DD281054A1 - PROCESS FOR PASSIVATING SI COMPONENTS - Google Patents

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DD281054A1 DD32702389A DD32702389A DD281054A1 DD 281054 A1 DD281054 A1 DD 281054A1 DD 32702389 A DD32702389 A DD 32702389A DD 32702389 A DD32702389 A DD 32702389A DD 281054 A1 DD281054 A1 DD 281054A1
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fluoride
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passivation
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Guenter Mende
Hans Flietner
Hermann Kupsch
Dieter Schulze
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Akad Wissenschaften Ddr
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Passivierung von Si-Bauelementen durch anodische Oxydation. Es ist das Ziel der Erfindung, die lateralen Schwankungen der Durchbruchsfeldstaerke duenner Oxidschichten (d20 nm) zu verringern und eine moeglichst grosse mittlere Durchbruchsfeldstaerke zu erreichen, ohne dass sich die elektrophysikalischen Grenzflaecheneigenschaften derartiger Schichten gegenueber denen von relativ dicken Oxidschichten (d100 nm) verschlechtern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur anodischen Passivierung von Halbleiterbauelementen zu schaffen, mit dem duenne Isolatorschichten (d20 nm) hoher Qualitaet und mit geringfuegiger lateraler Schwankung der elektrophysikalischen Eigenschaften hergestellt werden koennen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass waehrend oder nach der Anodisation Fluorid in einer Konzentration von 11017 bis 51018 F-Atome cm 3 so in die Oberflaeche der Isolatorschicht eingebaut wird, dass die Fluoridkonzentration von der Oxidoberflaeche bis zur Oxidmitte um eine Groessenordnung abnimmt. Um Hysteresen bei der CV-Messung und hohe Oxidladungsdichten (1013 cm 2) und hohe Grenzflaechenzustandsdichten (1013 eV 1 cm 2) zu vermeiden, muss die Oxidschicht ausserdem getempert werden.The invention relates to a method for passivation of Si devices by anodic oxidation. It is the object of the invention to reduce the lateral fluctuations of the breakdown field strengths of thin oxide layers (d20 nm) and to achieve the highest possible average breakdown field strength without impairing the electrophysical interfacial properties of such layers compared to those of relatively thick oxide layers (d100 nm). The invention has for its object to provide a method for anodic passivation of semiconductor devices, can be made with the thin insulator layers (d20 nm) high quality and with slight lateral fluctuation of the electrophysical properties. According to the invention, the object is achieved by incorporating fluoride in a concentration of 11017 to 51018 F atoms cm 3 into the surface of the insulator layer during or after the anodization in such a way that the fluoride concentration decreases by an order of magnitude from the oxide surface to the oxide center. In order to avoid hysteresis in the CV measurement and high oxide charge densities (1013 cm 2) and high Grenzflaechenzustandsdichten (1013 eV 1 cm 2), the oxide layer must also be tempered.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Passivierung von Si-Rauelementen durch anodische Oxydation.The invention relates to a method for the passivation of Si-Rauelementen by anodic oxidation. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Halbleiterbauelemente werden in der HL-Technik durch verschiedenartige Verfahren passiviert. Dai bekannteste dieserSemiconductor devices are passivated in the HL technique by various methods. Dai best known of these Verfahren besteht darin, daß die Halbleiteroberfläche mit einer Schicht von thermischem SiO2 überzogen wird (z. B.Method is that the semiconductor surface is coated with a layer of thermal SiO 2 (eg.

DE-OS 2649078).DE-OS 2649078).

Diese thermische SiOj-Schicht kann mit sehr guten Grenzflächeneigenschaften bei sehr guter Oxidqualität hergestellt werden.This thermal SiO 2 layer can be produced with very good interfacial properties with very good oxide quality. Jedoch ist die thermische Oxydation ein Hochtemperaturverfahren (T = 1000-11000C), wobei dieHowever, the thermal oxidation is a high-temperature process (T = 1000-1100 0 C), the Minoritätsladungsträgerlebensdauer um mehr als die Hälfte verringert wird (G. Monde u. a., Tagungsbericht, Physik derMinority carrier lifetime is reduced by more than half (G. Monde et al., Proceedings, Physics of the HL-Oberflüche, 12. Arbeitstagung, Binz 1981).HL-Oberflüche, 12th Workshop, Binz 1981). Mit sinkender Schichtdicke steigt jedoch die Defektdichte an, so daß sich für dünne Oxidschichten (< 20 nm) eine niedrigereWith decreasing layer thickness, however, the defect density increases, so that for thin oxide layers (<20 nm) a lower

mittlere Durchbruchsfeldstärke ergibt (A. Bhattacharyya, C. Vorst, and A. H.Carim, J. Electrochem Soc. 132 [1985] 1900). Alsaverage breakdown field strength (A. Bhattacharyya, C. Vorst, and A. H. Carim, J. Electrochem Soc., 132 [1985] 1900). When

