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DE69328392T2 - GaAs-Passivierung mittels stromabwärts erzeugtem Ammoniak-Plasma - Google Patents

GaAs-Passivierung mittels stromabwärts erzeugtem Ammoniak-Plasma

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DE69328392T2
DE69328392T2 DE69328392T DE69328392T DE69328392T2 DE 69328392 T2 DE69328392 T2 DE 69328392T2 DE 69328392 T DE69328392 T DE 69328392T DE 69328392 T DE69328392 T DE 69328392T DE 69328392 T2 DE69328392 T2 DE 69328392T2
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Oberflächen- Passivierung von III-V-Halbleitern durch eine Plasmabehandlung. Insbesondere bezieht sich diese auf die stromabwärtige Passivierung von GaAs in einem Ammoniak- Plasma. Der Vorgang passiviert GaAs-Oberflächen nicht nur bei minimaler Oberflächenschädigung sondern auch ohne Erwärmung.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Haupthindernis bei der Verbesserung von GaAs- Bauelement-Technologie ist die Schwierigkeit der Passivierung freiliegender GaAs-Oberflächen. Galliumarsenid weist nicht wie Silizium, dessen Oxid die Siliziumoberfläche unter Zurücklassung einer geringen Dichte von Grenzflächenzuständen passiviert, ein natürliches passivierendes Oxid auf. In der Tat kann die Grenzfläche zwischen GaAs und dessen natürlichem Oxid mit Defekten geladen sein, welche eine große Dichte von Grenzflächen-Zuständen in der Mitte der Bandlücke erzeugen. Diese große Dichte erzeugt eine hohe Rekombinationsgeschwindigkeit und eine Festlegung des Fermi- Niveaus, was wiederum die Leistungsfähigkeit des Bauelementes verschlechtert. Insbesondere erzeugt die hohe Dichte der Grenzflächenzustände äußerst hohe Verlustströme in Feldeffekttransistoren und Photodioden.
  • Beträchtliche Anstrengungen wurden unternommen, die schlechten elektronischen Eigenschaften von GaAs-Oberflächen und von Grenzflächen von GaAs-Isolatoren zu verbessern, bis jetzt wurde jedoch noch keine vollständig annehmbare Technik erreicht. Naßverarbeitungstechniken sind im wesentlichen nicht mit der bei der Herstellung integrierter Schaltungen herrschenden Richtung zu zusammengesetzter Trockenverarbeitung vereinbar. Die bisher vorgeschlagenen Trockenbearbeitungsverfahren erfordern entweder hohe Temperaturen, welche mit vorher ausgebildeten Bauelement- Strukturen nicht vereinbar sind, oder Ionenbeschuß, welcher für die Langzeitstabilität der behandelten Oberflächen schädlich ist. Applied Phys. Letters, Band 60, Nr. 16 vom April 1992, Seiten 1996-1998, P.W. Li et al., zeigt ein Verfahren zur Passivierung von GaAs-Oberflächen mit Ammoniak- Plasma. Das Werkstück kann mit einer Spannung belegt sein, um die Passivierungs-Bedingungen zu erfüllen. Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Verfahren für die Trockenplasma-Passivierung von Galliumarsenid-Oberflächen ohne Erwärmung und Ionenbeschuß.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Anmelder hat entdeckt, daß Galliumarsenid- Oberflächen durch Aussetzen im Niederstrombereich eines Ammoniak-Plasmas ohne Erwärmung oder Ionenbeschuß trockenpassiviert werden können. Insbesondere wird ein Werkstück mit freiliegenden Galliumarsenid-Oberflächen durch Anordnen des Werkstückes in einer evakuierbaren Kammer, Evakuieren der Kammer, Erzeugen eines Ammoniak-Plasmas außerhalb der unmittelbaren Umgebung des Werkstückes und Erzeugen eines Flusses, der Plasmaprodukte stromabwärts in Kontakt mit dem Werkstück passiviert. Vorzugsweise beträgt der Druck des Plasmagases 0,5 bis 6,0 Torr, die Substrattemperatur ist geringer als 100ºC und die Aussetzungszeit beträgt mehr als 5 Minuten. Das Plasma sollte an einem ausreichend vom Werkstück entfernten Ort (mehr als etwa 10 cm) erzeugt werden, damit die Werkstückoberfläche nicht mit Ionen beschossen wird, welche die Oberfläche schädigen können, und ausreichend nahe am Werkstück (innerhalb von 30 cm), damit der Strom reaktive Plasmaprodukte enthält. Das Werkstück sollte ferner nicht innerhalb der Sichtweite des Plasmas angeordnet werden, um durch Strahlung (UV-, sichtbare und Röntgenstrahlen) verursachte Schäden zu vermeiden. Das Ergebnis ist eine schnelle und beständige Passivierung bei Zimmertemperatur, welche mit zusammengesetzten Trockenverarbeitungs-Techniken für die Herstellung von integrierten Schaltungen vereinbar ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Passivieren von GaAs-Oberflächen vorgesehen, wie im Anspruch 1 und den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur Behandlung einer Galliumarsenid-Oberfläche.
