DE69029014T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur OberflächenbehandlungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1, das dazu geeignet ist, in einer an der Oberfläche eines Halbleiter-Bauteils vorhandenen Isolierschicht verursachte Schäden zu beseitigen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
- Es ist bekannt, daß bei der Oberflächenbehandlung eines Halbleiters unter Verwendung infolge der Bestrahlung des Halbleiters mit energiereichen, beispielsweise in Plasmen erzeugten, Teilchen in dem Isolierfilm des Halbleiter-Bauteils verschiedene Schäden hervorgerufen werden. Zur Beseitigung dieser Schäden wurde ein Verfahren zum Ausheilen des Halbleiters nach der Oberflächenbehandlung eingeführt.
- Schäden im Isolierfilm werden hauptsächlich durch Löcher hervorgerufen, die bei der Oberflächenbehandlung infolge verschiedener in eine Probe eingestrahlter Teilchen in den Isolierfilm hervorgerufen werden. Mit den verschiedenen Teilchen sind Elementarteilchen, wie Ionen, Neutronen, Elektronen, Photonen oder Mesonen, gemeint. Die Löcher werden nahe der Oberfläche des Isolierfilms erzeugt. Wenn die Löcher, nachdem sie so erzeugt wurden, durch den Isolierfilm wandern und an oder nahe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat eingefangen werden, werden hierdurch Veränderungen (Schäden) der Eigenschaften des Bauteils, wie der Verschiebung der Schwellenspannung, des elektrischen Durchbruchs, der Verringerung der Lebensdauer von Minoritätsträgern usw. hervorge rufen.
- Werden die Löcher an oder nahe der Grenzschicht einge fangen, so erzeugen sie grenzschichtnahe oder Grenzschicht- Zustände oder rekombinieren mit thermisch angeregten Elektronen aus dem Substrat, wobei Photonen erzeugt werden, die die Bindungen des Kristallgitters an oder nahe der Grenzschicht aufbrechen und erneut grenzschichtnahe oder Grenzschicht-Zustände erzeugt werden. Es wird angenommen, daß die oben beschriebene Verschlechterung der Eigenschaften durch solche Mechanismen verursacht wird. Entsprechend können diese durch die Löcher erzeugten Schäden durch bloßes Ausheilen des Halbleiter-Bauteils nach der Oberflächenbehandlung nicht vollständig beseitigt werden.
- Folglich können Schäden verursacht werden, wenn bein Vorgang der Oberflächenbehandlung im Isolierfilm induzierte Löcher an oder nahe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfiln und dem Substrat eingefangen werden. Da das herkömmliche Verfahren und die herkömmliche Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung jedoch nicht dafür ausgelegt sind, zu verhindern, daß im Isolierfilm induzierte Löcher an oder nahe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat eingefangen werden, kann das Auftreten der oben beschriebenen Schäden nicht wirkungsvoll verhindert werden.
- EP-2 421 lehrt ein Verfahren zum Neutralisieren von bereits in der isolierten Gate-Elektrode eines MOS-Bauelements eingefangenen positiven Ladungen durch Injizieren von Elektronen in die isolierte Gate-Elektrode von der Seite des Substrats her.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung zu schaffen, durch die verhindert werden kann, daß im Laufe der Oberflächenbehandlung im Isolierfilm induzierte Löcher an oder nahe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat eingefangen werden.
- Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 dargelegte Erfindung gelöst.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in erhöhtem Maße verhindert werden, daß induzierte Löcher an oder nahe der Grenzschicht eingefangen werden, indem eine für eine Oberflächenbehandlung vorgesehene Halbleiterprobe bei einer Reihe von Vorgängen der Oberflächenbehandlung des Halbleiters vorher gekühlt wird, wozu auch die Durchführung eines solchen Verfahrens gehört.
