ); and
c) a third layer ( 52 ) containing aluminum oxide on the second layer ( 50 )
contains. 10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (48) eine Dicke zwischen etwa 5 und 100 nm besitzt.10. A semiconductor device according to claim 8 or 9, characterized in that the first zone ( 48 ) has a thickness between about 5 and 100 nm. 11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine plasmagewachsene erste Schicht (48) mit einer Dicke zwischen etwa 5 und 20 nm. 11. The semiconductor component according to claim 8 or 9, characterized by a plasma-grown first layer ( 48 ) with a thickness between about 5 and 20 nm. 12. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (50) eine Dicke zwischen etwa 2 und 30 nm besitzt.12. Semiconductor component according to one or more of claims 8 to 11, characterized in that the second layer ( 50 ) has a thickness between about 2 and 30 nm. 13. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (52) eine Dicke zwischen etwa 10 und 100 nm besitzt.13. Semiconductor component according to one or more of claims 8 to 12, characterized in that the third layer ( 52 ) has a thickness between about 10 and 100 nm. 14. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET).14. Semiconductor component according to one or more of the claims 8 to 13, characterized by the training as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). 15. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (48) eine Dicke von etwa 6 nm thermisch gewachsenen Siliziumdioxids besitzt.15. Semiconductor component according to one or more of claims 8 to 14, characterized in that the first layer ( 48 ) has a thickness of about 6 nm of thermally grown silicon dioxide.
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