DE10031002A1 - Production of thin oxide or nitride layers used as tunnel barrier material for magnetoresistive sensors comprises using a plasma beam to convert the substrate into the corresponding oxide or nitride and adjusting the reaction speed - Google Patents

Production of thin oxide or nitride layers used as tunnel barrier material for magnetoresistive sensors comprises using a plasma beam to convert the substrate into the corresponding oxide or nitride and adjusting the reaction speed

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Abstract

Production of thin oxide or nitride layers comprises using a plasma beam produced from a high frequency plasma source (5) to convert the substrate (1) into the corresponding oxide or nitride and adjusting the reaction speed independent of the penetration depth. Preferred Features: The reaction speed is adjusted over the ion stream density of the particle stream or the degree of ionization or dissociation of the particle stream. The energy of the ions is uniform. The process is carried out at less than 10<-2> mbar pressure and at 54-150 deg C. The substrate material is aluminum, magnesium, gallium, tantalum, zinc, titanium, zirconium, yttrium, nickel, silicon, germanium, boron or carbon.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung dünner, elektrisch hoch isolierender Filme aus bestimmten Oxid- oder Nitridschichten, z. B. Al2O3 oder AlN, indem der Plasmastrahl einer Hochfrequenz angeregten Plasmastrahlquelle auf ein Substrat gerichtet wird, um das Substratmaterial in das entsprechende Oxid oder Nitrid umzuwandeln.The invention relates to the production of thin, highly electrically insulating films from certain oxide or nitride layers, for. B. Al 2 O 3 or AlN, by the plasma beam of a radio frequency excited plasma beam source is directed onto a substrate in order to convert the substrate material into the corresponding oxide or nitride.

Aluminiumoxid (Al2O3) ist heutzutage das bevorzugte Tunnelbarrieren-Material für Magnetowiderstands-Sensoren. Besser geeignet als die Oxide sind die Nitride, insbesondere Siliciumnitrid (Si3N4 oder auch Bornitrid (BN). Aufgrund der geringen Reaktivität von molekularem Stickstoff können mit den gängigen Verfahren bis dato keine Nitridschichten mit hinreichender Qualität erzeugt werden. Das Problem liegt darin, daß bei den üblichen Verfahren sehr hohe Ionenenergien benötigt werden, um die Nitridbildung einzuleiten. Die hohe Ionenenergie wiederum hat zur Folge, daß dadurch eine sehr große Anzahl von Defekten in die Tunnelstruktur eingebaut wird. Qualitativ hochwertige Nitrid-Tunnelbarrieren sind somit nicht bekannt.Alumina (Al 2 O 3 ) is the preferred tunnel barrier material for magnetoresistive sensors today. Nitrides, in particular silicon nitride (Si 3 N 4 or also boron nitride (BN), are more suitable than the oxides. Due to the low reactivity of molecular nitrogen, nitride layers of sufficient quality have not been able to be produced to date with the conventional processes. The problem lies in that the usual methods require very high ion energies to initiate nitride formation, which in turn results in a very large number of defects being built into the tunnel structure, so that high-quality nitride tunnel barriers are not known.

Die Herstellung von Al2O3-Barrierenschichten geschieht üblicherweise, indem eine dünne Al-Schicht (typischerweise 1-2 nm dick) durch einen Zerstäubungs- oder Verdampfungsprozeß aufgebracht und anschließend oxidiert wird. Für den Oxidationsprozeß kann dabei die thermische, die natürliche oder die plasma­ gestützte Oxidation verwendet werden. Die thermische Oxidation in Atmosphäre oder unter Vakuum ist sehr zeitaufwendig, unkontrollierbar und benötigt gegebenen­ falls, wie im Fall der Oxidation unter Atmosphäre, daß das Vakuum gebrochen werden muß. Sie ist für die industrielle Herstellung von Oxiden eher unbrauchbar. Für die industrielle Fertigung konzentriert man sich auf die Plasmaoxidation durch eine Standard-Sauerstoff-Gasentladung.Al 2 O 3 barrier layers are usually produced by applying a thin Al layer (typically 1-2 nm thick) by means of an atomization or evaporation process and then oxidizing it. Thermal, natural or plasma-assisted oxidation can be used for the oxidation process. Thermal oxidation in the atmosphere or under vacuum is very time-consuming, uncontrollable and, if necessary, as in the case of oxidation under atmosphere, the vacuum must be broken. It is rather unusable for the industrial production of oxides. For industrial production, the focus is on plasma oxidation using a standard oxygen gas discharge.

