DD250955A1 - LOW TEMPERATURE PROCESS FOR PREPARING AN OXID DOUBLE LAYER ON METAL OR SEMICONDUCTOR SUBSTRATES - Google Patents

LOW TEMPERATURE PROCESS FOR PREPARING AN OXID DOUBLE LAYER ON METAL OR SEMICONDUCTOR SUBSTRATES Download PDF

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DD250955A1
DD250955A1 DD29223586A DD29223586A DD250955A1 DD 250955 A1 DD250955 A1 DD 250955A1 DD 29223586 A DD29223586 A DD 29223586A DD 29223586 A DD29223586 A DD 29223586A DD 250955 A1 DD250955 A1 DD 250955A1
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Guenter Mende
Manfred Deutscher
Hans-Joachim Doering
Hans Flietner
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Niedertemperaturoxydationsverfahren zur Herstellung einer Oxiddoppelschicht auf Metall- oder Halbleitersubstraten, die als Korrosionsschutz, Diffusionsbarriere gegen eindiffundierende Ionen, als Dielektrikum in Kondensatoren sowie als Passivierungsschicht in elektronischen Bauelementen dienen kann. Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung von festhaftenden Oxiddoppelschichten auf einem Metall- oder Halbleitersubstrat mit einer niedrigen beweglichen Ionenladungsdichte (1011), niedriger Festoxidladungsdichte (1011), niedriger Grenzflaechenzustandsdichte (1011) und hoher Durchbruchsfeldstaerke (106 V/cm). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unkompliziertes Verfahren zur Herstellung von Oxiddoppelschichten hoher mechanischer und elektrophysikalischer Guete (mit thermischer Gateoxidqualitaet vergleichbar), auf Halbleiter- oder Metallsubstraten auf der Basis von vakuumfreien Niedertemperaturprozessen zu schaffen. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass das Metall- oder Halbleitersubstrat mit einer anodischen Oxidschicht bedeckt wird, deren Dicke ausreichend ist, um von Ladungstraegern nicht mehr durchtunnelt zu werden. Danach wird eine Metall- oder Halbleiterschicht auf der Oxidschicht abgeschieden und anschliessend im Elektrolyt vollstaendig anodisiert, wobei die Stromzufuhr fuer die Anodisation der abgeschiedenen Metall- oder Halbleiterschicht durch die Oxidschicht hindurch erfolgt und die erforderliche Stromdichte so hoch ist, wie sie im Oxid beim dielektrischen Durchbruch beobachtet wird.The invention relates to a low-temperature oxidation process for producing an oxide double layer on metal or semiconductor substrates, which can serve as corrosion protection, diffusion barrier against diffusing ions, as a dielectric in capacitors and as a passivation layer in electronic components. The object of the invention is to produce adherent oxide bilayers on a metal or semiconductor substrate having a low mobile ion density (1011), low solid oxide charge density (1011), low interface state density (1011) and high breakdown field strength (106 V / cm). The invention has for its object to provide an uncomplicated method for the production of oxide bilayers of high mechanical and electrophysical properties (comparable to thermal gate oxide quality) on semiconductor or metal substrates based on vacuum-free low-temperature processes. According to the invention, this object is achieved by covering the metal or semiconductor substrate with an anodic oxide layer whose thickness is sufficient so that charge carriers no longer tunnel through it. Thereafter, a metal or semiconductor layer is deposited on the oxide layer and then completely anodized in the electrolyte, wherein the power supply for the anodization of the deposited metal or semiconductor layer through the oxide layer is carried out and the required current density is as high as in the oxide at the dielectric breakdown is observed.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Niedertemperaturoxydationsverfahren zur Herstellung einer Oxiddoppelschicht auf Metall- oder Halbleitersubstraten, die als Korrosionsschutz, Diffusionsbarriere gegen eindiffundierende Ionen, als Dielektrikum in Kondensatoren sowie als Passivierungsschicht in elektronischen.Bauelementen dienen kann.The invention relates to a low-temperature oxidation process for producing an oxide double layer on metal or semiconductor substrates, which can serve as corrosion protection, diffusion barrier against diffusing ions, as a dielectric in capacitors and as a passivation layer in electronic components.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bekannt ist die Herstellung von AI2O3-Schichten z. B. auf oxidbedeckten Si-Substraten durch chemische Dampfabscheidung oder durch Plasma-Anodisation dünner, aufgedampfter Al-Filme. The production of Al 2 O 3 layers z is known. B. on oxide-covered Si substrates by chemical vapor deposition or by plasma anodization thin, vapor-deposited Al films.

