DE3100670C2 - Metall-Oxid-Halbleiter-Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Metall-Oxid-Halbleiter-Vorrichtung, bei der auf einem Halbleitersubstrat (11) ein aus kristallinem BeO bestehender Film (41a, 41b, 41c) aufgetragen ist, der als Gate-Isolierfilm zwischen einer Gate-Elektrode (42) und dem Halbleitersubstrat (11) wirkt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS)- Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Bauelement wird in vorteilhafter Weise in integrierten Schaltungen verwendet, da es wenig Leistung verbraucht, kleine Abmessungen aufweist, leicht integrierbar ist und einfach hergestellt werden kann.
• Die Grundstruktur des MOS-Bauelements ist in Fig. 1 dargestellt. Wenn es einen p-Kanal hat, umfaßt es ein n -Typ-Halbleitersubstrat 1 mit p-Typ-Bereichen 2 und 3, die mit hochkonzentrierten p-Typ-Dotierstoffen dotiert sind, einen Isolierfilm 6, der auf der Oberfläche des Substrates 1 zwischen den p-Typ-Bereichen 2 und 3 ausgeführt ist, eine auf dem Isolierfilm 6 abgeschiedene oder aufgetragene Gate-Elektrode 7, die aus einem Metall besteht, wie beispielsweise Au, Al, Mo und dgl., und Source- sowie Drain-Metallelektroden 4 und 5, die auf den jeweiligen p-Typ-Bereichen 2 und 3 aufgetragen bzw. abgeschieden sind.
• Der Isolierfilm 6 ist ein wichtiger Teil der MOS-Vorrichtung, der stark die Eigenschaften des Bauelements beeinflußt und aus SiO₂, Si₃N₄ und Al₂O₃ besteht. Unter diesen Materialien wird gewöhnlich meistens SiO₂ verwendet, da es hervorragende elektrische Eigenschaften aufweist und einfach zu verarbeiten ist. Auf einem Substrat aus Si wird der SiO₂-Film auf der Substratoberfläche durch einen thermischen Oxidationsprozeß erzielt, bei dem ein spiegelpoliertes Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 900°C bis 1100°C erwärmt und trockener Sauerstoff (O₂) oder Dampf in den Ofen gespeist wird. Nach der Herstellung des SiO₂-Filmes wird das Substrat einem Photoätzen unterworfen, bei dem ein Photolack oder Photoresist auf dem SiO₂-Film angebracht wird, bei dem vorbestimmte Teile des Photolacks entsprechend denjenigen des zu entfernenden SiO₂-Filmes mittels einer Photomaske belichtet werden, und bei dem die vorbestimmten Teile des SiO₂-Filmes durch Ätzen entfernt werden, um dadurch Öffnungen oder Fenster zur Herstellung der p-Typ-Bereiche zu erzeugen. Nach der Herstellung der p-Typ-Bereiche durch Eindiffundieren von Dotierstoffen wird der Gate-Isolier-SiO₂-Film durch den oben erläuterten thermischen Oxidationsprozeß gebildet, und Source, Drain, sowie der Gate-Film werden jeweils mit Elektroden versehen.
• Die Herstellung eines SiO₂-Isolierfilmes auf der Substratoberfläche kann nicht nur durch die thermische Oxidation, sondern auch durch Dampf- bzw. Gasphasenepitaxie erfolgen, bei der der SiO₂ -Film auf dem Substrat durch thermische Zersetzung eines SiH₄-O₂-Systemgases aufwächst. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die elektrischen Eigenschaften des durch das thermische Oxidationsverfahren hergestellten SiO₂-Filmes gegenüber denjenigen des SiO₂-Filmes überlegen sind, der durch das Dampfphasenepitaxie-Verfahren erzeugt ist. Jedoch ist beim thermischen Oxidationsverfahren das Substrat einer hohen Temperatur von 1000°C während des Prozesses unterworfen. Daher werden pn-Übergänge im Substrat 1 verschlechtert, was wiederum einen Leckstrom im so hergestellten Bauelement steigert, oder es werden Gitterfehler an der Oberfläche des Substrates gebildet, die an den Isolierfilm 6 angrenzt, wodurch die Eigenschaften oder Kennlinien des Bauelements schlechter gemacht werden. Weiterhin ist der entweder in der thermischen Oxidation oder der Dampfphasenepitaxie hergestellte Isolierfilm nicht perfekt in seiner Kristallstruktur. So ist es unvermeidbar, daß Leerstellen oder Poren und Risse enthalten sind, und daß die Ladungsdichte aufgrund von Strukturfehlern oder verschiedenen anderen Fremdstoffpegeln im Isolierfilm erhöht ist. Zusätzlich können n -Typ-Inversionsschichten auf der Oberfläche des Substrates 1 durch Verunreinigung während der Herstellung des Isolierfilmes in der Hochtemperatur-Oxidationsatmosphäre, beispielsweise durch Eindringen von Na&spplus;-Ionen, gebildet werden, die in dem herzustellenden Isolierfilm leicht beweglich sind.