- Elektronen werden bei niedriger Energie von außen in die Nachbarschaft der Oberfläche des Isolierfilms injiziert, nachdem die Löcher infolge der Oberflächenbehandlung nahe der Oberfläche des Isolierfilms erzeugt wurden und bevor die Löcher sich nahe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat bewegen, also während die induzierten Löcher noch nahe der Oberfläche des Isolierfilms vorhanden sind. Folglich rekombinieren die injizierten Elektronen mit den induzierten Löchern, so daß die Löcher neutralisiert werden.
- Zum Injizieren von energiearmen Elektronen in den Isolierfilm kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, bei dem ein Material auf die Oberfläche der Isolierschicht aufgebracht wird, das bei Bestrahlung mit Photonen Photoelektronen erzeugt, indem Photonen eingestrahlt und dadurch Photoelektronen erzeugt werden und indem die Photoelektronen in den Isolierfilm injiziert werden.
- Als dem gemäß der folgenden Erfindung zu behandelnden Gegenstand, dem Isolierfilm, kann ein Siliciumoxid-Film, ein Siliciumnitrid-Film oder ein Tantaloxid-Film erwähnt werden, die gewöhnlich zur Bildung von Halbleiter-Bauelementen verwendet werden, es gibt jedoch diesbezüglich keine besonderen Einschränkungen, und es können alle anderen in Frage kommenden Isolierfilme verwendet werden.
- Als Material zur Erzeugung von Photoelektronen können Verbundhalbleiter, wie Ag-O-Cs, Ga-As, Ga-Cs, In-Ga-As, Sb- Cs, Sb-Rb-Cs, Cs-Te, Cs-I usw. beispielsweise deswegen, weil sie eine gute Effizienz bei der Erzeugung von Photoelektronen aufweisen, genannt werden, und sie erzeugen Photoelektronen mit Photonen in einem Wellenlängenbereich der vom sichtbaren bis zum ultravioletten Bereich reicht.
- Wird die für die Oberflächenbehandlung vorgesehene Halbleiterprobe bei der Reihe von Oberflächenbehandlungsvorgängen, zu denen auch die Durchführung dieses Verfahrens gehört, vorher gekühlt, so bewegen sich in dem Isolierfilm induzierte Löcher infolge Diffusion nicht sofort von dem (nahe der Oberfläche gelegenen) Ort, an dem sie erzeugt wurden, zu dem Ort an nahe der Grenzschicht bezüglich des Substrats, da die Löcherbeweglichkeit bei Verringerung der Temperatur plötzlich abnimmt. Dementsprechend kann das Einfangen der Löcher nahe oder an der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat vollkommen verhindert werden, wenn in diesem Elektronen Zustand injiziert werden. Weiterhin werden die Löcher leicht eingefangen, da ihre thermische Bewegungsenergie in dem auf die oben beschriebene niedrige Temperatur abgekühlten Zustand sehr gering ist.
- Der Standard für die Kühltemperatur der Probe kann wie nachfolgend beschrieben festgelegt werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Löcher wird durch das Kühlen verringert, und, kurz gesagt, dürfen sich die im Isolierfilm induzierten Löcher nicht bis in die Nähe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat oder in diese hinein bewegen, bevor die Beseitigung oder Neutralisierung der Löcher stattgefunden hat. Dementsprechend kann die Probe so weit gekühlt werden, daß eine derartige Löcherbeweglichkeit erhalten wird, die die folgende Beziehung erfüllt:
- T&sub1; > T&sub2;,
- wobei T&sub1; eine Zeitdauer bezeichnet, die die Löcher nach dem Induzieren im Isolierfilm bei ihrer Bewegung durch den Isolierfilm benötigen, um an oder in die Nähe der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat zu gelangen, während T&sub2; eine Zeitdauer von der Induzierung der Löcher im Isolierfilm bis zur Ausführung eines der oben beschriebenen Verfahren zum Beseitigen der Löcher aus dem Isolierfilm oder zu ihrer Neutralisierung bezeichnet.
- T&sub2; beträgt bei der gewöhnlichen Oberflächenbehandlung etwa einige zehn Sekunden. Nimmt man beispielsweise an, daß als Isolierfilm ein Si0&sub2;-Film mit 100 nm Dicke verwendet wird und die Löcher sich ausschließlich durch die Diffusion bewegen, so beträgt T&sub1; bei einer Kühltemperatur unterhalb von 200 K etwa 10² s, wodurch die Bedingungen für die genannte Gleichung (1) ausreichend erfüllt werden können.
