DE3044961A1 - Verfahren zur bildung eines isolierenden films auf einem halbleitersubstrat und die dabei erhaltenen produkte - Google Patents

Verfahren zur bildung eines isolierenden films auf einem halbleitersubstrat und die dabei erhaltenen produkte

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DE3044961A1 DE19803044961 DE3044961A DE3044961A1 DE 3044961 A1 DE3044961 A1 DE 3044961A1 DE 19803044961 DE19803044961 DE 19803044961 DE 3044961 A DE3044961 A DE 3044961A DE 3044961 A1 DE3044961 A1 DE 3044961A1
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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines isolierenden Films auf einem Halbleitersubstrat und insbesondere ein Verfahren zur Bildung eines Äluminiumoxidfilms auf einem GaAs-Substrat.
Die Passivierung der Oberfläche eines GaAs-Substrats durch Bildung eines isolierenden Films darauf ist von großer Bedeutung bei der Bildung eines Gitterisolators ("gate insulator") eines Feldeffekt-Transistors vom MOS-Typ und beim Schutz der Oberflächen verschiedener Arten von elektronischen·Vorrichtungen und lichtemittierenden und -empfangenden Vorrichtungen. Es wurden bisher verschiedene Methoden zur Bildung derartiger isolierender Filme empfohlen. Diese Methoden lassen sich grob klassifizieren in eine Methode zur direkten Oxidation der Oberfläche des GaAs und eine Methode zur Bildung eines separaten isolierenden Films auf dem Substrat. Die erste Methode umfaßt beispielsweise die thermische Oxidation, die anodische Oxidation in einem Elektrolyten und die Plasma-Oxidation, wie beschrieben von D.N. Butcher, und B.J. Sealy, Electron Lett., 13, S. 558 (1977); H. Hasegawa et al., Appl. Phys. Lett., 26, S. 567 (1975); R.A. Logan et al., J. Electrochem. Soc., Band
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R. P. H. Chang und A. K. Sinha, Appl. Phys. Lett., 29, S. 56 (1976); usw., wohingegen die letztere Methode beispielsweise umfaßt CVD, Aufspritzen, Vakuumabscheidung, Molekühlstrahlabscheidung und Glimmentladung, wie beschrieben in H. W. Becke
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und J. P. White, Electronics, S. 82 (1967)r H. W. Becke et al., Solid State Electron, 8, S. 813 (1965); Ir. Messiek, Solid State Electron, 22, S. 71 U9791; K. Karoimura und Y. Sakai, Thin Solid Films T 56, S. 215 (1979); B. Bayraktaroglu, 37th Device Research Conf. Abstract PWP-A3, C1979); H.C.Casey et al., Appl. Phys. Lett., 32, S. 678 (1978); W. T. Tsang, Appl. Phys. Lett., 33, S. 429; usw. Beispiele für isolierende Materialien umfassen SiO r SiQ2# Si^N., SiC^/Si^N^, SiN, SiON, Al2O3, SiO2/Al2O3, PSG, GaN und Ta3O5.
Eine der wichtigsten Eigenschaften die für diese Arten von isolierenden Filmen erforderlich sind, ist eine ausreichend geringe Grenzflächen-Zustandsdichte an der Grenzfläche zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter. Dies ist besonders wichtig für einenGitterisolator eines MOS-Feldeffekt-Transistors, da die gegenseitige Konduktanz bzw. die Steilheit nachteilig verringert wird, wenn die Grenzflächen-Zustandsdichte zu hoch ist. Ist die Grenzflächen-Zustandsdichte extrem hoch, so kann ein MOS-Feldeffekt-Transistor vom Inversionstyp seine Funktion nicht erfüllen, da keine Oberflächeninversion stattfindet.
Die vorstehenden Methoden zur Bildung von isolierenden Filmen nach dem Stand der Technik führen zu dem Auftreten einer hohen Grenzflächen-Zustandsdichte zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter. Eine Diode, die nach einer beliebigen bekannten Methode hergestellt wurde, weist Kapazitäts-Spannungs-Charakter istika auf, derart, daß sie eine hohe Hysterese und einen geringen maximalen Gradienten für die Kapazitätsänderung, die selbst gering ist, hat, was deutlich anzeigt, daß die Grenzflächen-Zustandsdichte der Diode hoch ist. Es ist bekannt, daß, wenn die Grenzflächen-Zustandsdichte ausreichend niedrig liegt, eine Inversion auftritt und sich die Kapazität der MOS-Diode so dem Niveau der Kapazität des Isolators bei Frequenzen nähert, die niedrig genug sind für die Reaktion von Minoritätsträgern. Jedoch weist keine der nach Methoden des Stands der Technik hergestellten MOS-Dioden eine derartige Zunahme der Kapazität auf,
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d. h.es erfolgt keine Inversion in beliebigen derartigen Dioden.