Sowohl die CVD-Verfahren als auch die Plasma-Anodisation benötigen beträchtliche Vakuumgeräte und eine präzise Kontrolle der Gaskomponenten für die Herstellung von Isolationsschichten (A. Saad and I.G.Swanson, Thin Solid Films 61 [1979] 355), wobei insbesondere infolge der Hochtemperaturprozesse die elektrophysikalische Qualität der erzielbaren Schichten nicht den aus dem Verwendungszweck resultierenden Anforderungen entspricht.Both the CVD method and the plasma anodization require considerable vacuum equipment and precise control of the gas components for the production of insulating layers (A. Saad and IGSwanson, Thin Solid Films 61 [1979] 355), in particular due to the high-temperature processes, the electrophysical Quality of the achievable layers does not correspond to the requirements resulting from the intended use.

AI2O3/SiO2-Schichten können auch durch Überanodisation von ΑΙ-bedampften Si-Schichten hergestellt werden (Zs. Nenyli, Metalloberfläche 31 [1977] 3). Jedoch kommt es dabei entweder während der Anodisation zur Löcherbildung im AI2O3 infolge von dielektrischen Durchbrüchen und zum Abplatzen von AI2O3-Schichten oder zur Al-Inselbildung an der Grenzfläche Si/AI2O3, wenn die Anodisation nicht genügend lange erfolgt. Die Qualität der erzeugten Schichten ist für den geschilderten , Verwendungszweck unzureichend. ·Al 2 O 3 / SiO 2 layers can also be prepared by overanodization of ΑΙ-coated Si layers (Zs Nenyli, Metalloberfläche 31 [1977] 3). However, it comes either during the anodization to the formation of holes in Al 2 O 3 as a result of dielectric breakthroughs and flaking of Al 2 O 3 layers or Al islanding at the interface Si / Al 2 O 3 , if the anodization not long enough he follows. The quality of the layers produced is insufficient for the described purpose. ·

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung von festhaftenden Oxiddoppelschichten auf einem Metall- oder Halbleitersubstrat mit einer niedrigen beweglichen lonenladungsdichte (<1011), niedriger Festoxidladungsdichte (<1011), niedriger Grenzflächenzustandsdichte KIO11), und hoher Durchbruchsfeldstärke (>106V/cm).The object of the invention is the production of adherent oxide bilayers on a metal or semiconductor substrate with a low mobile ion density (<10 11 ), low solid oxide charge density (<10 11 ), low interface state density KIO 11 ), and high breakdown field strength (> 10 6 V / cm).

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein unkompliziertes Verfahren zur Herstellung von Oxiddoppelschichten hoher mechanischer und elektrophysikalischer Güte (mit thermischer Gateoxidqualität vergleichbar), auf Halbleiter- oder Metallsubstraten auf der Basis von vakuumfreien Niedertemperaturprozessen zu schaffen.The invention has for its object to provide an uncomplicated method for the production of oxide double layers of high mechanical and electrophysical quality (comparable to thermal gate oxide quality), on semiconductor or metal substrates based on vacuum-free low-temperature processes.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Metall- oder Halbleitersubstrat mit einer anodischen Oxidschicht bedeckt wird, deren Dicke ausreichend ist, um von Ladungsträgern nicht mehr durchtunnelt zu werden.According to the invention, this object is achieved in that the metal or semiconductor substrate is covered with an anodic oxide layer whose thickness is sufficient to be no longer durchtunnelt of charge carriers.

Danach wird eine Metall- oder Halbleiterschicht auf der Oxidschicht abgeschieden und anschließend im Elektrolyt vollständig anodisiert, wobei die Stromzufuhr für die Anodisation der abgeschiedenen Metall- oder Halbleiterschicht durch die Oxidschicht hindurch erfolgt und die erforderliche Stromdichte so hoch ist, wie sie im Oxid beim dielektrischen Durchbruch beobachtetThereafter, a metal or semiconductor layer is deposited on the oxide layer and then completely anodized in the electrolyte, wherein the power supply for the anodization of the deposited metal or semiconductor layer through the oxide layer is carried out and the required current density is as high as in the oxide at the dielectric breakdown observed

Es ist in diesem Zusammenhang sehr vorteilhaft, einen geringen Teil der Oxidschichtdicke auf dem Metall- oder Halbleitersubstrat vor der Abscheidung der Metall- oder Halbleiterschicht abzusputtern, weil dadurch die Oberflächenkontamination verringert werden kann und sich somit eine weitere Verbesserung der elektrophysikalischen Eigenschaften ergibt.It is very advantageous in this connection to sputter off a small part of the oxide layer thickness on the metal or semiconductor substrate before the deposition of the metal or semiconductor layer, because this can reduce the surface contamination and thus result in a further improvement of the electrophysical properties.

Wird außerdem die Metall- oder Halbleitersubstratschicht aufgesputtert, ist eine erhöhte Haftfestigkeit auf der Unterlage gegenüber aufgedampften Schichten zu beobachten.In addition, sputtering on the metal or semiconductor substrate layer results in increased adhesion to the substrate over vapor deposited layers.