Die EP-A-913 830 von P. S. Stephen beschreibt ein magnetisches Tunnelkontakt- Bauteil, in welchem die Tunnelbarriere durch Plasmaoxidation von 0,5-2 nm dicken Al-Schichten hergestellt wird. In einigen technischen Veröffentlichungen ist in ähnlicher Weise die Herstellung der Al2O3 Barrierenschicht durch Plasma­ oxidation von Al beschrieben (s. z. B. J. J. Sun et al., Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 448; W. J. Gallagher et al., J. Appl. Phys. 81 (1997) 3741; J. S. Moodera et al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 3273). EP-A-913 830 by PS Stephen describes a magnetic tunnel contact component in which the tunnel barrier is produced by plasma oxidation of 0.5-2 nm thick Al layers. The preparation of the Al 2 O 3 barrier layer by plasma oxidation of Al is described in a similar manner in some technical publications (see BJJ Sun et al., Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 448; WJ Gallagher et al., J. Appl. Phys. 81 (1997) 3741; JS Moodera et al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 3273).

Bei dem Prozeß der Plasmaoxidation einer Al-Schicht zu einer dünnen Al2O3-Schicht können nach dem heutigen Stand der Technik die Reaktionsgeschwindigkeit, d. h. die Anzahl der Aluminium-Sauerstoff-Bindungen pro Zeiteinheit und auch die Penetrationstiefe, d. h. die Eindringtiefe des Sauerstoffteilchens in die Oberfläche bis zu dem Ort, an dem die chemische Bindung erfolgt, nicht kontrolliert werden. Es kommt entweder zu einer nicht vollständigen Oxidation der Al-Schicht oder zu einer nicht gewünschten teilweisen Oxidation der ferromagnetischen Boden­ elektrode. In beiden Fällen sinkt der magnetische Widerstand der Tunnelstruktur dramatisch aufgrund einer erhöhten Depolarisation im Übergangsbereich zwischen Bodenelektrode und Barrierenschicht (J. J Sun et al., Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 448). Da bei der herkömmlichen Plasmaoxidation weder die Massenzusammensetzung noch die Energieverteilung des auf die Oberfläche treffenden Plasmaflußes kontrolliert werden kann, ist die Qualität der Oxidschicht nicht optimierbar. Für einen optimalen Oxidationsprozeß in Bezug auf die Optimierung der Material­ eigenschaften des Oxids ist es erforderlich, einen in der Ionenenergie, d. h. die kinetische Energie der Ionen, welche durch ihre Geschwindigkeit bestimmt ist, der Ionenstromdichte, d. h. die Anzahl der Ionen pro Flächen- und Zeiteinheit, sowie der Zusammensetzung (quantitatives Verhältnis der Moleküle, der Ionen und der atomaren Teilchen) wohl definierten bzw. kontrollierbaren Sauerstoffplasmastrahl zu verwenden.In the process of plasma oxidation of an Al layer to form a thin Al 2 O 3 layer, according to the current state of the art, the reaction rate, ie the number of aluminum-oxygen bonds per unit of time, and also the penetration depth, ie the depth of penetration of the oxygen particle, can the surface is not controlled up to the place where the chemical bond takes place. There is either an incomplete oxidation of the Al layer or an undesired partial oxidation of the ferromagnetic bottom electrode. In both cases, the magnetic resistance of the tunnel structure drops dramatically due to an increased depolarization in the transition area between the bottom electrode and the barrier layer (J.J. Sun et al., Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 448). Since neither the mass composition nor the energy distribution of the plasma flow hitting the surface can be controlled in conventional plasma oxidation, the quality of the oxide layer cannot be optimized. For an optimal oxidation process with regard to the optimization of the material properties of the oxide, it is necessary to have an ion energy, ie the kinetic energy of the ions, which is determined by their speed, the ion current density, ie the number of ions per unit area and time , and the composition (quantitative ratio of the molecules, the ions and the atomic particles) to use well-defined or controllable oxygen plasma jet.