- Weiterhin besteht eine Möglichkeit, daß die Oberfläche des Isolierfilms infolge der Einwirkung der bei der Oberflächenbehandlung eingestrahlten Teilchen auf etwa +10 V aufgeladen wird. Da die induzierten Löcher in einem solchen Fall infolge des Aufladungspotentials in Richtung der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat treiben, wird T&sub1; verringert. Die Kühltemperatur wird gemäß der vorliegenden Erfindung auf weniger als 150 K verringert, so daß T&sub1; 10² s überschreiten kann.
- Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung;
- Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, in der die Temperaturabhängigkeit der Löcherbeweglichkeit in SiO&sub2; dargestellt ist;
- Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Teils einer Nachbehandlungsvorrichtung in der Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung;
- Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung gemäß eine Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Teils der Nachbehandlungsvorrichtung in der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung.
- Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
- In Fig. 1 ist ein Gesamtaufbau einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Plasmavorrichtung für eine Oberflächenbehandlung, eine Vorrichtung zum Entfernen von in einem Isolierfilm induzierten Löchern, wobei sich der Isolierfilm auf einer Oberfläche befindet, die für die Oberflächenbehandlung mit der Plasmavorrichtung vorgesehen ist, sowie ein Führungsrohr zum Verbinden der beiden Vorrichtungen.
- Bei der Vorrichtung mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird eine Mikrowelle aus einem Magnetron 1 zunächst über ein Hohlleiterrohr 2 in ein Entladungsrohr 3 geleitet. Ein für die Oberflächenbehandlung verwendetes Gas wird mittels einer Vakuumpumpe 10 über einen Gaseinlaß 6 von einem Gasbehälter 23 abgegeben und in ein Vakuumgefäß (Oberflächenbehandlungskammer) 5 eingeleitet, und es werden durch die in das Entladungsrohr 3 eingeleitete Mikrowellenleistung Plasmen erzeugt. Die erzeugten Plasmen werden durch das von einer Elektromagnetspule 4 erzeugte axiale Magnetfeld in einen Zustand hoher Dichte gebündelt. Eine Oberflächenbehandlung einer auf einem Probenhalter 8 angeordneten Probe 7 wird durch verschiedene von den Plasmen erzeugte Teilchen durchgeführt. In diesem Fall können die Probe 7 und der Probenhalter 8 durch einen Kühler 9 gekühlt werden.
- Bei der Oberflächenbehandlung unter Verwendung der Plasmen werden infolge der Einstrahlung der verschiedenen Teilchen aus den Plasmen Löcher in dem Isolierfilm der Probe 7 erzeugt, und in Fig. 2 ist die Beweglichkeit der so induzierten Löcher in dem Isolierfilm (in diesem Fall ein Si0&sub2;-Film) als Funktion der Temperatur der Probe dargestellt. Die graphische Darstellung wurde durch erneutes Auftragen von in einem Artikel aus der Literatur (R.C. Huges: Appl. Phys. Lett., Band 26, Nr. 8 (1975), S. 436) gezeigten Daten erhalten.
- Gemäß dieser Figur beträgt die Löcherbeweglichkeit in dem Si0&sub2;-Film bei einer absoluten Temperatur von 122 K beispielsweise 3,3 x 10²&sup4; m²/Vs, und die Bewegung der Löcher im Si0&sub2;-Film mit einer Dicke von 100 nm dauert etwa 10&supmin;&sup8; s, wobei angenommen wird, daß die Oberfläche des Films auf etwa +10 V aufgeladen wurde. Es ist bekannt, daß die Löcher nur in der äußersten Oberflächenschicht des Isolierfilms durch die eingestrahlten Teilchen erzeugt werden. Es ist beispielsweise bekannt, daß selbst UV-Strahlen im Vakuum, die unter den verschiedenen in den Plasmen erzeugten Teilchen am tiefsten eindringen, Löcher in einer Tiefe bilden, die weniger als 10 nm von der Oberfläche des Isolierfilrns entfernt ist. Folglich können die induzierten Löcher an ihrer Position, also der Oberflächenschicht des Isolierfilms, gehalten werden, wenn die Oberflächenbehandlung durchgeführt wird, während eine Probe auf eine Temperatur unterhalb von 150 K gekühlt wird und die Kühlung nach der Oberflächenbehandlung bei dieser Temperatur fortgesetzt wird.
