DE69019270T2 - Plasma-Bearbeitung von III-V-Halbleitern, gesteuert bei Photolumineszenz-Spektroskopie. - Google Patents

Plasma-Bearbeitung von III-V-Halbleitern, gesteuert bei Photolumineszenz-Spektroskopie.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Passivieren der Oberfläche eines III-V-Halbleiters.
  • Echtzeit in situ Diagnoseverfahren, wie z.B. die optische Emissionsspektroskopie und die Laserinterferometrie, haben sich sowohl für die Steuerung als auch für die Entwicklung von Plasmaverfahren als wertvoll erwiesen. Diese Methoden sind insbesondere zur Bestimmung der Geschwindigkeit und des Endpunktes weit verbreitet. Durch die Entwicklung bei der Verarbeitung von Bauelementen von einer staubfreien Reinraumverarbeitung zur in situ Verarbeitung in einer Mehrstufenkammer nimmt der Bedarf an einer in situ Überwachung weiter zu. Neben einer Überwachung des Endpunktes und der Geschwindigkeit ist eine Überwachung der unmittelbar mit der Leistungsfähigkeit der Bauelemente korrelierten Wafereigenschaften erforderlich, um die Prozeßparameter optimieren und steuern zu können.
  • Die Anwendung der Photolumineszenzspektroskopie zur Überwachung von Materialeigenschaften während einer Plasmabearbeitung, d.h. zur Bestimmung des Endpunktes, ist wegen der folgenden Gründe besonders vorteilhaft: 1.) Große Quantenausbeuten ermöglichen bei einem intensiven Plasmaglühen eine genaue Bestimmung; 2.) die Quantenausbeute hängt von der Oberflächenzustandsdichte ab und ist mit der Leistungsfähigkeit der Bauelemente korreliert; 3.) das Photolumineszenzspektrum ist materialspezifisch, 50 daß die Wellenlängendifferenzierung zur Endpunkterfassung verwendet werden kann; und 4.) die spektrale Photolumineszenzpeaklage kann zur Überwachung der Wafertemperatur verwendet werden.
  • Das Plasmaätzen von TTT-V-Verbindungshalbleitern ist für eine Reihe von Bauelementanwendungen wichtig. Das Ätzen sollte im allgemeinenein anisotrop, selektiv, gleichmäßig und beschädigungslos erfolgen. Obwohl es oft schwierig ist, diese Eigenschaften gleichzeitig zu realisieren, und normalerweise Kompromisse erforderlich sind, können sowohl die chemischen Plasmaverfahren als auch die Plasmadiagnoseverfahren so überwacht werden, daß sich die gewünschten Resultate ergeben. Bei der Herstellung von Infrarotdetektoren ist beispielsweise ein Detektor zur Erfassung des Endpunktes oder eine Stoppschicht für das Ätzen (oder beides) erforderlich, um beispielsweise das AlGaAs entfernen zu können, ohne daß dabei ein Teil des GaAs- Substrates mit entfernt wird. Man kann zwar eine Stoppschicht für das Ätzen aus InGaAs verwenden, hierdurch nimmt jedoch die Komplexität des epitaktischen Wachstums zu. Bei einer Endpunkterfassung mittels Photolumineszenz, bei der zwischen AlGaAS und GaAs unterschieden wird, erübrigt sich eine Stoppschicht für das Atzen.
  • Bei selbstjustierenden Heterostruktur- Feldeffekttransistoren (HFETS) wird GaAs von AlGaAS entfernt, wobei durch eine sorgfältige Auswahl der Zusammensetzung des Plasmagases ein natürlicher Ätzstopp erzeugt wird. In diesem Fall ist es jedoch wichtig, die plasmainduzierten Schäden, welche die Schwellenspannung eines Bauelementes verändern, zu minimieren. Durch eine plasmainduzierte Oberflächenfehlstellenbildung können auch nachfolgende Verarbeitungsschritte, wie z.B. ein epitaktisches Nachwachsen oder eine Metallisierung, nachteilig beeinflußt werden. Die Photolumineszenzüberwachung von Beschädigungen kann daher zur Entwicklung von Methoden führen, durch welche die Beschädigungen entweder minimiert oder ganz beseitigt werden.