Daher waren alle bekannten Merhoden zur Bildung eines isolierenden Films bisher nicht geeignet, eine ausreichend geringe Grenzflächen-Zustandsdichte zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter bereitzustellen, und alle davon sind schwierig für die praktische Herstellung von elektronischen Vorrichtungen oder dgl. anzuwenden.
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung der vorstehenden Nachteile des Stands der Technik durch Bereitstellung einer Methode zur Bildung eines isolierenden Films mit einer äußerst geringen Grenzflächen-Zustandsdichte auf einem GaAs-Substrat. Erfindungsgemäß wird das vorstehende Ziel durch eine Methode zur Bildung eines isolierenden Films auf einem Halbleitersubstrat erreicht, d.h. durch Abscheiden von Aluminium auf einem GaAs durch Vakuumverdampfen und anschließende anodische Oxidation des Substrats, bis das Aluminium völlig oxidiert ist. Unter Anwendung der Erfindung kann die Grenzflächen-Zustandsdichte auf einen sehr geringen Wert verringert werden, was sich darin zeigt, daß man Charakteristikä erhält, die eine Inversion anzeigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst vorteilhaft bei industrieller Anwendung zur Bildung eines Gitterisolators von einem MOS-Feldeffekt-Transistor oder zur Bildung eines Oberflächenschutzfilms für zahlreiche andere elektronische Vorrichtungen.
Im folgenden werden die Figuren erläutert.
Figur 1 stellt eine graphische Darstellung dar, die die Kapazitäts-Spannungscharakteristika von GaAs MOS-Dioden zeigen, die nach der erfindungsgmäßen Verfahrensweise hergestellt wurden.
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Die Figuren 2 und 3 sind jeweils graphische Darstellungen, die die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristika von GaAs MOS-Dioden zeigen, hergestellt durch Beenden der anodischen Oxidation bei verschiedenen Spannungen von den für die Herstellung der Dioden verwendeten, die in der Figur 1 gezeigt wurden.
Im folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Film aus Aluminium mit einer gewünschten Dicke durch Vakuumverdampfen auf der Oberfläche eines GaAs-Substrats oder einer Halbleiterschicht, die in geeigneter Weise oberflächenbehandelt wurden, abgelagert. Die Dicke des Aluminiumfilms kann in Abhängigkeit von der Bemessung (Schwellenspannung) der in Betracht gezogenen Schaltung bestimmt werden und beträgt gewöhnlich etwa 10,0 bis 300,0 nm (etwa 100 bis 3000 S).Zur Bildung eines Isolators wird das Aluminium anschließend in ein Oxid umgewandelt, durch eine Methode, wie die anodische Oxidation in einem Elektrolyten. In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung sicherzustellen, daß die anodische Oxidation sich genau an die Grenzfläche zwischen GaAs und Aluminium erstreckt, so daß das Aluminium vollständig eloxiert bzw. anodisch oxidiert ist und das GaAs nicht. Es ist allgemein bekannt, daß, wenn die Bedingungen für die anodische Oxidiation, z. B. die Eloxierungs -Stromdichte, die Art der Elektrolyte usw., gleichbleiben, die Dicke des Aluminiumoxidfilmsproportional zu der Anodenspannung ist und daß es daher möglich ist, die Dicke des Oxidfilms durch Variieren der Anodenspannung zu steuern. Dieses Prinzip kann verwendet werden zur Steuerung des Ausmasses der anodischen Oxidation, so daß sie an der Grenzfläche aufhört. Abschließend werden das GaAs und das Aluminiumoxid wärmebehandelt. So kann eine MOS-Diode mit einer sehr geringen Grenzflächen-Zustandsdichte erhalten werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur genaueren Erläuterung der Erfindung.
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Ein GaAs-Substrat, enthaltend GaAs vom p-Typ mit einer Träger-
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konzentration von 6,6 χ 1O cm wurde in üblicher Weise entfettet, und seine Oberfläche wurde einer Ätzbehandlung unterzogen. Auf der Oberfläche des Substrats wurde durch Vakuumverdampfen ein Film aus Aluminium mit einer Dicke von 80,0 um (800 S) abgeschieden. Anschließend wurde der Aluminiumfilm in einer gemischten Lösung von Weinsäure, üthylenglykol und Wasser anodisch oxidiert bzw. eloxiert, wodurch das Aluminium unter Bildung eines Isolators in Aluminiumoxid umgewandelt wurde. Die Eloxierung bzw. die anodische Oxidation wurde bei Ϊ25 Volt beendet, um sicherzustellen, daß nur das Aluminium anodisch ■ oxidiert bzw. eloxiert ist. Die anodische Oxidation wurde mit einer Stromdichte von 3 mi
Stromquelle durchgeführt.