• In jüngster Zeit werden MOS-Vorrichtungen nicht nur in integrierten Schaltungen, sondern auch in verschiedenen Halbleiter-Vorrichtungen, wie beispielsweise für Hochspannungstransistoren, Hochleistungstransistoren und dgl. eingesetzt. In diesen Vorrichtungen muß der Isolierfilm frei von Strukturfehlern und Poren sein, und er muß hervorragende Wärmeleitungseigenschaften aufweisen, um eine Hochspannung auszuhalten und einen thermischen Durchbruch zu verhindern. Jedoch können in dem durch die herkömmliche thermische Oxidations oder die Dampfphasenepitaxie hergestellte SiO₂- oder Si₃N₄-Isolierfilmen diese Eigenschaften nicht vollständig erfüllt werden, und die sich ergebende MOS-Vorrichtung ist in den elektrischen und thermischen Eigenschaften nicht befriedigend.
• Aus der DE-OS 18 12 455 ist eine Metall-Oxid-Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Die Berylliumoxidschicht wird durch übliche chemische Dampfabscheidung (CVD) aufgetragen, wobei über die Kristallorientierung dieser Beryliumoxidschicht keine Aussagen getroffen werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Gate-Isolierfilm für eine Metalloxid-Halbleitervorrichtung zu schaffen, der eine extrem niedrige Ladungsdichte besitzt und hierzu im wesentlichen frei von Leerstellen, Rissen, Strukturfehlern und dergleichen ist und eine Beweglichkeit von Ladungsträgern aufweist, welche zur Bildung von Inversionsschichten führen könnte.
• Diese Aufgabe wird bei einer MOS-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.
• Bei der Erfindung besteht also der Gate-Isolierfilm aus kristallinem Berylliumoxid mit einer Kristallstruktur, bei der die C-Achse senkrecht zur ebenen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgerichtet ist. Dieser Gate-Isolierfilm hat hervorragende elektrische und thermische Eigenschaften und ist vorteilhaft in integrierten Schaltungen oder verschiedenen Transistoren einsetzbar.
• Außerdem ermöglicht die Erfindung eine MOS-Vorrichtung, die auch hervorragende Eigenschaften aufweist, wenn sie in Hochspannungstransistoren oder Hochleistungstransistoren verwendet wird.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
• Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer MOS-Vorrichtung zur Erläuterung von deren allgemeiner Struktur;
• Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Anlage zum Erzeugen einer MOS-Vorrichtung nach der Erfindung;
• Fig. 3 einen schematischen Schnitt einer Herstellungsstufe der MOS-Vorrichtung nach der Erfindung;
• Fig. 4 einen schematischen Schnitt der fertiggestellten MOS-Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 5 einen schematischen Schnitt einer ersten Herstellungsstufe der MOS-Vorrichtung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 6 einen schematischen Schnitt einer zweiten Herstellungsstufe der in Fig. 5 gezeigten MOS-Vorrichtung;
• Fig. 7 eine Abtast-Elektronen-Mikrographie, die die Struktur eines durch die Anlage der Fig. 2 erzeugten Berylliumoxid-Filmes zeigt;
• Fig. 8 ein Röntgenbeugungsbild oder -muster für einen durch die Anlage der Fig. 2 hergestellten Berylliumoxid- Films;
• Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines Halbleiterbauelementes, das verwendet wird, um die C/U-Kennlinien eines durch die Anlage der Fig. 2 erzeugten Berylliumoxid- Filmes zu erhalten; und
• Fig. 10 den Verlauf der C/U-Kennlinie eines durch die Anlage der Fig. 2 erzeugten Berylliumoxid-Filmes.
• Eine MOS-Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Zuerst wird auf einen kristallinen BeO-Film eingegangen, der für die Erfindung wesentlich ist.
• Berylliumoxid (BeO) kristallisiert in einer hexagonalen Wurtzit-Struktur und hat hervorragende Isoliereigenschaften infolge seines großen Abstandes des verbotenen Bandes von 11,2 eV und seines spezifischen Widerstandes von 10¹⁰Ω · cm.