  • Die Verwendung der Photolumineszenz zur Bestimmung des Endpunktes beim Plasmaätzen bei III-V-Heterostrukturen wird ausführlich in dem US-Patent 4 714 130 beschrieben. Dieses Patent lehrt ein Verfahren zum Erfassen des Endpunktes, an dem eine Schicht aus einer III-V- Zusammensetzung vollständig bis zu einer Substratschicht aus einer anderen III-V-Zusammensetzung durchgeätzt ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird dies durch Erfassung des Punktes erreicht, an dem die Photolumineszenz des Substrates einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Dieser Schwellenwert wird empirisch festgelegt.
  • Die US-A-4 377 436 offenbart, daß der Endpunkt beim plasmaunterstützten Ätzen durch die Beendigung oder den Beginn einer durch ein Reaktionsprodukt beim Ätzen entstehenden räumlich begrenzten Lumineszenz angezeigt wird. Die Sensitivität des Systems wird durch einen optisch fokussierten Detektor gefördert, der eine Fluoreszenz selektiv nachweist, die mit einer oder mit mehreren lithographischen Eigenschaften verbunden ist.
  • Das Materials Science Forum, Band 10-12, Seiten 579-583, 1986 und J. Weber et al., "Photoluminescence Detection of the Shallow Impurity Neutralizsation of GaAs", Seiten 579, 580, offenbaren, daß die Neutralisation oberflächlicher Verunreinigungen in GaAs durch atomaren Wasserstoff durch Tieftemperatur- Photolumineszenzspektroskopie überwacht werden kann. Die verringerte Donatorkonzentration nach der Wasserstoffplasmabehandlung führt zu einer Verringerung in der Intensität der donator-spezifischen optischen Übergänge. Während die Gesamtphotolumineszenzintensität der akzeptorspezifischen Übergänge zunimmt, verändern sich die relativen Intensitäten der mit den verschiedenen Akzeptorarten verknüpften Lumineszenzlinien. Dieses Verhalten zeigt eine schwache Neutralisation gerade der Oberflächenakzeptoren (shallow acceptors) in GaAs angezeigt.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen.
  • Es hat sich gezeigt, daß eine induzierte Photolumineszenz aus III-V-Halbleitern für eine verbesserte Steuerung von zeitabhängigen Plasmaverfahren verwendet werden kann. Es hat sich gezeigt, daß sich die Photolumineszenz behandelter Oberflächen unter bestimmten Bedingungen stark verringert, und daß der scharfe Abfall als präziser Indikator für den Endpunkt des Verfahrens verwendet werden kann. Es hat sich auch gezeigt, daß das Maximum der Photolumineszenz bei Oberflächenpassivierungsprozessen, wie z.B. bei einer Passivierung mittels eines Wasserstoffplasmas, den Beginn von Oberflächenbeschädigungen anzeigt. Setzt man die Oberfläche weiter dem Wasserstoffplasma aus, was bisher als harmlos angesehen wurde, verschlechtert sich der Zustand der Oberfläche sogar soweit, daß die Oberflächenschäden den Zustand vor Beginn des Verfahrens erreichen oder diesen Zustand sogar noch übertreffen. Der Endpunkt dieses Verfahrens ist dann erreicht, wenn die Photolumineszenzintensität abnimmt, d.h. im Maximum des Photolumineszenzsignals.
  • Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird der Endpunkt durch das Photolumineszenzsignal selbst bestimmt. Er ist nicht abhängig von vorbestimmten Schwellenwerten, dis empirisch oder sonstwie festgelegt werden. Durch ein genaues Verständnis des Photolumineszenzprozesses in III-V- Halbleitermaterialien und durch die Entdeckung unerwarteter Photolumineszenzphänomene in diesen Materialien wird es möglich, die Prozeßparameter durch das Photolumineszenzsignal genau festzulegen.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Arten von Proben verwendet: ein halbisolierendes (SI) GaAs- Substrat und ein SI GaAs-Substrat mit epitaktisch aufgewachsenen Schichten aus Al0.3Ga0.7As (1um) und GasAs (10 nm), die mittels eines metalloragnischen, chemischen Aufdampfungsverfahrens abgeschieden wurden.