Was bisher nicht möglich war, ist die unabhängige Variation der Ionenenergie sowie der Ionenstromdichte verbunden mit einem sehr hohen Anteil atomarer Spezies in einem großflächigen Plasmastrahl. Es gibt bis jetzt kein Verfahren, welches großflächig, d. h. mit mindestens 100-200 cm2, einen fast reinen Atomstrahl mit den hier vorliegenden Ionenenergie- und Stromdichtewerten liefert. Der Nach­ teil üblicher Verfahren liegt darin, daß die für die Oxidation bzw. Nitrierung notwendige Dissoziation des O2- bzw. N2-Moleküls allein durch die Stoß-Wechsel­ wirkung des Ions beim Aufprall auf die Oberfläche des zu oxidierenden bzw. zu nitrierenden Materials erreicht wird. Um jedoch diese Stoß-Aktivierung effizient durchzuführen, muß insbesondere bei der Nitridbildung die kinetische Energie des Ions mindestens das Doppelte der Festkörperversetzungsenergie betragen. Die Festkörperversetzungsenergie gibt die Energie an, die benötigt wird, um ein im Volumen des Festkörpers chemisch gebundenes Atom aus seiner Bindung zu lösen und von seiner ursprünglichen örtlichen Position aus auf eine neue Position zu versetzen. Ist die Ionenenergie nun aber mindestens gleich der doppelten Festkörperversetzungsenergie, so sind die Ionen auch in der Lage, unerwünschte Defekte im Oxid oder Nitrid zu erzeugen.What was previously not possible is the independent variation of the ion energy and the ion current density combined with a very high proportion of atomic species in a large-area plasma beam. So far, there is no method which, over a large area, ie with at least 100-200 cm 2 , delivers an almost pure atomic beam with the ion energy and current density values available here. After part of the usual method is that the dissociation of the O 2 - or N 2 molecule necessary for the oxidation or nitration solely by the impact interaction of the ion upon impact on the surface of the material to be oxidized or nitrided is achieved. However, in order to carry out this shock activation efficiently, the kinetic energy of the ion must be at least twice the solid-state dislocation energy, particularly in the case of nitride formation. The solid-state dislocation energy indicates the energy which is required to release an atom chemically bound in the volume of the solid from its bond and to move it from its original local position to a new position. However, if the ion energy is at least twice the solid-state dislocation energy, the ions are also able to produce undesirable defects in the oxide or nitride.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Herstellung dünner Oxid- und Nitridschichten hoher Güte für z. B. die Anwendung in magnetischen Tunnelbarrieren zu ermöglichen.The object of the present invention is an improved manufacture of thinner High quality oxide and nitride layers for e.g. B. the application in magnetic To enable tunnel barriers.

Die Aufgabe wird durch die Verwendung einer neuartigen Plasmaquelle gelöst, welche einen dichten hochionisierten, quasi neutralen Plasmastrahl mit einem hohen Anteil an Sauerstoff- oder Stickstoffspezies erzeugt und dabei eine unab­ hängige Kontrolle der Ionenenergie sowie der Ionenstromdichte erlaubt. Quasi neutral bedeutet, daß in dem Teilchen- bzw. Plasmastrahl pro Volumeneinheit genau gleich viele positive (in der Regel Ionen) als auch negative Ladungsträger (in der Regel Elektronen) vorhanden sind.The task is solved by using a novel plasma source, which is a dense, highly ionized, quasi-neutral plasma beam with a generates a high proportion of oxygen or nitrogen species and thereby an independent Pending control of the ion energy and the ion current density allowed. So to say neutral means that in the particle or plasma jet per unit volume exactly the same number of positive (usually ions) as well as negative charge carriers (in usually electrons) are present.

Gemäß dem Verfahren wird der Plasmastrahl auf die Oberfläche dünner Schichten von bestimmten Elementen gerichtet, um sie in Schichten entsprechender Oxide oder Nitride umzuwandeln, wobei eine kontinuierliche, uniforme und defektfreie neue Schicht entsteht. Die Erfindung ermöglicht, daß zum ersten Mal atomare Plasmastrahlen mit wohl definierter kinetischer Energie, vorzugsweise zwischen der Oberflächenbindungsenergie und der Festkörperversetzungsenergie, zur Herstellung von Oxid- bzw. Nitridschichten eingesetzt werden können. Die Oberflächenbindungs­ energie ist die Energie, die benötigt bzw. aufgebracht werden muß, um ein an der Festkörperoberfläche chemisch gebundenes Atom aus seiner chemischen Bindung zu lösen.According to the method, the plasma jet is applied to the surface of thin layers of certain elements directed to them in layers of appropriate oxides or convert nitrides, being a continuous, uniform and defect-free new layer is created. The invention enables atomic for the first time Plasma rays with well-defined kinetic energy, preferably between the Surface binding energy and solid state dislocation energy, for production of oxide or nitride layers can be used. The surface binding energy is the energy that is required or must be applied in order to be able to Solid surface chemically bound atom from its chemical bond to solve.

Eine derartige Plasmaquelle ist detailliert in der eingereichten deutschen Patent­ anmeldung "Hochfrequenz-Plasmaquelle" mit dem Aktenzeichen 100 08 482.6 der Firma CCR GmbH, Beschichtungstechnologie beschrieben, und als COPRA Plasma Source 160 CF oder 200/CF im Handel.Such a plasma source is detailed in the filed German patent registration "high-frequency plasma source" with the file number 100 08 482.6 of CCR GmbH, coating technology described, and as COPRA plasma Source 160 CF or 200 / CF in stores.