• Zusätzlich liegt die Dielektrizitätskonstante von BeO zwischen 6 und 8 und ist relativ klein im Vergleich mit Al₂O₃. BeO hat auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist chemisch stabil.
• BeO hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von 2 570°C und ist schwierig in einem dünnen Film (Dünnfilm) herzustellen. Bisher beschriebene Verfahren zur Herstellung von Berylliumoxid- Schichten umfassen ein Heißpressen von feinem Berylliumoxid- Pulver oder ein Aufwachsen von monokristallinem Berylliumoxid durch die Flußmethode mittels Molybdänoxid (MoO₃) als Flußmittel. Die so hergestellten Berylliumoxid-Schichten sind bestens monokristalline Spitzen und werden bisher praktisch tatsächlich noch nicht verwendet. Wie weiter noch erläutert wurde, hat BeO eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende Isoliereigenschaften. BeO bildet daher ein attraktives thermisches und elektrisches Isoliermaterial. Berylliumoxid ist auch sehr hart (Moh's Härte: 9). Somit sollte ein Beschichten mit Berylliumoxid elektrische oder elektronische Teile liefern, die eine gute Wärmeableitung und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand haben. Die Berylliumoxid- Schichten sollten auch einen attraktiven Isolierfilm für ein Halbleiter-Bauelement bilden, falls der kristalline Zustand der Berylliumoxid-Schichten in vorteilhafter Weise gesteuert werden kann und der Berylliumoxid-Film mit hervorragendem kristallinem Zustand hergestellt werden kann.
• Wenn eine MOS-Verbindung hergestellt wird, so wird von einem Halbleitersubstrat ausgegangen. Wenn die MOS-Vorrichtung einen p-Kanal aufweist, wird ein n -Typ-Substrat oder ein Si-Substrat mit n-Typ-Bereichen verwendet. Dann wird ein kristalliner Berylliumoxid-(BeO)-Film auf dem Substrat abgeschieden oder aufgetragen.
• Das Auftragen des BeO-Filmes erfolgt mittels der in Fig. 2 gezeigten Anlage auf die folgende Weise:
• Die in Fig. 2 gezeigte Anlage umfaßt einen geschlossenen Tiegel 21 mit wenigstens einer Düse 22, die in diesem Beispiel einen Durchmesser zwischen 0,5 und 2,0 mm besitzt. Die Dicke der Düse 22 ist in der axialen Richtung so klein als möglich, vorzugsweise dünner als der Durchmesser der Düse 22, so daß das Flächenverhältnis kleiner als 1 wird. Der Tiegel 21 enthält metallisches Beryllium 23, das in den Tiegel 21 in der Form von Flocken oder Pellets (Kugeln) eingeführt ist.
• Der Tiegel 21 ist von einer Heizeinrichtung 24 umgeben. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel arbeitet die Heizeinrichtung 24 durch Elektronenbeschuß, und sie umfaßt einen gewendelten Faden oder eine Wendel zum Aussenden oder Emittieren von Elektronen. Der Tiegel 21 ist bei einem positiven Potential bezüglich des Fadens mittels einer (nicht gezeigten) Strom- bzw. Spannungsquelle gehalten, um dadurch die vom Faden ausgesandten Elektronen zu beschleunigen, so daß sie auf die Tiegeloberfläche bei hoher Geschwindigkeit auftreffen, um den Tiegel 21 zu erwärmen. Eine Wärmeschirmplatte 25 umgibt die Heizeinrichtung 24. In einer möglichen alternativen Anordnung zum Erwärmen des Tiegels 21 besteht dieser aus einem elektrisch leitenden Material, Anschlüsse sind an den oberen und unteren Teilen des Tiegels 21 vorgesehen, und der Tiegel 21 wird dann erwärmt, indem ein hoher Strom (bei niedriger Spannung) durch den Tiegel 21 geschicht wird, so daß der gesamte Tiegel 21 erwärmt wird. In einer weiteren Alternative kann der Tiegel 21 durch Strahlungserwärmen erwärmt werden, wobei eine Heizeinrichtung um den Tiegel 21 vorgesehen wird. Eine Kombination von mehr als einer dieser Heizmethoden kann verwendet werden.
• Eine Ionisationskammer 26 ist über dem Tiegel 21 vorgesehen. Um die Ionisationskammer 26 besteht eine Anordnung zum Erzeugen ionisierender Elektronen mit einem in einem Schirm 29 eingeschlossenen Faden 28 und einer netzförmigen Anode 27, die die Außengrenzen der Ionisationskammer bildet. In Draufsicht ist die Anode 27 kreisförmig, obwohl sie auch zahlreiche andere Formen haben kann, wie beispielweise die Form von Polygonen.