  • Die experimentelle Anordnung entspricht der Anordnung, die kürzlich für optogalvanische Photoemissionsdiagnosemessungen verwendet wurde (siehe S.W. Downey, A. Mitchell und R.A. Gottscho, Journal of Applied Physics, 63, 5280, 1981). Die Photolumineszenz wird mittels eines p-polarisierten Laserstrahls aus einem gepulsten N&sub2;- Farbstoffpumplaser erzeugt, der unter einem Winkel von etwa 80º zur Normalen einfällt. Die Pulsenergie des Lasers beträgt typischerweise 260 uJ bei einer Wellenlänge von 504 nm. Das Laserlicht wird schwach auf die Probe fokussiert, so daß die Größe des Lichtfleckes etwa 0,15 cm² beträgt. Die Photolumineszenzstrahlung wird gesammelt, kollimiert und anschließend auf den Eingangsspalt eines mit einer Photomultiplierröhre (photomultiplier tube = PMT) versehenen Abtastmonochromators oder eines mit einer gesteuerten, verstärkten Diodenanordnung versehenen Spektrographen fokussiert. Das Ausgangssignal des Photomultipliers wird mittels eines gesteuerten Integrators überwacht, während die Diodenanordnung an einen Mittelwertbildner für das Signal angeschlossen ist. Der gesteuerte Integrator und der Mittelwertbildner sind an einen Mikrocomputer angeschlossen.
  • Eine Anordnung mit einem gepulsten Laser ist einer kontinuierlichen Anregung vorzuziehen, da sich das Photolumineszenzsignal linear mit der Pulsenergie des Lasers verändert (von 10 bis 300 uJ). Durch kurze Pulse hoher Intensität und eine gesteuerte Detektion wird daher das Plasmahintergrund- oder Restglühen beseitigt. Zusätzlich hierzu wird durch einen gepulsten Laser mit einem niedrigen Tastverhältnis weniger Energie in die Probe eingebracht, wodurch das Aufheizen und die Photodegradation minimiert wird.
  • Die Proben werden in einer kapazitiv gekoppelten Planarplasmaätzanlage verarbeitet. Kurz ausgedrückt werden ein dreiarmiges (six-way) Pyrexkreuz aus anodisiertem Al mit einem Durchmesser von 7,6 cm und wassergekühlte Elektroden bei einem Zwischenraum von 3 cm verwendet. Der Wafer ist geerdet, während die obere Elektrode über ein pi- Anpassungsnetzwerk mit einer 13 MHz Spannungsversorgung verbunden ist. Die Leistungsmessungen erfolgen durch Multiplikation der Strom- und Spannungswellenformen. Zum Ätzen werden 5 sccm BCl&sub3; bei einem Druck von 21 Pa (160 mtorr) und einer Leistung von 20-25 W verwendet. Zur Schädigungspassivierung werden 5 sccm H&sub2; bei einem Druck von 67 pa (500 mTorr) und einer Leistung von 4-6 W verwendet.
  • Einfach Ausdrücke, durch welche sich die Al0.3Ga0.7As und die GaAs-Photolumineszenzintensitäten aus der Al0.3Ga0.7As-Schichtdicke beim Ätzen bestimmen lassen, lassen sich durch die folgenden Annahmen ableiten: 1.) Flachbandbedingungen; 2) konstante Quantenausbeute; 3.) konstanter Reflexionsgrad an der Al0.3Ga0.7As- Plasmagrenzschicht und vernachlässigbarer Reflexionsgrad an der Al0.3Ga0.7As-Grenzschicht; und 4.) vernachlässigbare Photolumineszenzabsorption in dem GaAs-Substrat oder in der epitaktischen Al0.3Ga0.7As-Schicht. Für Al0.3Ga0.7As ergibt sich bei einer Wellenlänge von 667 nm eine Photolumineszenz von
  • und von
  • Ie( ) = 0 für ≥ 1
  • Ie ( ) ist hierbei die Photolumineszenzintensität als Funktion der normierten Ätztiefe =x/de, Ie&sup0; ist die Photolumineszenzintensität zu Beginn, αe ist der Absorptionskoeffizient und de ist die anfängliche Al0.3Ga0.7As-Schichtdicke. Der Index e bezieht sich auf die epitaktische Al0.3Ga0.7As-Schicht Für das GaAs-Substrat ergibt sich bei 868 nm eine Photolumineszenz von:
  • für < 1
  • und von
  • für &ge; 1,
  • Der Index s bezieht sich auf das SI GaAs-Substrat, während sich auf die GaAs-Endphotolumineszenzintensität bezieht, wenn keine Beschädigungen vorhanden sind (Flachbandbedingungen) bezieht.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Fig. 1 bis 3 zeigen die zur Steuerung des zeitabhängigen Plasmaverfahrens verwendeten induzierten Photolumineszenzmaxima.