Wirtschaftlich interessante Elemente zur Oxidation bzw. Nitridbildung sind:
Al (Al2O3/AlN), Mg (MgO), Ga (GaN), Ta (Ta2O5/TaN), Ti (TiN/TiO2), Zn (ZnO), Zr (ZrN/ZrO2), Y (Y2O3), YSZ [Yttria-stabilized-Zirconia], Si (SiO2/Si3N4, Ge (GeO), B (BN), C (CNx).
Economically interesting elements for oxidation or nitride formation are:
Al (Al 2 O 3 / AlN), Mg (MgO), Ga (GaN), Ta (Ta 2 O 5 / TaN), Ti (TiN / TiO 2 ), Zn (ZnO), Zr (ZrN / ZrO 2 ) , Y (Y 2 O 3 ), YSZ [Yttria-stabilized zirconia], Si (SiO 2 / Si 3 N 4 , Ge (GeO), B (BN), C (CN x ).

Es können auch Verbundmaterialien, wie z. B. SiOxNy hergestellt werden, wobei gerade SiOxNy wirtschaftlich sehr interessiert.Composite materials, such as. B. SiO x N y can be produced, with SiO x N y economically very interested.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber den konventionellen Oxidations-/Nitridationstechniken. Die Plasma­ strahlquelle erzeugt bei sehr geringen Prozeßdrücken von weniger als 10-2 mbar Plasmadichten in der Größenordnung von 1012 cm 3, wobei die Energie E der Ionen zwischen 10 und 1.000 eV kontinuierlich eingestellt werden kann. Die Ionen­ energieverteilung ΔE/E, d. h. die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen, ist bei dieser Plasmastrahlquelle kleiner 10% und somit sehr schmal. Die Energie der Ionen kann somit sehr präzise eingestellt werden. Im Falle von zweiatomigen Gasen, wie O2 und N2 wird ein Dissoziationsgrad, d. h. das Verhältnis der atomaren Teilchenzahl zur absoluten Zahl von Teilchen im Plasma, von über 80% erreicht. Konventionelle Plasmaquellen erzielen maximal 30%. Zusätzlich wird ein Ionisationsgrad, d. h. die Zahl der Ionen im Verhältnis zur Gesamtzahl der Teilchen im Plasma, von mindestens 25% erreicht, im Vergleich zu etwa 5% in konventionellen Plasma­ entladungen. Insofern wird der Prozeß der Oxidation bzw. Nitridation durch den Einsatz von atomaren Teilchen höchst effizient. Die Geschwindigkeit des Prozesses wird über die Ionenstromdichte gesteuert. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann dabei zwischen 5 × 1014 bis 5 × 1016 Bindungsprozessen prö Sekunde betragen. Die Tiefe des Oxidations- bzw. Nitridationsprozesses kann durch eine definierte Auswahl der Ionenenergie kontrolliert werden. Typische Eindringtiefen sind 1 bis 10 nm, wobei die Eindringtiefe bis auf ±0,1 nm genau gesteuert werden kann.The process according to the present invention has a number of advantages over the conventional oxidation / nitridation techniques. The plasma beam source generates plasma densities of the order of 10 12 cm 3 at very low process pressures of less than 10 -2 mbar, the energy E of the ions being continuously adjustable between 10 and 1,000 eV. The ion energy distribution ΔE / E, ie the velocity distribution of the ions, is less than 10% in this plasma beam source and is therefore very narrow. The energy of the ions can thus be set very precisely. In the case of diatomic gases, such as O 2 and N 2 , a degree of dissociation, ie the ratio of the atomic number of particles to the absolute number of particles in the plasma, of over 80% is achieved. Conventional plasma sources achieve a maximum of 30%. In addition, a degree of ionization, ie the number of ions in relation to the total number of particles in the plasma, of at least 25% is achieved, compared to approximately 5% in conventional plasma discharges. In this respect, the process of oxidation or nitridation becomes extremely efficient through the use of atomic particles. The speed of the process is controlled by the ion current density. The reaction rate can be between 5 × 10 14 to 5 × 10 16 binding processes per second. The depth of the oxidation or nitridation process can be controlled by a defined selection of the ion energy. Typical penetration depths are 1 to 10 nm, whereby the penetration depth can be controlled to within ± 0.1 nm.

So wird mit sehr hoher Präzision nur die zu bearbeitende Schicht behandelt und eine Beeinflussung der darunter liegenden Schichten wird vermieden. Der geringe Prozeßgasdruck und die kurze Prozeßzeit gewährleisten, daß praktisch keine schädlichen Verunreinigungen während des Schichtwachstums in die Barrieren­ schicht eingebaut werden. Durch Hinzufügen von Argon zu dem Prozeßgas (O2 oder N2) werden günstige Voraussetzungen geschaffen, daß Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Elektroden und der Isolierschicht mit reduzierter Ober­ flächenrauhigkeit entstehen. Dieses Verfahren ist voll kompatibel mit existierenden Produktionssystemen und schließt ein Brechen des Vakuums aus. In this way, only the layer to be processed is treated with very high precision, and influencing the layers underneath is avoided. The low process gas pressure and the short process time ensure that practically no harmful impurities are built into the barrier during layer growth. By adding argon to the process gas (O 2 or N 2 ) favorable conditions are created that interfaces between the ferromagnetic electrodes and the insulating layer with reduced surface roughness arise. This process is fully compatible with existing production systems and eliminates the breaking of the vacuum.