• Ein Substrathalter 31 ist vorgesehen, um ein Substrat 11 zu halten, auf das der BeO-Film aufgetragen wird. Auch ist ein Verschluß 33 vorgesehen, damit das Substrat 11 von den Strahlen des Berylliumoxids und Sauerstoffes abgeschirmt werden kann.
• Weiterhin ist ein Sauerstoff-Zufuhrrohr 35 mit wenigstens einer Düse 36 vorgesehen. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel liegt die Düse 36 in der Nähe der Düse 22 des Tiegels 21; jedoch kann die Düse 36 auch neben dem Substrat 11 vorgesehen werden. Eine ringförmige Beschleunigungselektrode 37, an der ein negatives Potential bezüglich des Tiegels 21 von einer (nicht gezeigten) Strom- bzw. Spannungsquelle zum Beschleunigen der ionisierten Be-Dämpfe liegt, kann zwischen der Ionisationskammer 26 und dem Substrat 11 vorgesehen werden. Außerdem ist eine Photomaske 40 vorhanden, die eng das Substrat 11 kontaktiert oder einen kleinen Abstand bezüglich des Substrates 11 hält, um die Dampfabscheidung des BeO-Filmes auf vorbestimmten Teilen des Substrates 11 zu erlauben. Auch kann eine (nicht gezeigte) Heizeinrichtung vorgesehen werden, um das Substrat 11 bei Bedarf auf der richtigen Temperatur zu halten.
• Die in Fig. 2 gezeigte Anlage ist insgesamt in eine (nicht gezeigte Vakuumkammer zusammen mit dem Substrat 11 eingeschlossen, auf dem der Berylliumoxid-Film herzustellen ist, und die Kammer ist auf einen Hochvakuumzustand in der Größenordnung von wenigstens 122 · 10^-5 Pa evakuiert. In diesem Zustand wird Sauerstoff 36 a in die Vakuumkammer von der Düse 36 durch das Sauerstoff-Zufuhrrohr 35 eingespeist, und der Druck in der Vakuumkammer wird zwischen 133 . 10^-6 Pa und 133 · 10^-3 Pa gehalten. Die Verwendung eines geringeren Sauerstoffdruckes kann zur Herstellung des Berylliumoxid-Filmes höherer Qualität führen. Jedoch erfordert die Verwendung eines geringeren Sauerstoffdruckes auch, daß die Vakuumkammer auf ein sehr hohes Vakuum evakuiert wird, bevor der Sauerstoff eingeführt wird, und sie führt zu einer Verringerung der Geschwindigkeit, mit der der Film gebildet wird. Der Bereich von 133 · 10^-6 Pa bis 133 · 10^-3 Pa liefert einen praktisch vernünftigen Kompromiß zwischen diesen widerstreitenden Anforderungen.
• Dann wird die Heizeinrichtung 24 betätigt, um den Tiegel 21zu erwärmen, damit das in den Tiegel 21 gefüllte metallische Be geschmolzen und ein Dampf 23 a des metallischen Be im Tiegel 21 erzeugt wird. Die Temperatur zum Erwärmen des metallischen Be wird aufgrund des Umgebungsraumes um den Tiegel 21, insbesondere des Druckes innerhalb der Vakuumkammer, bestimmt, der ausgedrückt werden kann durch P/Po ≤ 10^-2, vorzugsweise P/Po ≤ 10^-4, wobei P den Dampfdruck des metallischen Be im Tiegel 21 und Po innerhalb des Vakuumbehälters bedeuten. Beispielsweise wird der Dampfdruck P etwa bei 6,65 Pa für eine Heiztemperatur von 1300°C und bei 13,3 Pa für eine Heiztemperatur von 1380°C gehalten, da der Schmelzpunkt des metallischen Be 1280°C beträgt. Entsprechend ist die Heiztemperatur von 1300 bis 1400°C ausreichend genug, wenn der Druck im Vakuumbehälter 133 · 10^-6 Pa bis 133 · 10^-5 Pa beträgt. Um die Filmbildung durch Steigerung des Dampfdruckes P zu steigern, kann die Heiztemperatur in dem Ausmaß erhöht werden, daß nicht die Qualität des zu bildenden BeO-Filmes beschädigt oder beeinträchtigt wird.
