DE2102920A1 - Verfahren zum Eloxieren von Aluminium - Google Patents
Verfahren zum Eloxieren von AluminiumInfo
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Description
Deutsche ITT Industries GmbH. R.C.G. Swann et al 14-3
78 Freiburg i.B.,Hans-Bunte-Str.19 Pat.Go/Th. - Fl 665
21. Januar 1971
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG
FREIBURG I.B.
Verfahren zum Eloxieren von Aluminium
Die Priorität der Anmeldung Nr. 5,640 Gruppe 114 in den Vereinigten
Staaten von Amerika vom 26. Januar 1970 wird beansprucht.
Die Erfindung nimmt Bezug auf ein Verfahren zum Eloxieren von Aluminium und die Herstellung von Metall-Oxyd-Halbleiterbaueleraenten
unter Verwendung von Aluminiumdioxyd als Gitter-Isolator.
Gleichstrom-Eloxiervorrichtungen, welche Verwendung von inneren
Elektroden und hohen Gleichstrompotentialen machen, wurden von Miles und Smith in "The Journal of the Electro-Chemical Society"
(Dezember 1963) und von Waxman und Zainunger in "Transistor
Electronic Devices" (April 1969) beschrieben. Es wurde jedoch gefunden, daß die zur Ionisierung von Sauerstoff verwendeten
inneren Elektroden sprühen und möglicherweise Verunreinigungsmaterial zerstäuben, welches auf die Oberfläche des zu eloxierenden
Substrats abgeschieden werden kann. Dies kann besonders schädlich sein, wenn das zu eloxierende Material Aluminium ist,
welches vorher auf einen Halbleitergrundkörper abgeschieden wird, wobei diese Verunreinigungen durch das Aluminium diffundieren
und in schädlicher Weise die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers verändern können.
109833/1760
Fl 665 ■ R.C.G. Swann et al 14-3 :
Bei Metall-Oxyd-Halbleiterbauelementen, welche Verwendung von Siliciumdioxyd als Gitter-IsolationsmateriaT inachen, bildet sich
eine positive Ladung an der Zwischenfläche zwischen dem Silier iumhalbleiterkör per und dem Siliciumdioxydisolator aus. Die
Ausbildung einer positiven Ladung macht das Anlegen eines negativen Potentials an die Gitter-Elektrode zum Betrieb des Bauelementes
erforderlich. Aluminiumoxyd ergibt dagegen eine negative Ladung an der Silicium-Isolator-Zwischenflache, was die Herstellung
von n-Kanal-Feldeffekttransistoren mit isolierter Gitterelektrode
vom Anreichungstyp möglich macht. Diese Bauelemente haben zwei Hauptvorteile gegenüber den gegenwärtigen p-Kanal-Feldeffekttransistoren
mit isolierter Gitter-Elektrode (IGFETS), d.h. 1. vollständige Austauschbarkeit bezüglich den Spannungspolaritäten von bipolaren integrierten Schaltungen und 2. doppelte
Geschwindigkeit bezüglich den gegenwärtig hergestellten p-Kanal-Bauelementen.
Ein verbessertes Verfahren zum Eloxieren von Aluminium ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Ferner soll ein Verfahren zum Eloxieren einer Aluminiumschicht auf einem Halbleitergrundkörper ohne nachteilige Beeinträchtigung
der elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials angegeben werden.
Ein weiteres Ziel ist ein Metall-Oxyd-Halbleiterbauelement, welches
zum Betrieb das Anlegen eines positiven Potentials an die Gitter-Elektrode benötigt.
Ferner soll durch die Erfindung die Möglichkeit der Herstellung eines Metall-Oxyd-Halbleiterbauelementes mit Aluminiumoxyd als
Gitter-Isolator geschaffen werden.
