Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 16, Numéro 8, août 1981
Page(s) 419 - 424
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:01981001608041900
Rev. Phys. Appl. (Paris) 16, 419-424 (1981)
DOI: 10.1051/rphysap:01981001608041900

Plasma anodization of silicon at room temperature

P. Dimitriou et S. Gourrier

Laboratoires d'Electronique et de Physique Appliquée, 3, avenue Descartes, 94450 Limeil Brevannes, France


Abstract
Room temperature plasma anodization of silicon (growth rate of a few nm/min.) is possible through a thin calcia stabilized zirconia (CSZ) layer. The anodization kinetics, the composition and the electrical properties of the anodic SiO 2 films are studied. Constant voltage or low current anodization lead to quasi defect free films with reduced surface roughness. The dielectric breakdown field of as grown SiO2 is about 5 x 106 V/cm. The minimum of density of traps at the SiO2/Si interface is in the 1010-1011 cm-2. eV-1 range after hydrogen annealing at 470 °C for 30 min. This is comparable to high temperature (above 400 °C) plasma grown SiO2. The protective filter effect of the CSZ against contamination has also been demonstrated. In addition, thick (above 0.3 μm) SiO2 layers can be obtained in a reasonable time (about 30 min.) at moderate temperatures.


Résumé
L'anodisation plasma à température ambiante du silicium (vitesses de croissance de quelques nm/min.) est possible à travers une couche de zircone stabilisée à la chaux (CSZ). La cinétique d'anodisation, la composition, l'aspect et les propriétés électriques des films de SiO2 ainsi obtenus sont décrits dans cet article. Des couches de silice présentant un minimum de rugosité et de défauts structurels sont obtenues par anodisation à tension constante ou à faible courant. Le champ de claquage est environ 5 x 106 V/cm. Un recuit en hydrogène à 470 °C pendant 30 min. amène la densité d'états à l'interface SiO 2/Si dans la gamme 1010-1011 cm-2.eV -1. La silice obtenue par anodisation plasma à plus haute température (au-dessus de 400 °C) présente des propriétés analogues. La zircone stabilisée joue en plus un rôle protecteur contre les contaminations de l'oxyde. Enfin, il est possible d'obtenir des couches de silice épaisses (plus de 0,3 μm) dans des temps raisonnables (30 min.) à température modérée (200 °C).

PACS
6855 - Thin film growth, structure, and epitaxy.
7340L - Electrical properties of semiconductor to semiconductor contacts, p n junctions, and heterojunctions.
7360F - Electronic properties of semiconductor thin films.
7750 - Dielectric breakdown and space charge effects.
8160C - Surface treatment and degradation in semiconductor technology.
8160D - Surface treatment and degradation of ceramics and refractories.
8245 - Electrochemistry and electrophoresis.
8265J - Heterogeneous catalysis at surfaces and other surface reactions.

Key words
anodisation -- anodised layers -- electric breakdown of solids -- electrical conductivity of crystalline semiconductors and insulators -- electron traps -- elemental semiconductors -- silicon -- silicon compounds -- room temperature -- kinetics -- composition -- electrical properties -- anodic SiO sub 2 films -- quasi defect free films -- surface roughness -- dielectric breakdown field -- density of traps -- protective filter effect -- Si plasma anodisation -- CaO stabilised ZrO sub 2 -- CSZ