- Nachdem die vorgegebene Oberflächenbehandlung der Probe 7 in dem Oberflächenbehandlungs-Vakuumgefäß 5 beendet ist, wird ein Ventil 12 geöffnet, und die Probe 7 wird nach beendeter Oberflächenbehandlung zusammen mit dem Probenhalter 8 mittels eines Probenhalter-Schiebestange 13 mit Griff 22 durch ein Führungsrohr 11 für eine Nachbehandlung in eine Vakuumkammer 14 verlagert, die durch eine Evakuiervorrichtung 21 auf einem vorgegebenen Vakuum gehalten wird, und auf einer Kühlvorrichtung 20 angeordnet (s. Fig. 3).
- Durch Anordnen des Probenhalters 8 und der Probe 7 auf der Kühlvorrichtung 20 wird die Nachbehandlung zum Beseitigen oder Neutralisieren der Löcher auf diese Weise ausgeführt, während die Probe 7 in einem auf eine niedrige Temperatur gekühlten Zustand gehalten wird.
- Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 vorgenommen.
- In Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die eine Plasmavorrichtung für die Oberflächenbehandlung, eine Vorrichtung zum Beseitigen von bei der Oberflächenbehandlung in dem Isolierfilm induzierten Löchern sowie ein Führungsrohr zum Verbinden der beiden Vorrichtungen umfaßt.
- Nachdem eine erforderliche Oberflächenbehandlung durchgeführt wurde, während eine Probe 1 mit den oben beschriebenen Verfahren gekühlt wurde, wird ein Ventil 12 geöffnet, und eine Probe 7 und ein Probenhalter 8 werden mittels einer Probenhalter-Schiebestange 13 mit Griff 22 durch ein Führungsrohr 11 in eine durch eine Auslaßvorrichtung 21 auf einem vorgegebenen Vakuum gehaltene Nachbehandlungs-Vakuumvorrichtung 14 verlagert und auf einer Kühlvorrichtung 20 angeordnet.
- Ein Nachbehandlungsschritt wird zum Neutralisieren von Löchern in dem Isolierfilm der Probe durchgeführt, während die Probe 7 auf dem Probenhalter 8, der auf der Kühlvorrichtung 20 angeordnet ist, bei einer niedrigen Temperatur durch die Kühlvorrichtung 20 gekühlt wird. In Fig. 5 ist ein Zustand der Vorrichtung dargestellt, bei dem der Nachbehandlungsschritt ausgeführt wird. Zunächst werden Photonen P durch eine Vorrichtung zur Photonenerzeugung erzeugt und auf einen Verbundhalbleiter 28 eingestrahlt, der nach der Bestrahlung mit Photonen Photoelektronen emittiert. Die infolge des photoelektrischen Effekts vom Verbundhalbleiter emittierten Photoelektronen e werden in den Isolierfilm der Probe 7 injiziert. Die injizierten Photoelektronen werden neutralisiert, wodurch die Löcher in dem Isolierfilm beseitigt werden.
- Weiterhin ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die durch das Einfangen der Löcher nahe oder an der Grenzschicht zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat erzeugten Beschädigungen des Halbleiters zu verhindern, da die durch die Oberflächenbehandlung in dem Isolierfilm induzierten Löcher neutralisiert werden können.