Ursache für die niedrigere mittlere Durchbruchsfeldstärke wird auch die Bildung ungleichmäßiger Schichtdicken angesehen, daThe reason for the lower average breakdown field strength is also the formation of uneven layer thicknesses, since

ein vorzeitiger Durchbruch besonders an dünnen Stellen eintroten kann (R. Singh, Proceedings of the 1984 internat. Symposium on Microelectronics, Loews Anatale Dallas, Texas, p. 386).premature breakthrough can occur especially in thin spots (R. Singh, Proceedings of the 1984 International Symposium on Microelectronics, Loews Anatale Dallas, Texas, page 386).

Durch Nitridierung der dünnen SiO2-Schichten kann das Durchbruchsverhalten wesentlich verbessert werden, jedochBy nitriding the thin SiO 2 layers, the breakdown behavior can be significantly improved, however

verschlechtern sich dabei die elektrophysikalischen Grenzflächeneigenschaften (R.Singh, s.o.).thereby deteriorate the electrophysical interface properties (R.Singh, see above).

Weiterhin ist bekannt, daß durch NF3-ZuSaU vom O2 bei der thermischen Oxydation die Reaktionsgeschwindigkeit so starkFurthermore, it is known that by NF 3 -ZuSaU of O 2 in the thermal oxidation, the reaction rate so strong

beschleunigt wird, daß die Reaktionstemperatur auf 600-8009C abgesenkt werden kann. Durch eine nachfolgende Ausheilung der Schichten in reinem O2 bei gleichen Temperaturen wird das inkorporierte Fluor durch O2 vordrängt. Das Oxid besitzt eine niedrigere Grenzflächenzustandschicht (2 χ 1010BV*1 cm"2), eine relativ große Oxidlaaungsdichte (2,2 x 10" cm"2) und bei eineris accelerated that the reaction temperature can be lowered to 600-800 9 C. By subsequent annealing of the layers in pure O 2 at the same temperatures, the incorporated fluorine is forced through O 2 . The oxide has a lower interface state layer (2 χ 10 10 BV * 1 cm "2), a relatively large Oxidlaaungsdichte (2.2 x 10" cm "2) and at a

Schichtdicke von 30nm eine Durchbruchsfeidstärke von etwa 12MVcm~', wobei allerdings auch Frühdurchbrüche im BereichLayer thickness of 30nm a Durchbruchsfeidstärke of about 12MVcm ~ ', although also early breakthroughs in the range

von 1-eMVcm"1 auftreten (M.Morita, S.Aritome, M.Tsukude.T.Murakawa and M.Hirose, Appl. Phys. Lett. 47 [1985] 253).of 1-eMVcm- 1 (M.Morita, S.Aritome, M.Tsukude.T.Murakawa and M.Hirose, Appl. Phys. Lett. 47 [1985] 253).

Weiterhin ist bekannt, Halbleiteroberflächen durch anodische Oxydation zu passivieren. Da es sich um einFurthermore, it is known to passivate semiconductor surfaces by anodic oxidation. Since it is a Niedertemperaturverfahren handelt, bleibt die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger im wesentlichen erhalten (M. CrosetLow-temperature method is maintained, the life of the minority carrier is substantially preserved (M. Croset

and D.Dieumegard, J. Electrochem Soc. 120 (1973) 526).and D.Dieumegard, J. Electrochem Soc. 120 (1973) 526).