  • In Fig. 1 sind die Daten für das gerade beschriebene Ätzverfahren dargestellt. Bei den gestrichelt eingezeichneten Kurven handelt es sich um Photolumineszenzintensitäten, die unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2 mit Ie&sup0; = 2,1, I&infin; = 4,43 und &alpha;ede = 2 berechnet wurden. Bei 1 um dicken Al0.3Ga0.7As-Schichten liegen die typischen Ätzzeiten in Abhängigkeit von der Probengröße zwischen 10 und 25 Minuten. Die beobachteten Veränderungen der Photolumineszenzintensität sind in Fig. 1 als durchgezeichnete Kurven dargestellt. Im Unterschied zu dem auf den oben angegebenen einfachen Annahmen basierenden, erwarteten Verhalten nimmt die Photolumineszenz von Al0.3Ga0.7As rascher ab und verschwindet bereits vor dem Endpunkt vollständig. Diese Abnahme kann teilweise auf eine Trägerinjektion und auf ein Einfangen in dem darunterliegenden GaAs zurückzuführen sein. Die Photolumineszenz von GaAs nimmt anfänglich exponentiell zu, weicht jedoch von der vorhergesagten Kurve ab dem Punkt ab, an dem die Al0.3Ga0.7As-Photolumineszenz vernachlässigbar wird. Wenn die Al0.3Ga0.7As-Schicht beseitigt ist, nimmt sie schließlich sehr stark ab.
  • Die Unterschiede zwischen den beobachteten und den vorhergesagten Werten stehen in Einklang mit den Abweichungen von der Flachbandbedingung, die durch plasmainduzierte Schädigungen hervorgerufen werden. Die Photolumineszenzintensität nimmt durch Oberflächenzustände, die dadurch hervorgerufen werden, daß die Proben dem Plasma ausgesetzt sind, auf zwei Arten ab: 1.) Geladene Oberflächenzustände können eine Bandverbiegung und ein starkes elektrisches Feld im Probenvolumen induzieren, das die Elektronen-Loch-Paare voneinander trennt und die Rekombinationsgeschwindigkeit der strahlenden Rekombination verringert. 2.) Die strahlungslose Rekombination kann durch Defekte gesteigert werden. Aus den Daten ergibt sich, daß die Dunkelraumschicht die Al0.3Ga0.7As-Schicht zu umgeben und in das darunterliegende GaAs einzudringen scheint, wenn eine noch etwa 0,3 um dicke Al0.3Ga0.7As-Schicht übrig ist. Am Endpunkt ist die GaAs-Oberfläche unmittelbar dem schädigenden, ätzenden Plasma ausgesetzt und die Photolumineszenzintensität nimmt stark ab.
  • Infolge der Bildung von Ga- und As-Oxid und der Ansammlung von elementarem As, das eine höhere Oberflächenzustandsdichte erzeugt, zeigen unbeschichtete GaAs-Oberflächen eine geringere Photolumineszenzausbeute als GaAs-Oberflächen, die mit AlGaAs beschichtet sind. Für das Entfernen dieser Schicht bei 200ºC wurde multipolares H2- Plasma verwendet. Nach dem Nitrieren ergab sich eine höhere Photolumineszenzausbeute und eine bessere MESFET-Leistung. Es hat sich gezeigt, daß sich das Ferminiveau an der Oberfläche von n-leitendem GaAs durch Verwendung von H&sub2;- und N&sub2;- Hochfrequenzplasmen entpinnen läßt. Die Behandlung von InP- Oberflächen mit H&spplus;-Ionen führt bei einer ex situ- oder Fernüberwachung zu einer entsprechenden Zunahme der Photolumineszenzintensität. Sowohl bei InP als auch bei GaAs führt die Behandlung mit aktiviertem Wasserstoff vermutlich zu einer Verringerung der Eigenoxide und zu einer Kompensation von nicht-paarigen losen Bindungen, welche die Elektronen-Loch-Rekombination erleichtern.