Die erfindungsgemässe Herstellung der Oxide bzw. Nitride erfolgt kontrolliert und effizient mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit. Eine der möglichen Anwendungen ist die Herstellung von Magnetwiderständen in Tunnelstrukturen, um die Isolierung zwischen den ferromagnetischen Elektroden sicherzustellen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in der Erzeugung von Diffusionsbarrieren, der Erzeugung von Isolationsschichten bei der Herstellung von integrierten Halbleiter­ schaltkreisen oder der Erzeugung von Isolationsschichten für kapazitive Bau­ elemente, wie z. B. Kondensatoren.The production of the oxides or nitrides according to the invention is controlled and efficient with high precision and reproducibility. One of the possible Applications is the manufacture of magnetic resistors in tunnel structures in order ensure the insulation between the ferromagnetic electrodes. Further Possible applications are the creation of diffusion barriers Generation of insulation layers in the manufacture of integrated semiconductors circuits or the generation of insulation layers for capacitive construction elements such as B. capacitors.

Die folgende Ausführung beschreibt anhand der Zeichnungen die Herstellung von Magnetowiderstands-Sensoren (auch Tunnelstruktur genannt) aus Aluminiumoxid (Al2O3), beispielhaft die Herstellung dünner, elektrisch hoch isolierender Schichten entsprechend der vorliegenden Erfindung.The following embodiment uses the drawings to describe the production of magnetoresistive sensors (also called tunnel structure) from aluminum oxide (Al 2 O 3 ), for example the production of thin, highly electrically insulating layers in accordance with the present invention.

Fig. 1a zeigt (schematisch) den Oxidationsprozeß bei der Herstellung von Magneto­ widerstands-Sensoren oder Tunnelstrukturen; Fig. 1a shows (schematically) the oxidation process in the manufacture of magnetoresistive sensors or tunnel structures;

Fig. 2 zeigt die Veränderung der relativen Leitfähigkeit einer 10 nm dicken Aluminium-Schicht; Fig. 2 shows the change of the relative conductivity of a 10 nm thick aluminum layer;

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Oxidationstiefe von der Ionenenergie; Fig. 3 shows the dependence of the oxidation depth of the ion energy;

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Prozessgeschwindigkeit von der Ionenstrom­ dichte. Fig. 4 shows the dependence of the process speed on the ion current density.

Fig. 1a zeigt den Oxidationsprozeß am Beispiel einer Tunnelstruktur. Auf dem Siliziumsubstrat (1) wurden eine ferromagnetische Elektrode (2) sowie eine Aluminiumschicht (3) mit definierter Dicke (etwa 1-2 nm) aufgebracht. Die Aluminiumschicht (3) wurde wie üblich durch Sputtern oder Elektronenstrahl­ verdampfen aufgetragen. Danach wird die Aluminiumschicht (3) oxidiert, indem sie dem Teilchenstrahl (4) der Plasmaquelle COPRA (5) ausgesetzt wird. Fig. 1b zeigt den prinzipiellen Aufbau einer fertigen Tunnelstruktur: Siliciumsubstrat (1), untere ferromagnetische Elektrode (2), oxidierte Aluminiumschicht (6) sowie die im Anschluß an den Oxidationsprozess aufgebrachte obere ferromagnetische Elektrode (7). Der Oxidationsprozeß verläuft um so schneller, je höher der Anteil an atomarem Sauerstoff und je größer die Ionenstromdichte im Teilchenstrahl ist. Die Oxidationstiefe, d. h. die mittlere Eindringtiefe, kann über die Ionenenergie sehr gut eingestellt und kontrolliert werden. Da der Teilchenstrahl eine sehr schmale Energieverteilung von weniger als 10% der mittleren Energie aufweist, kann präzise jede Ionenenergie zwischen der Oberflächenbindungsenergie und der Oberflächen­ aktivierungsenergie, d. h. etwa zwischen 10 und 50 eV, eingestellt werden. Somit werden Schadstellen vermieden und gute Schichtqualitäten sichergestellt. Üblicher­ weise kann Argon dem Prozeßgas beigemischt werden, um die Oberflächen­ rauhigkeit der Oxidschicht zu verringern. Nach Abschluß der Oxidation erhält man eine dünne stöchiometrische Al2O3 Schicht. FIG. 1a shows the oxidation process using the example of a tunnel structure. A ferromagnetic electrode ( 2 ) and an aluminum layer ( 3 ) with a defined thickness (about 1-2 nm) were applied to the silicon substrate ( 1 ). The aluminum layer ( 3 ) was applied as usual by sputtering or electron beam evaporation. The aluminum layer ( 3 ) is then oxidized by being exposed to the particle beam ( 4 ) from the plasma source COPRA ( 5 ). FIG. 1b shows the basic construction of a finished tunnel structure: silicon substrate (1), lower ferromagnetic electrode (2), oxidized aluminum layer (6) and the applied subsequent to the oxidation process upper ferromagnetic electrode (7). The higher the proportion of atomic oxygen and the greater the ion current density in the particle beam, the faster the oxidation process. The depth of oxidation, ie the mean penetration depth, can be set and controlled very well via the ion energy. Since the particle beam has a very narrow energy distribution of less than 10% of the mean energy, any ion energy between the surface binding energy and the surface activation energy, ie between about 10 and 50 eV, can be set precisely. Damaged areas are avoided and good layer qualities are ensured. Argon can usually be added to the process gas in order to reduce the surface roughness of the oxide layer. After completion of the oxidation, a thin stoichiometric Al 2 O 3 layer is obtained.