Bei Verwendung geeigneter Technologien sind anodische Siliciumoxidschichten und thormische Gateoxidschichten in bezugUsing appropriate technologies, anodic silicon oxide layers and gate oxide gate layers are related

auf Festoxidladungsdichte, Grenzflächenzustandsdichte, bewegliche lonenladungsdichte und Durchbruchsfeldstärke praktisch identisch (G. Mende und F. Fonske, DD 236556A1). Jedoch besitzen dünne anodische Oxidschichten (d S 20 nm) eine lateral sehr schwankende Durchbruchsfeldstärke mit Frühdurchbrüchen im Bereich von 3-4MVcm~\ die zu einer niedrigen mittlerensolid oxide charge density, interface state density, mobile ion charge density, and breakdown field strength are virtually identical (G. Mende and F. Fonske, DD 236556A1). However, thin anodic oxide layers (d S 20 nm) have a laterally very fluctuating breakdown field strength with early breakthroughs in the range of 3-4MVcm ~ to a low average

Durchbruchsfeldstärke führt (6,4 ± 0,95MVcm~\ Außerdem treten hei CV-Messungen an MOS-Strukturon Hysteresen undBreakdown field strength leads (6.4 ± 0,95MVcm ~ \ h addition ei occur CV measurements on MOS Strukturon hysteresis and Instabilitäten an einzelnen Dots auf.Instabilities on individual dots on. Weiterhin ist bekannt, daß ein Fluorid-Zusatz zum Elektrolvtan (0,04 normale Lösung von KNO3 in NMA die mit NaF gesättigt ist),Furthermore, it is known that a fluoride addition to the electrolvtan (0.04 normal solution of KNO 3 in NMA saturated with NaF),

bei der ancdischen Oxydation zu einer starken Erhöhung der Grenzflächenzustandsdichte anodischer Oxidschichten führtin the case of the initial oxidation leads to a strong increase in the interface state density of anodic oxide layers

(A. G. Revesz, J. Electrochem Soc. 114 [1967) 629). Die Oxidladungsdichte beträgt etwa 101' cm"1, und die Durchbruchsfeldstärke ist umgekehrt proportional dem Fluoridgehalt der Oxidschicht (M. Croset and D. Dieumegard, s.o.) im Bereich von 1,7 x 10"-6,5 x 10" F-Atomecm"3, wobei die Fluoridkonzentration von der Oxidoberfläche in Richtung zur Grenzfläche Si/SiO2 kontinuierlich ansteigt.(AG Revesz, J. Electrochem Soc. 114 [1967] 629). The Oxidladungsdichte is about 10 1 'cm "1, and the breakdown field strength is inversely proportional to the fluoride content of the oxide layer (M. D. and Croset Dieumegard, see above) in the range of 1.7 x 10" -6.5 x 10 "F- Atomscm " 3 , wherein the fluoride concentration of the oxide surface in the direction of the interface Si / SiO 2 increases continuously.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, dia lateralen Schwankungen der Durchbruchsfeldstärke dünner Oxidschichten (d £ 20nm) zu verringern und eine möglichst große mittlere Durchbruchsfeldstärke zu erreichen, ohne daß sich die elektrophysikalischen Greruflächeneigenschaften derartiger Schichten gegenüber denen von relativ dicken Oxidschichten (d £ 100nm) verschlechtern.It is the object of the invention to reduce the lateral variations of the breakdown field strength of thin oxide layers (d 20nm) and to achieve the highest possible average breakdown field strength without deteriorating the electrophysical surface properties of such layers over those of relatively thick oxide layers (d £ 100nm) ,

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur anodischen Passivierung von Si-Halbleiterbauelementen zu schaffen, mit dem dünne Isolatorschichten (d S 20 nm) hoher Qualität und mit geringfügiger lateraler Schwankung der elektrophysikalischen Eigenschaften hergestellt werden können.The invention has for its object to provide a method for anodic passivation of Si semiconductor devices can be made with the thin insulator layers (d S 20 nm) high quality and with slight lateral variation of the electrophysical properties.