• Der Dampf 23 a des metallischen Be wird von der Düse 22 zur Außenseite des Tiegels 21 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Tiegel 21 und dem Vakuumbehälter ausgespritzt. Der ausgespritzte Dampf ist mit einer kinetischen Energie entsprechend der Ausspritzgeschwindigkeit versehen, und er ist zum Substrat 11 in einer Dampfströmung 23 b gerichtet. Wenn in diesem Fall der Dampf in einen unterkühlten Zustand aufgrund der adiabatischen Ausdehnung während des Ausspritzens aus der Düse 22 gezwungen wird, indem die Form der Düse 22 und der Druck P bzw. Po so geändert wird, daß die oben erläuterten Bedingungen erfüllt sind, oder indem die Form der Düse 22 des Tiegels 21 abgewandelt wird, ist es möglich, sogenannte Agglomerate zu bilden, die große Ansammlungen von Be-Atomen oder -Molekülen sind, die lose durch Van der Waals'sche Kräfte gekoppelt sind. Die Agglomeratbildung macht es möglich, den Ionisations-Wirkungsgrad in der Ionisationskammer 26 zu verbessern, wie dies weiter unten näher erläutert wird, und außerdem auf dem Substrat 11 überlegene Filme herzustellen.
• Die mit der kinetischen Energie aufgrund des Ausspritzens aus dem Tiegel 21 versehene Dampfströmung 23 b wird durch die Ionisationskammer 26 geschickt, so wenigstens ein Teil der Dampfströmung 23 b ionisiert wird. Die Ionisation des Dampfes 23 b erfolgt derart, daß vom Faden 28 emittierte Elektronen bei dessen Erregung und Erwärmung mit einer Spannung von 100 bis 1000 V beschleunigt werden, die zwischen dem Faden 28 und der netzförmigen Anode 27 liegt, und dann auf die durch die netzförmige Anode 27 verlaufende Dampfströmung 23 b auftreffen. Wenn die Dampfströmung 23 b des von der Düse 22 ausgespritzten metallischen Be in Form von Agglomeraten vorliegt, wird wenigstens eine der Atomgruppen der Agglomerate in der Ionisationskammer 26 durch den Elektronenbeschuß ionisiert, um dadurch ionisierte Agglomerate zu bilden. Weiterhin wird der von der Düse 36 ausgespritzte Sauerstoff durch die Ionisationskammer 26 geschickt, wo der Sauerstoff dem Elektronenbeschuß unterworfen und pariell ionisiert wird.
• Die ionisierten Be-Atome und die nicht-ionisierten neutralen Be-Atome oder die Be-Agglomerate und die ionisierten Agglomerate werden - während der Sauerstoff in der Strecke der Dampfströmung 23 b eingeschlosen ist - gegen das Substrat 11 als ein Sauerstoffkomplex gerichtet, und wenn der Verschluß offen ist, wird die Dampfströmung 23 b in Zusammenstoß mit der Oberfläche des Substrates 11 durch Öffnungen der Maske 40 gebracht, um darauf eine BeO-Film 41 zu bilden. In diesem Fall wird ein Teil der auf das Substrat auftreffenden Be-Dampfströmung 23 b ionisiert, wenn sie durch die Ionisationskammer 26 verläuft, wie dies oben erläutert wurde, und das elektrische Feld des Ions beeinflußt wirksam den Anfangszustand der Filmbildung.
• Das heißt, das elektrische Feld des Ions fördert die Bildung eines Keimes für das Kristallwachstum, und es beeinflußt wirksam die Bildung von Inselbereichen, indem die Atome am Zentrum des so gebildeten Keimes gesammelt werden, was allgemein als Koaleszenz bekannt ist.
• Weiterhin ist die Ionisation wirksam, um die Reaktion zwischen Be und Sauerstoff zu fördern und um den Film zu bilden, der entsprechend der Stöchiometrie in einem hervorragenden kristallinen Zustand ist.
• Bei der Bildung des BeO-Filmes nach der Erfindung trifft die Be-Dampfströmung 23 b auf das Substrat 11 mit der zur Zeit des Ausspritzens oder Ausstoßens übertragenen kinetischen Energie auf. Daher kann eine hoch haftfähige Abscheidung oder Auftragung des BeO-Filmes 41 auf dem Substrat 11 aufgrund der Implantationsenergie erzielt werden, die ihrerseits wirksam ist, um zur Steigerung in der Packungsdichte des BeO-Filmes 41 und zur Verbesserung des kristallinen Zustandes sowie zur Herstellung eines Filmes hervorragender Qualität beizutragen. Die Ionisationsgeschwindigkeit der BeO-Dampfströmung 23 b kann gesteuert werden, indem die an der Anode 27 liegende Beschleunigungsspannung eingestellt und der vom Faden 28 abgesaugte Ionisationsstrom geändert wird, um dadurch den kristallinen Zustand und andere Eigenschaften des auf dem Substrat aufzutragenden BeO-Filmes zu steuern.