einer Stromdichte von 3 mA/cm unter Anwendung einer konstanten
Das Substrat, auf dem das Aluminiumoxid ausgebildet worden war, wurde dann 30 min bei 4000C in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Es wurde gefunden, daß, obwohl die gewünschte Wärmebehandlungstemperatur von der Wärmebehandlungszeit abhängt, Wärmebehandlungstemperaturen unter 3000C während 30 min zu einer Grenzflächen-Zustandsdichteführten,die so hoch war, daß keine Inversion stattfinden konnte. Es wurde auch gefunden, daß,falls die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von höher als 500°C durchgeführt wurde, der isolierende Film eine niedrige dielektrische Durchschlagspannung aufwies. So liegt der praktisch günstige Bereich für die Wärmebehandlungstemperaturen bei etwa 300°C bis etwa 5000C.
Aluminium wurde auf dem Aluminiumoxid durch eine Metallmaske abgelagert, unter Bildung einer Elektrode, und ein Film von AuGeNi wurde an der hinteren Oberfläche des Substrats abgelagert, wodurch eine MOS-Diode hergestellt wurde. Die Kapazität s-Spannungs-Charakteristika wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in der Figur 1 dargestellt, in der die Achse der Abszisse die angelegte Spannung anzeigt, während die Ordinatenachse die Kapazität bezeichnet. Wie in der Graphik der Figur
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1 dargestellt, hatten die Kapazitäts-Sparmungs-Charakteristika der MOS-Diode, die erfindungsgemäß hergestellt wurde,'eine niedrige Hysterese bei jeder untersuchten Frequenz (d. h. 5 Hz,. 50 Hz, 500 Hz, 5 KHz und 50 KHz in der Figur ΐ) und große Änderungen in der Kapazität mit der angelegten Spannung, was auf eine extrem niedrige Grenzflächen-Zustandsdichte schliessen läßt. Darüber hinaus näherte sich die Kapazität der MOS-Diode dem Niveau der Kapazität des Isolators bei niedrigen Frequenzen bei Anwendung einer Spannung in der Durchlaßrichtung. Dies zeigt deutlich das Auftreten einer Inversion.
Die Figuren 2 und 3 zeigen die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristika von MOS-Dioden, die unter den gleichen Bedingungen, wie vorstehend, beschrieben, hergestellt wurden, wobei jedoch die anodische Oxidation bei einer Anodenspannung von 85 V bzw. 150 V beendet wurde. Die Figur 2 zeigt keine wesentliche Änderung der Kapazität, da die Spannung der anodischen Oxidation bzw. der Eloxierung so gering war, 85 V, daß sie das Aluminium nicht vollständig oxidieren konnte und so metallisches Aluminium sandwichartig zwischen dem isolierenden Film und dem Halbleiter verblieb. Daher sind MOS-Dioden mit den in der Figur 2 gezeigten Charakteristika als Feldeffekt-Transistoren oder dgl. unbrauchbar. Die Figur 3 zeigt keine Zunahme der Kapazität bei einer beliebigen niedrigen Frequenz und somit keine Charakteristika, die auf eine Inversion schließen lassen, aufgrund der übermäßigen anodischen Oxidation von GaAs, die durch die zu hohe anodische Oxidationsspannung bwz. Eloxxerungsspannung bewirkt wurde.
Wie aus dem vorstehenden ersichtlich ist, ist die zeitliche Bemessung für die Beendigung der anodischen Oxidation erfindungsgemäß von großer Bedeutung. Es ist nur möglich, einen isolierenden Film mit einer niedrigen Grenzflächen-Zustandsdichte zu erhalten, wenn die anodische Oxidation genau bis zu dem Punkt durchgeführt wird, an dem das gesamte Aluminium vollständig oxidiert ist. Jedoch haben Untersuchungen gezeigt,
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daß es selbst, wenn das GaAs etwas oxidiert ist, möglich ist, einen isolierenden Film mit einer ausreichend niedrigen Grenzflächen-Zustandsdichte zu erzielen, der das Auftreten einer Inversion ermöglicht, vorausgesetzt, daß die anodische Oxidation bzw. Eloxierung bei einer Spannung von nicht mehr als
1,1 fach höher als die Spannung beendet wird, bei der das gesamte Aluminium vollständig oxidiert ist. Die Beendigung der Oxidation des Aluminiumfilms wird leicht bestimmt. Da Aluminium und GaAs unterschiedliche Geschwindigkeiten für die anodische Oxidation aufweisen, tritt beim Auftrag der Spannung für die anodische Oxidation bzw. Eloxierung in bezug auf die Zeit, unter Verwendung eines Aufzeichnungsgeräts, eine plötzliche Änderung bei der Beendigung der vollen Oxidation des Aluminiums auf. Dementsprechend ist es leicht, den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem das Aluminium völllig oxidiert ist.