Fig. 2 zeigt den Vorteil eines hauptsächlich aus atomaren Spezies (O oder N) bestehenden Teilchenstrahls gegenüber einer Behandlung mit molekularem Sauer­ stoff. Der molekulare Sauerstoff bewirkt innerhalb einer Behandlungsdauer von 10 min praktisch keine Oxidation bzw. Änderung der Leitfähigkeit. Ein atomarer Sauerstoff- bzw. Stickstoff-Teilchenstrahl dagegen verursacht einen erheblichen Abfall der relativen Leitfähigkeit, da die Metallschicht effizient oxidiert bzw. nitriert wird. Fig. 2 shows the advantage of a mainly consisting of atomic species (O or N) particle beam over a treatment with molecular oxygen. The molecular oxygen causes practically no oxidation or change in conductivity within a treatment period of 10 min. An atomic oxygen or nitrogen particle beam, on the other hand, causes a considerable drop in the relative conductivity, since the metal layer is efficiently oxidized or nitrided.

Das oben beschriebene Verfahren kann unter Verwendung von Stickstoff als Prozeßgas ebenso zur Bildung dünner AlN-Schichten genutzt werden. Ebenso können weitere Schichten wie z. B. NiO, MgO oder BN hergestellt werden.The method described above can be used as nitrogen Process gas can also be used to form thin AlN layers. As well can further layers such. B. NiO, MgO or BN.

Die Dicke der gewünschten Schicht wird über die Ionenenergie, die Geschwindig­ keit der Oxidation bzw. Nitrierung über die Ionenstromdichte eingestellt. Fig. 3 und Fig. 4 verdeutlichen diesen Zusammenhang am Beispiel der Oxidation von Aluminium. Die gewünschte Ionenenergie wird durch eine in der Plasmaquelle integrierte Regelung eingestellt. Die Ionenstromdichte wird über die eingespeiste Hochfrequenz-Leistung variiert.The thickness of the desired layer is set via the ion energy, the speed of the oxidation or nitration via the ion current density. FIGS. 3 and FIG. 4 illustrate this relationship at the example of the oxidation of aluminum. The desired ion energy is set by a control integrated in the plasma source. The ion current density is varied via the fed-in high-frequency power.

Ein Ion mit einer bestimmten kinetischen Energie verliert nach dem Eindringen in den Festkörper, d. h. auf dem Weg in die Tiefe, kontinuierlich an Energie. Nach Durchlaufen einer bestimmten Wegstrecke ist seine gesamte ursprünglich vorhandene Energie aufgebraucht und es kommt zur Ruhe. Dort wo es zu Ruhe kommt, gibt es eine chemische Bindung. Die maximale Reichweite, d. h. die Eindringtiefe eines Ions, ist somit eine Funktion der kinetischen Energie, welche die Ionen beim Eintreten in die Oberfläche besitzen. Die Umwandlung einer dünnen Aluminium­ schicht in eine Aluminiumoxidschicht läuft dann wie folgt ab: Steht die Oberfläche der Aluminiumschicht unter kontinuierlichem Beschuß durch einen Ionenstrahl, so dringen zuerst die Sauerstoffionen, abhängig von ihrer kinetischen Energie, in die entsprechende Tiefe vor und oxidieren dort das Aluminium vollständig. Sind an dieser Stelle alle möglichen Bindungsplätze besetzt, so wandern die Sauerstoffatome wieder zurück in Richtung Oberfläche und gehen an dem nächst freien Bindungs­ platz eine chemische Bindung ein. Dies geschieht solange bis die gesamte Ober­ flächenschicht in Oxid umgewandelt wurde. Die Oxidation verläuft also von der Tiefe heraus an die Oberfläche. Gleiches gilt für den Nitrierungsprozeß.An ion with a certain kinetic energy loses after entering the solid, d. H. on the way down, continuously in energy. To Walking through a certain distance is its entire original one Energy is used up and it comes to rest. Where it comes to rest, there is a chemical bond. The maximum range, i.e. H. the depth of penetration of a Ions is therefore a function of the kinetic energy which the ions Have entry into the surface. The conversion of a thin aluminum  layer in an aluminum oxide layer then proceeds as follows: the surface is the aluminum layer under continuous bombardment by an ion beam, so Depending on their kinetic energy, the oxygen ions first penetrate into the depth and oxidize the aluminum there completely. Are on At this point, all possible binding sites are occupied, so the oxygen atoms move back towards the surface and go to the next free binding burst a chemical bond. This happens until the entire waiter surface layer was converted into oxide. The oxidation therefore proceeds from the Depth out to the surface. The same applies to the nitriding process.