• Im obigen Ausführungsbeispiel wird die kinetische Energie der Be-Dampfströmung 23 b erzeugt, indem der Dampf 23 a aus dem Tiegel 21 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Tiegel 21 und der Vakuumkammer ausgestoßen oder ausgespritzt wird. Jedoch kann die Dampfströmung 23 b, die partiell ionisiert ist, indem sie durch die Ionisationskammer 26 geschickt ist, durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, um die kinetische Energie zu erhöhen, wodurch der kristalline Zustand steuerbar oder verbesserbar ist. Wenn beispielsweise eine Beschleunigungsspannung von 0 bis 10 kV mit negativer Polarität bezüglich des Tiegels 21 an der Beschleunigungselektrode 37 liegt, werden die Teilchen in der Dampfströmung 23 b, die ionisiert ist, indem sie durch die Ionisationskammer 26 verläuft, beschleunigt und mit der kinetischen Energie versehen, die tatsächlich auf die Verbesserung oder Steuerung des kristallinen Zustandes zur Zeit der Herstellung des Filmes einwirkt, und der BeO-Film 41 kann mit hoher Qualität gefertigt werden. Wenn der BeO-Film 41 mit extrem hervorragendem kristallinem Zustand gebildet werden soll, muß das Substrat 11 in einem bestimmten Ausmaß erwärmt werden. Die Heiztemperatur des Substrates 11 kann in diesem Fall etwa 300°C oder weniger als 500°C betragen.
• Um vorbestimmte Teile des auf dem Substrat durch den oben beschriebenen Prozeß aufgetragenen BeO-Filmes 41 zu Herstellung einer MOS-Vorrichtung zu entfernen, wird ein Photolack oder Photoresist auf die Oberfläche des BeO-Filmes 41 aufgetragen, und die entsprechenden Teile des Photolackes werden mittels einer Photomaske belichtet. Die so erzeugten latenten Bilder werden entwickelt und entfernt. Dann werden die vorbestimmten Teile des BeO-Filmes durch Ätzen entfernt, um Öffnungen zu erzeugen, damit die Bildung eines Gate-Isolierfilmes und die Einführung eines p -Typ-Dotierstoffes möglich ist. Das Ätzen des BeO-Filmes 41 kann durch jede übliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Plasmaätzen, Ionenätzen und dgl. Als Ergebnis des Ätzens ist das Substrat 11 mit BeO-Filmen 41 a, 41 b und 41 c versehen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Der BeO-Film 41 a wird der Gate- Isolierfilm, und die BeO-Filme 41 b und 41 c wirken als Isolierfilme zum elektrischen Isolieren der Source- und Drain- Elektroden 43 und 44 vom Substrat 11.
• In der nächsten Stufe wird der aus Elementen der dritten Gruppe gewählte p-Typ-Dotierstoff, wie beispielsweise B oder Al, in das Substrat 11 in hoher Konzentration durch die durch Ätzen eingravierten Öffnungen oder Fenster mittels thermischer Diffusion oder Ionenimplantation eingeführt, um dadurch Source 12 und Drain 13 zu bilden, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Der BeO-Film 41 a wird mit einer Gate-Elektrode 42 versehen, die durch Dampfabscheidung eines Metalles, wie beispielsweise Al und Au, gebildet ist. In ähnlicher Weise werden die Source- und Drain-Elektroden 43 und 44 auf Source 12 und Drain 13 gebildet, so daß sie elektrisch vom Substrat 11 mittels der BeO-Filme 41 b und 41 c isoliert sein können. Eine Substratelektrode 45 ist auf der Rückfläche des Substrates 11 vorgesehen, die mit dem gleichen Potential wie die Source 12 verbunden ist. Die erfindungsgemäße MOS-Vorrichtung wird abgeschlossen, indem Leitungsdrähte 46 mit jeder Elektrode verbunden werden.
• Wie oben erläutert wurde, ist die MOS-Vorrichtung nach der Erfindung so aufgebaut, daß der BeO-Film 41 a als ein Gate Oxid-Film enthalten ist. Dieser BeO-Film 41 a hat eine hervorragende Kristallstruktur infolge seines Herstellungsverfahrens.