109833/1760
- 21Q292Q
Fl 665 ' R.C.G. Swann et al 14-3
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eloxieren von innerhalb einer Vakuumglocke angeordnetem Aluminium. Die vorstehend
genannten Herstellungsprobleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß innerhalb der Sauerstoff enthaltenden Vakuumglocke mittels einer elektrodenlosen Glimmentladung die Erzeugung von
negativ ionisierter Sauerstoffmolekühle angeregt wird, daß zum Abscheiden der negativen Ionen aus der Vakuumglocke unter Erzeugung
eines Flusses der negativen Ionen quer durch das Aluminium ein positives Potential an das Aluminium angelegt wird und daß
durch teilweise Reaktion mit den Ionen unter der Oberfläche liegende
Teile unter Bildung von Aluminiumoxyd eloxiert werden. Ferner gibt die Erfindung die Herstellungsmöglichkeit für ein i
Metall-Oxyd-Halbleiterbauelement mit Emitter- und Kollektorzone des einen Leitfähigkeitstyps innerhalb eines Siliciumkörpers des
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und einer dielektrischen Schicht aus Aluminiumoxyd auf der Oberfläche des Siliciumkörpers,
welche sich zwischen der Emitter- und Kollektorzone unter Ausbildung einer negativen Zwischenflächenladung zwischen der dielektrischen
Schicht und dem Siliciumkörper erstreckt, und einer auf der dielektrischen Schicht angeordneten Gitter-Elektrode,
an die ein die Schwellspannung des Bauelements übersteigendes Signal von positivem Potential zum Betrieb des Bauelements angelegt
werden muß.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, "
in der
die Fig. 1 die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zum Eloxieren von Aluminium,
die Fig. 2 eine Form eines zu eloxierenden Substrats und die Fig. 3 ein Metall-Oxyd-Halbleiterbauelement zeigen,
welches von Aluminiumdioxyd als Gitter-Isolator Verwendung macht.
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Fl 665 R.C.G. Swann et al 14-3
Die Vorrichtung gemäß der Fig. 1, anhand derer das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden soll, enthält
eine normale Vakuumglocke "1, eine Tragsäule 2 und einen
Auflagetisch 3 innerhalb der Vakuumglocke, auf den die Substrate 4 aufgelegt werden können. Die Grundplatte der Vakuumglocke
kann bei 11 geerdet werden. Die Substrate 4 können einfach ein Streifen aus Aluminium oder ein Halbleiterkörper mit einer
darauf angeordneten Aluminiumschicht sein. Die Elektrodenwindungen 5 werden außerhalb der Vakuumglocke angeordnet und mit
der Energiequelle 6 verbunden. Die Energiequelle 6 kann aus einem Hochfrequenzgenerator mit einer Betriebsfrequenz im Radiofrequenabereicht,
d.h. oberhalb von 10 kHz, innerhalb eines Spannungsbereichs von 1 kV bis 5 kV, bestehen. Beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel war die Betriebsfrequenz 1 MHz und die angelegte Spannung lag zwischen 2 und 3 kV. Diese Betriebsfrequenz
und die angelegte Spannung ergibt die Anregungsenergie zur Erzeug ingeiner Glimmentladung innerhalb der Vakuumglocke. Diese
Entladung erwirkt die Anregung zur Ionisierung von Sauerstoffgas,
welches vom Sauerstoffeinlaß 7 in die Vakuumglocke geülasen wurde,
Beim praktischen Betrieb wird die Vakuumglocke unter Verwendung einer Vakuumpumpe an 8 auf einen Druck von weniger als 10 ,um
Quecksilbersäule evakuiert. Dann wird durch den Einlaß 7 Sauerstoff zur Einstellung eines Druckes von etwa 1/2 mm eingelassen.
Als nächstes wird der Energiequellengenerator 6 auf eine Spannung von etwa 2 bis 3 kV und einer Frequenz von oberhalb 1 MHz zur Anfachung der Glimmtentladung gebracht. Diese Glimmentladung ergibt
die Energie, um die Sauerstoffmoleküle in der Atmosphäre der Vakuumglocke negativ zu ionisieren. Nunmehr muß das Gleichstrompotential
9 entweder unmittelbar an das Substrat 4 oder über den Halter 2 und den Tisch 3 an das Substrat 4 angelegt
werden. Das Substrat 4 kann in Form eines Halbleiterkörpers 10
• - 5 -
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vorliegen und eine Aluminiumschicht 11 auf dem Halbleiterkörper gemäß der Fig. 2 gebildet sein. Das positive Gleichstrompotential
sollte etwa 200 bis 300 V betragen. Sein Hauptzweck ist die Entziehung der negativen Sauerstoffionen aus der Atmosphäre der
Vakuumglocke. Das positive Gleichstrompotential zieht die negativen
Sauerstoffionen zur Oberfläche des Substrats 4 an und bewirkt einen Ionisationsstrom durch das Substrat 4 und Potentialquelle
9 zur Erdung 10. Zur Erleichterung der Überwachung des durch, die Potentialquelle 9 zur Erdung 10 fließenden Ionenstroms
ist zur Ausfilterung des Hochfrequenzsignals zwischen der Gleichstrompotentialquelle
9 und dem Substrat 4 ein Filter 20 eingefügt. Zunächst wird die Oberfläche des Substrats 4 oxydiert, sobald J
einige der negativen Ionen mit der Aluminiumoberfläche unter Bildung einer Haut aus Aluminiumdioxyd reagieren. Mit fortlaufendem
Prozeß diffundieren die negativen Sauerstoffionen durch das Oberflächenoxyd und reagieren im fortlaufenden Prozeß mit den darunter-*
liegenden Aluminiummolekülen. Bei Verwendung der Frequenz und des Potentials, wie oben erwähnt, setzt sich der Eloxierprozeß mit
einer Geschwindigkeit vom 100 R/Min fort bis entweder das Gleich-1
strompotential oder die Anregungsspannung des Anregungsfeldes abgestellt
wird.