In Fig. 3 ist der lineare Zusammenhang zwischen Penetrationstiefe und der Ionen­ energie dargestellt. Über die Variation der Ionenenergie kann somit sehr präzise die maximale Dicke der oxidierten Schicht eingestellt werden.In Fig. 3 the linear relationship between penetration depth and the ion energy is shown. The maximum thickness of the oxidized layer can thus be set very precisely by varying the ion energy.

Die Ionenstromdichte bestimmt, wie viele Sauerstoffatome pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit auf die Oberfläche des zu oxidierenden bzw. nitrierenden Materials treffen. Bei einem atomaren Plasmastrahl mit einer Ionenstromdichte von 1 mA/cm2 bedeutet dies, daß etwa 6 × 1015 Atome/cm2 s auf die Oberfläche treffen und somit für die Oxidation bzw. Nitrierung zu Verfügung stehen. Wie schnell die für die vollständige Oxidation bzw. Nitrierung eines bestimmten Volumens notwendige Gesamtdosis an Sauerstoffatomen erreicht ist, wird somit durch die Ionenstrom­ dichte bestimmt.The ion current density determines how many oxygen atoms per unit time and per unit area hit the surface of the material to be oxidized or nitrided. In the case of an atomic plasma beam with an ion current density of 1 mA / cm 2 , this means that approximately 6 × 10 15 atoms / cm 2 s strike the surface and are therefore available for oxidation or nitration. How quickly the total dose of oxygen atoms necessary for the complete oxidation or nitration of a certain volume is reached is thus determined by the ion current density.

Wie in Fig. 4 dargestellt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Prozeß­ geschwindigkeit und der Ionenstromdichte.As shown in Fig. 4, there is a linear relationship between the process speed and the ion current density.

Die Einstellbarkeit der Ionenenergie sowie der Ionenstromdichte ermöglichen somit die erfindungsgemäße Herstellung besonders hochwertiger, d. h. defektfreier Schichten mittels dem Verfahren der dynamischen Tiefenoxidation bzw. Tiefennitrierung.The adjustability of the ion energy and the ion current density thus enable the inventive production of particularly high quality, d. H. defect-free layers using the process of dynamic deep oxidation or deep nitriding.

Berücksichtigt man, daß die Umwandlung in ein Oxid oder ein Nitrid von der Tiefe zur Oberfläche geschieht, so liegt es nahe, die Eindringtiefe der reaktiven Spezies (N oder O) zeitlich auf die Wachstumsgeschwindigkeit abzustimmen. Bei konstanter kinetischer Energie und konstanter Stromdichte ist nach der Zeit t0 ein Volumen­ bereich ΔN in der Tiefe vollständig umgewandelt. Ein weiteres Eindringen von O- oder N-Atomen in diesen Bereich kann sich für die Ausbildung eines qualitativ hochwertigen Oxids oder Nitrids nur nachteilig auswirken. Bei weiterem Beschuß eines bereits vollständig oxidierten, nitrierten Bereichs kann es somit in diesem Bereich zur Bildung von Defekten kommen. Es entsteht ein minderwertiges Oxid oder Nitrid.If one takes into account that the conversion into an oxide or a nitride takes place from the depth to the surface, it is obvious to adjust the penetration depth of the reactive species (N or O) in time to the growth rate. With constant kinetic energy and constant current density, a volume range ΔN in the depth is completely converted after the time t 0 . Further penetration of O or N atoms in this area can only have a disadvantageous effect on the formation of a high-quality oxide or nitride. If further bombardment of an already fully oxidized, nitrided area occurs, defects can thus occur in this area. An inferior oxide or nitride is formed.