• Im obigen Ausführungsbeispiel wird auf eine solche MOS-Vorrichtung eingegangen, daß die BeO-Filme eines kristallinen Zustandes direkt auf der Si-Substratoberfläche gebildet werden, so daß sie als Gate-Isolierfilm, Elektroden-Isolierfilm und Diffusionsmaske mit Öffnungen zum Einführen von Dotierstoffen verwendet werden können. Jedoch kann die MOS- Vorrichtung auch so gestaltet werden, daß die Dotierstoff- Diffusionsmaske und der Elektroden-Isolierfilm aus einem SiO₂-Film 61 durch das in Fig. 5 gezeigte herkömmliche Verfahren bestehen. Dann wird der SiO₂-Film 61 im Bereich von Gate entfernt, und ein Gate-Isolier-BeO-Film 62 kann in dem Bereich gebildet werden, in dem der SiO₂-Filme 61 durch das oben erläuterte Verfahren entfernt ist, wie dies in Fig. 6 gezeigt wird. Das Verfahren zum Herstellen der Halbleiter-Vorrichtung kann vereinfacht werden, wenn die BeO-Filme auf einem Si-Substrat eines Leitfähigkeitstyps gebildet werden, indem die Source- und die Drain-Bereiche zuvor durch ein übliches Verfahren gebildet werden, bei dem die Öffnungen der in Fig. 2 gezeigten Maske 40 an den Bereichen justiert werden, an denen die Gate- und Elektroden-Isolierfilme herzustellen sind. Dies ist insbesondere zur Fertigung großer Halbleiter- Vorrichtung vorteilhaft.
• Der kristalline Zustand des BeO-Filmes kann durch die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Versuchsergebnisse hervorgehoben werden. Um den kristallinen Zustand des BeO-Filmes zu bewerten, wird der BeO-Film auf einem Glassubstrat durch die in Fig. 2 gezeigte Anlage aufgetragen. Fig. 7 zeigt eine Abtast- Elektronen-Mikrographie des so erhaltenen BeO-Filmes. In Fig. 8 ist ein Röntgenstrahl-Beugungsmuster des auf ein Einkristall-Si-Substrat durch die in Fig. 2 gezeigte Anlage augetragenen BeO-Filmes gezeigt. Wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich ist, umfaßt der durch das oben beschriebene Verfahren hergestellte BeO-Film säulenartige Strukturen, die einer hexagonalen Kristallstruktur eigen sind, und er ist zur C-Achse ausgerichtet.
• Wenn in der MOS-Vorrichtung der Gate-Oxidfilm aus dem Isolierfilm gebildet wird, der einen hervorragenden kristallinen Zustand aufweist, und wenn der kristalline Zustand des Filmes nahezu vollständig ist, kann die auf Leerstellen, Rissen und Gittern- oder Strukturfehlern beruhende Ladungsdichte extrem niedrig gemacht werden, und es liegt keine Beweglichkeit der Ladung vor, die den Oberflächenpegel auf der Substratoberfläche kleiner macht. Somit kann die Bildung von Inversionsschichten auf der Substratoberfläche verhindert werden, und es kann ein Halbleiter-Bauelement mit hervorragenden Eigenschaften hergestellt werden.
• Die Bildung des BeO-Filmes kann bei der niederen Temperatur von etwa 500°C erfolgen, was ein Gegensatz zur Bildung des SiO₂-Filmes durch die thermische Oxidation ist, und sie ermöglicht die Herstellung feiner Vorrichtungsstrukturen im Halbleiter-Bauelement, ohne Strukturfehler in der Nähe der Substratoberfläche hervorzurufen und die im Substrat gebildeten pn-Übergänge zu beschädigen. Weiterhin liegt ein geringes Eindringen von Na&spplus;-Ionen oder Diffusion eines Fremdstoffes vor, da die Bildung des BeO-Filmes unter einem Prozeß geringer Temperatur erfolgt.