Ausführungsbeispielembodiment

Eine Si-Probe (η-Si < 100>, 4 Ohm cm) wird durch anodische Oxydation in einer 0,04 molaren KNO3-Lösung in Ethylenglykol, das 0,35 Vol.-% H2O enthält, mit einer 17,5 nm dicken Oxidschicht bedeckt, anschließend mit deionisiertem' Wasser gereinigt und bei 4000C 20min im N2-Strom getempert. Danach erfolgt die Abscheidung einer 50nm dicken Al-Schicht. Es ist dabei besonders vorteilhaft, von der Oxidschicht vor der Beschichtung 5 nm mit einem 0,6 keV Ar+-Strahl abzusputtern und im Anschluß daran in der gleichen Apparatur die Al-Schicht aufzusputtern.An Si sample (η-Si <100>, 4 ohm cm) is prepared by anodic oxidation in a 0.04 molar KNO 3 solution in ethylene glycol containing 0.35 % by volume H 2 O with a 17, Covered 5 nm thick oxide layer, then cleaned with deionized 'water and annealed at 400 0 C for 20min in N2 stream. This is followed by the deposition of a 50 nm thick Al layer. It is particularly advantageous to sputter from the oxide layer before the coating 5 nm with a 0.6 keV Ar + beam and then aufzusputtern in the same apparatus, the Al layer.

Diese Probe wird in einer 10%igen Lösung von NH4B5OeIn Ethylenglykol bei einer Stromdichte von 0,25mA/cm2 anodisiert, wobei die Stromzufuhr über einen Metallstempel zum Si und über das Oxid zum Al erfolgt. Hierbei steigt die Zellspannung zunächst proportional zur Anodisationszeit an (2V in 30s), solange die Al-Schicht noch nicht vollständig in Aluminiumoxid umgewandelt worden ist.This sample is anodized in a 10% solution of NH 4 B 5 OeIn ethylene glycol at a current density of 0.25mA / cm 2 , wherein the power supply via a metal stamp to Si and over the oxide to Al takes place. In this case, the cell voltage initially increases in proportion to the anodization time (2V in 30 s), as long as the Al layer has not yet been completely converted into aluminum oxide.

Das Ende der Al-Anodisation wird durch ein plötzliches Ansteigen der Zellspannung (45V innerhalb von 30s) sichtbar. Danach wird die Probe mit deionisiertem H2O gereinigt, bei 5000C 20min im N2-Strom getempert und mit An-Dots bedampft. HF-CV-Messungen ergeben eine Oxidladungsdichte <101lcm~2 und eine Zustandsdichte <1011ev~1cm~2. Die Dichte der beweglichen lonenladungen beträgt 2 1010cm"2, die Durchbruchsfeldstärke 8 106V/cm.The end of Al-anodization is revealed by a sudden increase in cell voltage (45V within 30s). Thereafter, the sample is cleaned with deionized H 2 O, annealed at 500 0 C for 20min in N 2 stream and evaporated with An-Dots. RF CV measurements result in a Oxidladungsdichte <10 1l cm ~ 2 and a density <10 11 ev ~ 1 cm ~ 2 only. The density of the mobile ion charges is 2 10 10 cm " 2 , the breakdown field strength 8 10 6 V / cm.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung einer Oxiddoppelschicht auf HL- oder Metallsubstraten auf deren Oberfläche ein Metal I-oder Halbleiterfilm abgeschieden und dieser anodisch oxydiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche von ihrer Beschichtung bis zu so einer Schichtdicke anodisch oxydiert wird, die von den Ladungsträgern nicht mehr durchtunnelt werden kann, danach die Beschichtung erfolgt und die Anodisation dieses Filmes mittels Stromzuführung an das Substrat über dessen Oxidschicht erfolgt, wobei die Stromdichte mindestens so hoch eingestellt wird, wie sie im Oxid beim dielektrischen Durchbruch auftritt.1. A process for producing an oxide double layer on HL or metal substrates on the surface of a metal I or semiconductor film deposited and this is oxidized anodically, characterized in that the substrate surface is anodically oxidized by their coating to such a layer thickness, that of the charge carriers can not be tunneled through, then the coating is carried out and the anodization of this film by means of power supply to the substrate via the oxide layer, wherein the current density is set at least as high as occurs in the oxide at the dielectric breakthrough. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung des Metallfilmes durch Sputtern erfolgt, nachdem ein geringer Teil der gebildeten Oxidschicht abgesputtert wurde.2. The method according to item 1, characterized in that the deposition of the metal film is carried out by sputtering after a small portion of the oxide layer formed was sputtered.
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