Da die durch dieses Verfahren gebildete Aluminiumdioxydschicht eine negative Ladung zwischen sich und einem Siliciumkörper an
ihrer Zwischenfläche ergibt, kann diese Eigenschaft in vorteil- f hafter Weise bei einem Metall-Oxyd-Halbleiterbauelement gemäß
der Fig. 3 ausgenutzt werden. Dies kann erreicht werden, indem in einem p-leitenden Siliciumkörper Emitterzone 13 und Kollektorzone
14 von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gebildet werden. Unter Anwendung der oben beschriebenen elektrodenIosen iohisie*
rungstechiiik kann darauf die Aluminiumdioxydschicht 1!>
von etwa lOOO bis 10.000 $ hergestellt werden. Unter Anwendung herkömmlicher
Verfahren- der Photolithographic, des Ätzens und der Me-
109833/ 1760
- 6 Fl 665 R.C.G. Swann et al 14-3
tallisierung zum Abscheiden von Aluminium, Gold oder eines anderen
geeigneten Kontaktmetalls durch Löcher in der Aluminiumdioxydschicht 15 können an die entsprechenden Emitter- und Kollektorzonen
die Emitterelektrode 16 und die Kollektorelektrode 17 angebracht werden. Auf jenem Teil der Aluminiumdioxydsehicht 15,
der den zwischen der Emitter- und Kollektorzone sich erstreckenden
Gitter-Isolator 19 darstellt, kann wiederum unter Anwendung herkömmlicher Metallisierungsverfahren die Gitter-Elektrode 18 aufgebracht
werden. Dieses Bauelement kann angemessen in Verbindung mit Systemen verwendet werden, welche zum Betrieb des Bauelements
die Verwendung eines positiven Steuerpotentials an der Gitter-Elektrode 18 erforderlich machen, da gefunden wurde, daß eine negative
Zwischenflächenladung von 2,5 χ 10 Ladungen pro cm bei diesem Äusführungsbeispiel an der Zwischenfläche zwischen der
Aluminivundioxydschicht und der Siliciumflache vorhanden ist.
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Claims (5)
- ?rFl 665 R.C.G. Swann et al 14-3PATENTANSPRÜCHEVerfahren zum Eloxieren von innerhalb einer Vakuumglocke
angeordnetem Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der sauerstoffenthaltenden Vakuumglocke mittels einer elektrodenlosen Glimmentladung die Erzeugung von negativ
ionisierten Sauerstoffmolekülen angeregt wird, daß zum Abscheiden der negativen Ionen aus der Vakuumglocke und der
Erzeugung eines Flusses von negativen Ionen quer durch das Aluminium ein positives Potential an das Aluminium angelegt wird und daß durch teilweise Reaktion mit den Ionen sukzessiv unter der Oberfläche liegende Teile unter Bildung von Aluminiumoxyd eloxiert werden» - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff bei einem Druck von 1/2 mm Quecksilbersäule in die
Vakuumglocke eingelassen wird. - 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrodenlose Glimmentladung durch Anlegen eines Hochfrequenzsignals an außerhalb der Vakuumglocke angeordneten
Elektroden angefacht wird. - 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Hochfrequenzsignals 1 MHz bei einer Spannung ' von etwa 2 bis 3 kV beträgt.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichstrompotential etwa 200 bis 300 V beträgt.109833/1760Fl 665 ■ R.C.G. Swann et al 14-36t Anwendung eines Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 5 zum Herstellen einer dielektrischen Schicht aus Aluminiumdioxyd zwischen einem Siliciumkörper und einer Gitter-Elektrode eines Metall-Oxyd-Halbleiterbauelements mit der dielektrischen Schicht aus Aluminiumdioxyd zwischen einer Emitter-und einer Kollektorzone des einen Leitfähigkeitstyps, an welche Gitter-Elektrode ein positives Potential oberhalb einer Schwellspannung zum Betrieb des Bauelements gelegt werden muß.109833/1760
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