• Der kristalline Zustand des BeO-Filmes 41 a trägt zu Verbesserungen in den elektrischen Eigenschaften der herzustellenden MOS-Vorrichtung bei. Fig. 10 zeigt die C/U-Kennlinie des BeO-Filmes. Diese Kennlinie kann erhalten werden, indem ein Wechselstrom von 1 kHz an eine in Fig. 9 gezeigte Tastvorrichtung gelegt wird, die aus einem p-Typ-Halbleitersubstrat 51, einem auf der Oberfläche des Substrates 51 abgeschiedenen oder aufgetragenen kristallinen BeO-Film 52 und zwei Metallelektroden 53 (Au) besteht, die auf em BeO-Film 52 und dem Substrat 51 aufgetragen sind, an denen die Wechselspannung liegt. Wie aus der Fig. 10 zu ersehen ist, tritt in der C/U- Kennlinie des BeO-Filmes 52 bei der Frequenz von 1 kHz keine Hysterese auf, und Fangstellen oder Traps hoher Dichte liegen kaum in der Nähe der Substratoberfläche vor. Demgemäß kann eine Halbleiter-Vorrichtung erhalten werden, die in der elektrischen Wirksamkeit und im Hochfrequenzverhalten hervorragend ist. Wie oben erläutert wurde, hat der BeO-Film 41 a einen ausgezeicheten spezifischen Widerstand über 10¹⁰Ω · cm und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Daher können Hochspannungs- oder Hochleistungs-Halbleiter-Vorrichtungen mit hervorragenden Eigenschaften erhalten werden.
• Im obigen Beispiel wurde die MOS-Vorrichtung planarer Struktur als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch anwendbar auf MOS-Vorrichtungen von nichtplanarer V-Kanal-Struktur, die für Leistungshalbleiter-Vorrichtungen verwendet wird, oder von versetzter Gate-Struktur. Auch ist das Substrat 11 nicht auf das n-Typ-Silicium begrenzt; es kann auch aus einem p-Typ-Silicium oder aus einem Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise GaAs, bestehen. Da das Verfahren zur Herstellung des BeO-Filmes 41 a in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der niederen Temperatur durchgeführt werden kann, werden keine Gitterfehler in der MOS-Vorrichtung hervorgerufen, selbst wenn ein Verbindungshalbleiter, der leicht einen solchen Fehler verursacht, wenn er bei hoher Temperatur verarbeitet wird, für das Substrat verwendet wird.

Claims (7)

1. Metall-Oxid-Halbleiter-Vorrichtung, mit einem Halbleitersubstrat (11) eines Leitfähigkeitstyp, mit Source- und Drain-Bereichen (12, 13), in die ein Dotierstoff des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp eingebracht ist, Source- und Drain-Elektroden (43, 44), die mit jedem dieser Bereiche (12, 13) verbunden sind, einem Gate-Isolierfilm (41 a), der auf das Halbleitersubstrat (11) aufgetragen ist und aus Berylliumoxid besteht und einer Gate- Elektrode (42), die auf dem Gate-Isolierfilm (41 a) angeordnet, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Berylliumoxid bestehende Gate-Isolierfilm (41 a) eine Kristallstruktur hat, deren C-Achse senkrecht zur ebenen Oberfläche des Halbleitersubstrats (11) ausgerichtet ist.

2. Metalloxid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitersubstrat (11) weitere Isolierfilme (41 a , 41 c) aus Berylliumoxid angeordnet sind, um die Zuleitungen zu den Source- und Draine-Elektroden (43, 44) elektrisch vom Halbleitersubstrat (11) zu isolieren.

3. Metalloxid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitersubstrat (11) weitere Isolierfilme (41 b, 41 c) aus SiO₂ angeordnet sind, um die Zuleitungen zu den Source- und Draine-Elektroden (43, 44) elektrisch vom Halbleitersubstrat (11) isolieren.

4. Metalloxid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierfilm (41 a, 41 b, 41 c) aus Berylliumoxid auf das Halbleitersubstrat (11) nach partieller Ionisierung aufgetragen ist.

5. Metalloxid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierfilm (41 a, 41 b 41 c) aus Berylliumoxid auf das Halbleitersubstrat (11) nach Bildung von Agglomeraten und partieller Ionisierung aufgetragen ist.

6. Verfahren zum Herstellen einer Metalloxid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vakuumkammer aus einem Tiegel (21) metallisches Beryllium (23) durch Wärmeeinwirkung verdampft wird, daß Sauerstoff eingespeist wird und daß ein aus einem ionisierten Berylliumdampf und dem Sauerstoff gebildeter Berylliumoxid über eine Photomaske (40) dem Halbleitersubstrat (11) zugeführt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Tiegel (21), der metallisches Beryllium (23) enthält, eine den Tiegel (21) umgebende Heizeinrichtung (24), eine vor einer Öffnung (22) des Tiegels (21) angeordnete Ionisationskammer (26), eine Zufuhreinrichtung (36) zum Zuführen von Sauerstoff, einen Verschluß (33) und einen hinter dem Verschluß (33) angeordneten Substrathalter (31) für das Halbleitersubstrat (11).