  • Fig. 2 zeigt die Echtzeitzunahme der GaAs- Photolumineszenzintensität, wenn das SI GaAs zuerst bei 25ºC einem H&sub2;-Plasma ausgesetzt wird. Bei einem Andauern der H&sub2;- Plasmabehandlung wird die Oberfläche beschädigt und die Photolumineszenzausbeute nimmt rasch ab (durchgezogene Linie in Fig. 2). Wenn das Plasma im Maximum der Kurve abgeschaltet wird (gestrichelt dargestellte Kurve in Fig. 2), nimmt die Photolumineszenzintensität sehr viel langsamer ab. Wenn die Probe noch einmal dem Plasma ausgesetzt wird, nimmt die Photolumineszenz wieder zu und bleibt für 24 Std. konstant, obwohl der Basisdruck in diesem System lediglich 0,07 Pa (0,5 mTorr) beträgt. Selbst wenn die passivierten Proben für zumindest 8 Tage Luft ausgesetzt werden, bleibt die Photolumineszenzintensität mit einer Abweichung von weniger als 10% auf dem erhöhten Niveau. Diese Ergebnisse zeigen den Wert einer Echtzeitüberwachung bei der Optimierung der Waferverarbeitungszeit.
  • Fig. 3 veranschaulicht einen Verfahrensablauf bei der Ätz-Passivierung. Nach dem Entfernen einer 1 um dicken Al0.3Ga0.7As-Schicht wird das beschädigte GaAs-Substrat passiviert, indem es bei Raumtemperatur kurz einem H&sub2;-Plasma ausgesetzt wird.
  • Wie oben bereits angedeutet wurde, basiert ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf der technologischen Anwendung von scharfen Übergängen in der von einer III-V- Halbleiteroberfläche induzierten Photolumineszenz bei der Herstellung von Wafern. Im Falle des Maximums kann es erforderlich sein, daß man auf schwach ausgeprägte Umschlagoder Wendepunkte, bei denen es sich nicht um richtige Endpunkte, sondern um Artefakte handelt, achten muß. In Fig. 1 tritt beispielsweise vor dem tatsächlichen Endpunkt eine deutliche Biegung in der Photolumineszenzkurve auf. Es ist zu erwarten, daß dieses kleinere Maxima relativ zuverlässig mit dem tatsächlichen Endpunkt korreliert und als Steuerungspunkt für das Verfahren verwendet werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren jedoch fortgesetzt, bis ein Abfall in der Lumineszenz von zumindest 50% gemessen wird. Hierdurch wird ein vorzeitiger Abbruch des Verfahrens aufgrund von kleinen Veränderungen während des Ätzens vermieden.
  • Bei dem Passivierungsprozeß verhält sich die Photolumineszenzantwort etwas anders. Die Photolumineszenz durchläuft kurz vor dem Maximum einen scharfen Übergang. Als Indikator für das Maximum dient daher nicht ein Wendepunkt, sondern ein stufenförmiger Anstieg der Photolumineszenz. Das Maximum zeigt auf jeden Fall das Verfahrensstadium an, welches den Steuerpunkt festlegt, unabhängig davon, ob der Anstieg, das Maximum oder der Abfall als Auslöser oder als Steuerimpuls verwendet wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Passivierung der Oberfläche eines III-V- Halbleiters umfassend
das Aussetzen der Oberfläche einem Wasserstoffplasma für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um die Oberfläche zu passivieren,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer durch ein gemessenes Maximum der induzierten Photolumineszenz von der Oberfläche festgestellt wird, während die Oberfläche dem Wasserstoffplasma ausgesetzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei welchem das Wasserstoffplasma durch elektrische Leistung erhalten wird und die Zuführung elektrischer Leistung in Antwort auf das gemessene Maximum der induzierten Photolumineszenz beendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Photolumineszenz durch Richten eines Strahls von Strahlung auf die Oberfläche induziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Strahl von Strahlung ein Laserstrahl ist.
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