Erfindungsgemfiß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß während oder nach der Anodisation Fluorid in einer Konzentration von 1 x 1017-5 x 101* F-Atome cm"3 so in die Oberfläche der Isolatorschicht eingebaut wird, daß die Fluoridkonzentration von der Oxidoberfläche bis zur Oxidmitte um eine Größenordnung abnimmt. Dadurch wird die von Croset und Dieumegard bei hohan Fluoridkonzentrationen (ab 1,7 χ 10"cm~3} beobachtete Verringerung der Durchbruchsfeldstärke vermieden. Um Hysteresen bei der CV-Messung und hohe Oxidladungsdichten (1013Cm'1) und hohe Grenzflächenzustandsdichten (1013OV-1Cm*1) zu vermeiden, muß die Oxidschicht außerdem getempert werden.According to the invention the object is achieved in that during or after the anodization fluoride in a concentration of 1 x 10 17 -5 x 10 1 * F atoms cm " 3 is incorporated into the surface of the insulator layer, that the fluoride concentration of the oxide surface to Thus, the reduction in breakdown field strength observed by Croset and Dieumegard at high fluoride concentrations (from 1.7 χ 10 "cm ~ 3 ) is avoided, which leads to hysteresis in the CV measurement and high oxide charge densities (10 13 cm '). 1 ) and high interface state densities (10 13 OV -1 Cm * 1 ), the oxide layer must also be annealed.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Si-Proben werden in einer kochenden Mischung von H2O2 und H2SO4 (1:1) gereinigt und in einer galvanischen Zelle bei einer Stromdichte von 7 mAcm"* anodisch voroxydiert, wobei als Elektrolyt eine 0,04molare Lösung von KNO3 in Ethylenglykol dient, das 0,35Vol.-% H2O enthält. Anschließend wird der 50nm dicke Oxidfilm durch Ätzen mit 1 nHF abgelöst, wobei die Ätzzeit maximal 2 min beträgt. Nach dem Spülen mit deionisiertem Wasser wird die Probe 50 min in 1 nHF getaucht, abermals mit deionisiertem Wasser gespült und trocken geschleudert. Danach erfolgt die anodische Oxydation unter den bereits genannten Bedingungen bis zu einer Schichtdicke von 20nm. Dadurch gelangen ursprünglich an der Si-Oberfläche sorbierte Fluorid-Ionen an die Oxidoberfläche. Danach wird die Probe mit deionisieitem Wasser gespüh und bei 8000C im N2-Strom getempert. Danach ergeben sich folgende elektrophysikalische Eigenschaften:The Si samples are cleaned in a boiling mixture of H 2 O 2 and H 2 SO 4 (1: 1) and anodically preoxidized in a galvanic cell at a current density of 7 mAcm "*, using as electrolytes a 0.04 molar solution of KNO 3 in ethylene glycol, which contains 0.35% by volume of H 2 O. The 50 nm thick oxide film is then removed by etching with 1 nHF, the etching time being a maximum of 2 minutes immersed in 1 nHF, rinsed again with deionized water and spun dry, followed by anodic oxidation under the conditions already mentioned up to a layer thickness of 20 nm, whereby fluoride ions originally sorbed on the Si surface reach the oxide surface sample gespüh deionisieitem with water and tempered for 2 stream at 800 0 C in N Thereafter, there are the following electro-physical properties.:

Oxidladungsdichte N^n, = 1,25XiO11Cm"2 Oxide charge density N ^ n , = 1.25XiO 11 Cm " 2

Zustandsdichte Nrt>M9 = (3,3 ±1,3) χ 1010OV"1 cm"2 Dichte der beweglichenDensity of states N rt> M9 = (3,3 ± 1,3) χ 10 10 OV " 1 cm" 2 Density of the moving

lonenladungen Nn, = (1,8±0,1)x 1010Cm"2 ionic charges N n = (1.8 ± 0.1) x 10 10 cm "2

Durchbruchsfeldstärke E8 = 8,45 ± 0,03 MVcm"1 Breakdown field strength E 8 = 8.45 ± 0.03 MVcm " 1

Claims (2)

1. Verfahren zur Passivierung von Si-Bauelementen durch anodische Oxidation, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche der dünnen Isolatorschicht während oder nach der Anodisation Fluorid in einer Konzentration von 1 x 1017bis5x 1018F-Atomex cm"3 eingebaut wird, wobei der Fluoridgehalt in der Mitte der Isolatorschicht 10% der Oberflächenkonzentration nicht übersteigt, und daß die Oxidschicht vor oder nach dem Fluorideinbau getempert wird.1. A method for the passivation of Si devices by anodic oxidation, characterized in that in the surface of the thin insulator layer during or after the anodization fluoride in a concentration of 1 x 10 17 to5x 10 18 F-atoms x cm " 3 is incorporated, wherein the fluoride content in the center of the insulator layer does not exceed 10% of the surface concentration, and that the oxide layer is annealed before or after fluoride incorporation. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluorideinbau durch eine Vorbehandlung des Substrates in HF und nachfolgendes Anodisieren erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the Fluorideinbau carried out by pretreatment of the substrate in HF and subsequent anodization.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5665611A (en) * 1996-01-31 1997-09-09 Micron Technology, Inc. Method of forming a thin film transistor using fluorine passivation

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