Die Beendigung der vollständigen Oxidation des Aluminiums kann auch optisch bestimmt werden. Da Aluminium und GaAs unterschiedliche Grade für das Oberflächen-Reflexions-Vermögen aufweisen, ist keine Interferenzfarbe sichtbar, wenn nicht oxidiertes Aluminium unter dem Oxidfilm verbleibt, wohingegen eine Interferenzfarbe sichtbar ist, wenn GaAs direkt unter dem Oxidfilm belichtet wird. Daraus folgt, daß die vollständige Oxidation erzielt ist, wenn eine derartige Interferenzfarbe sichtbar geworden ist. Daher ist es überraschend leicht, die anodische Oxidation auf ihre Beendigung hin genau zu steuern.
Erfindungsgemäß ist es grundlegend von Bedeutung, sicherzustellen, daß das auf dem GaAs abgeschiedene Aluminium völlig anodisch oxidiert bzw. eloxiert wird, bis zu seiner Grenzfläche mit dem GaAs. So kann das Ziel der Erfindung in gleicher Weise nach beliebigen anderen Eloxierungsmethoden bzw. anodischen Oxidationsmethoden durchgeführt werden, wie die anodische Oxidation in einem Plasma von Sauerstoff, vorausge-
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setzt, daß die anodische Oxidation bzw. Eloxierung an der Grenzfläche beendet wird.
Es versteht sich, daß die vorstehenden Beispiele zur Erläuterung der Erfindung dienen , ohne sie zu beschränken.
Die Erfindung betrifft somit insbesondere die Bildung eines isolierenden Films auf einem Halbleitersubstrat/ die darin besteht, Aluminium auf GaAs durch Vakuumverdampfen abzuscheiden, das Substrat der anodischen Oxidation zu unterziehen, bis das Aluminium vollständig oxidiert ist, und das Substrat, welches das oxidierte Aluminium trägt, einer Wärmebehandlung zu unterziehen.
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e e r s e

Claims (9)

  1. 3044S61
    PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
    H. KINKELDEY W. STOCKMA1R
    DR.-IMj. AeECALTBXl
    K. SCHUMANN
    Dd P£R 1*4T - OPt. - PHVS
    P. H. JAKOB G. BEZOLD
    CK. Pol NAT OPL-OtM
    8 MÜNCHEN
    MAXIMILIANSTRASSE
    SUMITOMO EIECTEIC INDUSTRIES, LTD. p 15
    No. 15 5 Kitahama 5-cliome, Higashi-ku
    Oaalca-Shi, Osaka, Japan " 28" »Pvember 1980
    Verfahren zur Bildung eines isolierenden Films auf einem Halbleitersubstrat und die dabei erhaltenen
    Produkte
    Patentansprüche
    Verfahren zur Bildung eines isolierenden Films auf einem Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß man
    Aluminium auf einem GaAs-Substrat durch Vakuumverdampfen abscheidet;
    das Aluminium einer anodischen Oxidation unterzieht, bis das Aluminium voll oxidiert ist; und
    das das oxidierte Aluminium tragende Substrat einer Wärmebehandlung unterzieht.
    130038/0621
    TELEFON (Ο8Θ) 32 28 62 TELEX 05-39 380 TELEGRAMM= MONAPAT TELEKOPIERER
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 300 C bis etwa 500 C in einer Stickstoffatmosphäre durchführt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur von etwa 400°C arbeitet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem GaAs abgelagerte Aluminium eine Filmdicke von 8O nm (800 S) aufweist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die anodische Oxidation in einer gemischten Lösung von
    Weinsäure, Äthylenglykol und Wasser durchführt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1,4 und 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß man-die anodische Oxidation durchführt, bis eine Eloxierspann
    sind.
    spannung von 125 V und eine Stromdichte von 3 mA/cm erreicht
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Aluminium oxidiert, ohne das GaAs wesentlich zu oxidieren.
  8. 8. Halbleitervorrichtung, hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 1.
  9. 9. MOS-Feldeffekt-Transistor, enthaltend ein GaAs-Substrat, auf dessen Oberfläche eine Aluminiumschicht im Vakuum abgeschieden wurde, die anschließend durch anodische Oxidation voll oxidiert und wärmebehandelt wurde, und eine Aluminiumelektrode.
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DE19803044961 1979-11-28 1980-11-28 Verfahren zur bildung eines isolierenden films auf einem halbleitersubstrat und die dabei erhaltenen produkte Withdrawn DE3044961A1 (de)

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