Claims (11)
1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit
einem ersten Schritt, in dem die Oberfläche einer einen
Isolierfilm auf einen Halbleitersubstrat enthaltenen Probe
eine Oberflächenbehandlung unterzogen wird, zu der das
Bestrahlen der freigelegten Oberfläche des Isolierfilms mit
verschiedenen Teilchenarten gehört, so daß nahe der
Oberfläche des Isolierfilms Löcher induziert werden, und
einem zweiten Schritt, in dem die induzierten Löcher
rekombiniert werden, bevor sie sich in die Nähe der Grenzfläche
zwischen dem Isolierfilm und dem Substrat bewegen können,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Schritt durchgeführt wird, während die
Probe auf eine Temperatur unter 150 K abgekühlt wird, wobei
die Kühlung auf diese Temperatur nach dem ersten Schritt und
während des zweiten Schrittes fortgesetzt wird, und
daß zu dem zweiten Schritt das Injizieren von Elektronen
in den Isolierfilm durch seine freigelegte, bestrahlte
Oberfläche hindurch gehört.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Isolierfilm ein
Siliciumoxid-, Siliciumnitrid- oder Tantaloxid-Film ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zu dem ersten
Schritt eine mit einem Plasma arbeitende
Oberflächenbehandlung gehört.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Elektronen dadurch injiziert werden, daß
über der freigelegten, bestrahlten Oberfläche des
Isolierfilms, jedoch ohne Berührung dieser Oberfläche, ein
Material angeordnet wird, das bei Bestrahlung mit Photonen
Photoelektronen erzeugt, und
das Material mit Photonen bestrahlt wird, um
Photoelektronen in den Isolierfilm zu injizieren.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Photoelektronen
erzeugende Material ein Verbundhalbleiter ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Verbundhalbleiter
aus Ag-O-Cs, Ga-As, Ga-Cs, In-Ga-As, Sb-Cs, Sb-Rb-Cs, Cs-Te
oder Cs-I besteht.
7. Oberflächenbehandlungs-Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend
ein Vakuumgefäß (5), das eine
Oberflächenbehandlungskammer bildet,
eine Einrichtung (23) zum Einleiten eines Gases zur
Oberflächenbehandlung einer ein Halbleitersubstrat und darauf
einen Isolierfilm auf diesem umfassenden Probe in das
Vakuumgefäß (5),
eine Einrichtung (10) zum Evakuieren des Gefäßes (5),
eine Einrichtung (1, 2, 4) zur Erzeugung von Teilchen
für die Oberflächenbehandlung,
eine Einrichtung (26~30) zum Rekombinieren von durch die
Oberflächenbehandlung nahe der Oberfläche des Isolierfilms
induzierten Löchern, und
eine Kühleinrichtung (9, 20) die es gestattet, die
Probentemperatur auf einen Wert unter 150 K abzusenken, wenn die
Probe der Oberflächenbehandlung und dem Vorgang der
Löcherrekombination unterzogen wird,
wobei die Einrichtung zur Löcherrekombination eine
Einrichtung (27~30) zum Injizieren von Elektronen in den
Isolierfilm durch diejenige Oberfläche aufweist, die mit den bei
der Oberflächenbehandlung verwendeten Teilchen bestrahlt
wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (1,
2, 4) zur Erzeugung von Teilchen ein Gerät zur
Plasmaerzeugung ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die
Einrichtung (27~30) zum Injizieren von Elektronen umfaßt:
eine Einrichtung (28, 29) zum Erzeugen von
Photoelektronen, die über der Oberfläche des Isolierfilms, jedoch ohne
Berührung dieser Oberfläche, angeordnet ist und ein Material
enthält, das bei Bestrahlung mit Photonen Photoelektronen
erzeugt, und
eine Einrichtung zur Verlagerung der Photoelektronen
erzeugenden Einrichtung an eine Stelle, an der sie die
Durchführung der Oberflächenbehandlung nicht behindert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Photoelektronen
erzeugende Material ein Verbundhalbleiter-Material ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das
Verbundhalbleiter-Material Ag-O-Cs, Ga-As, Ga-Cs, In-Ga-As, Sb-Cs, Sb-Rb-
Cs, Cs-Te oder Cs-I ist.
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