Der erfindungsgemäße dynamische Nitrierungs- bzw. Oxidationsprozeß läuft dann wie folgt ab: Zuerst wird die gewünschte Schichtdicke über die Eindringtiefe durch die Wahl der entsprechenden Energie festgelegt. Diese Energie gilt als Ausgangs­ wert und bestimmt die maximale Prozeßtiefe. Die Wahl einer bestimmten Strom­ dichte bestimmt die Ausbreitungs- bzw. Wachstumsgeschwindigkeit des Oxid- bzw. Nitrid-Bereiches zur Oberfläche hin. Die Ionenenergie wird nun kontinuierlich in dem Maße verringert, daß die eindringenden Atome stets nur in eine solche Tiefe vordringen, in der Sauerstoff- bzw. Stickstoffatome noch zur chemischen Bindung benötigt werden. Zur Oxidation einer Aluminiumschicht wird z. B. bei einer Energie von 40 eV und einer Stromdichte von 0,24 mA/cm2 eine Ausgangstiefe (maximale Prozeßtiefe) von 1 nm eingestellt. Die Wachstumsgeschwindigkeit beträgt 0,2 nm pro sec. Die Energie wird dabei innerhalb von 5 Sekunden von 40 auf 0 eV kontinuierlich reduziert.The dynamic nitriding or oxidation process according to the invention then proceeds as follows: First, the desired layer thickness is determined via the depth of penetration by the choice of the appropriate energy. This energy is considered the initial value and determines the maximum process depth. The choice of a specific current density determines the rate of expansion or growth of the oxide or nitride region towards the surface. The ion energy is now continuously reduced to the extent that the penetrating atoms always only penetrate to a depth in which oxygen or nitrogen atoms are still required for chemical bonding. For the oxidation of an aluminum layer z. B. at an energy of 40 eV and a current density of 0.24 mA / cm 2, an output depth (maximum process depth) of 1 nm. The growth rate is 0.2 nm per sec. The energy is continuously reduced from 40 to 0 eV within 5 seconds.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung dünner Oxid- oder Nitridschichten mittels eines Plasmastrahls aus einer Hochfrequenz-Plasmastrahlenquelle, um das Substrat­ material in das entsprechende Oxid oder Nitrid umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgeschwindigkeit unabhängig von der Penetrationstiefe eingestellt werden kann.1. A method for producing thin oxide or nitride layers by means of a plasma jet from a high-frequency plasma radiation source in order to convert the substrate material into the corresponding oxide or nitride, characterized in that the reaction rate can be set independently of the depth of penetration. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktions­ geschwindigkeit über die Ionenstromdichte des Teilchenstrahls eingestellt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the reaction speed set via the ion current density of the particle beam becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgeschwindigkeit über den Ionisations- oder Dissoziationsgrad des Teilchenstrahls eingestellt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Rate of reaction over the degree of ionization or dissociation of the Particle beam is adjusted. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Penetrationstiefe über die Ionenenergie des Teilchenstrahls eingestellt wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the Penetration depth is set via the ion energy of the particle beam. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Ionen des Teilchenstrahls gleichförmig ist.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the energy the ions of the particle beam are uniform. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Ionen des Teilchenstrahls zwischen der Oberflächenbindungs­ energie und der Festkörperversetzungsenergie liegt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the energy of the ions of the particle beam between the surface binding energy and the solid state dislocation energy. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl einen Anteil an atomaren Teilchen von über 70% aufweist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the plasma jet contains more than 70% of atomic particles. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Prozeßdruck von weniger als 10-2 mbar gearbeitet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that one works at a process pressure of less than 10 -2 mbar. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung bei Temperaturen von 54°C bis 150°C stattfindet. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the treatment takes place at temperatures from 54 ° C to 150 ° C.   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgas aus O2 oder N2 Argon hinzugefügt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the process gas from O 2 or N 2 argon is added. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in das entsprechende Oxid oder Nitrid umzuwandelnde Substratmaterial Aluminium, Magnesium, Gallium, Tantal, Titan, Zink, Zirkonium, Yttrium, Nickel, Silicium, Germanium, Bor oder Kohlenstoff ist.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the substrate material to be converted into the corresponding oxide or nitride Aluminum, magnesium, gallium, tantalum, titanium, zinc, zirconium, yttrium, Is nickel, silicon, germanium, boron or carbon. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ionenenergie, ausgehend von einem Wert für die maximale gewünschte Eindringtiefe, in dem Maße verringert, daß die Sauerstoff- oder Stickstoffatome nur in eine solche Tiefe vordringen, in der sie noch zur chemischen Bindung benötigt werden.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the ion energy, starting from a value for the maximum desired depth of penetration, reduced to the extent that the oxygen or Only penetrate nitrogen atoms to such a depth that they still reach the chemical bond are needed.
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