  • Fig. 2 bis 7 graphische Darstellungen, welche die Auswirkungen verschiedener Parameter auf den Passivierungsvorgang darstellen.
    • Detaillierte Beschreibung
  • In Bezug auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anlage, welche zum Behandeln einer Galliumarsenid-Oberfläche brauchbar ist. Im wesentlichen umfaßt die Einrichtung eine evakuierbare Kammer 10, die stromabwärts von einem Gaseingangsrohr 11 angeordnet ist, das von einem Mikrowellen-Resonator 12 umgeben ist. Ein Werkstück 13 mit einer freiliegenden Galliumarsenid-Oberfläche ist in der Kammer 10 angeordnet, wo die Oberfläche vorteilhafterweise durch eine Photolumineszenz-Meßeinrichtung kontrolliert wird, die eine Laseranordnung 14 und eine Photolumineszenz-Detektionsanordnung 15 umfaßt. Bei dieser Ausführungsform ist die Kammer 10 ein 6-Wege Pyrex (feuerfestes Glas)-Kreuz. Das Eingangsrohr 11 ist ein Quarzrohr mit einem Durchmesser von 2,54 cm, welches von einem 5 cm Mikrowellen-Resonator mit einer Resonatorfrequenz von 2,45 GHz umschlossen ist. Das Rohr 11 weist unmittelbar hinter der Mikrowellen-Resonator eine Krümmung 16 auf, um die vom Werkstück 13 empfangene Strahlungsmenge zu verringern. Der Resonator sollte vom Werkstück ausreichend entfernt sein, damit das Plasmaglühen das Werkstück nicht erreicht. Ein Niederstrombereich von 10 bis 30 cm wird für einen annehmbaren Abstand gehalten.
  • Die Laseranordnung 14 umfasst vorzugsweise einen gepulsten Laser 14A, wie etwa einen N&sub2;-gepumpten Molectron 20Hz Farbstofflaser (600 mJ/cm² bei 500 nm). Das Laserlicht durchläuft den Strahlteiler 14B und ein Ausgangsstrahl wird durch die Linse 14C auf das Werkstück 13 fokussiert.
  • Die Detektionsanordnung 15 kann eine Linse 15A zur Fokussierung der Photolumineszenz vom Werkstück 13 in eine optische Faser 15B umfassen, welche das Licht durch einen Bandpaßfilter (nicht dargestellt) zu einem Sekundärelektronenvervielfacher (Photomultiplier-Röhre) 15C leitet, welche mit einem torgesteuerten Integrator 15D verbunden ist. Das Tor wird über eine Photodiode 15E unter Ansprechen auf den zweiten Ausgangsstrahl des Strahlteilers 14B gesteuert, und das integrierte Ausgangssignal kann an einem Personal Computer 15F angezeigt werden.
  • Die Werkstücke 13 sind typischerweise semi-isolierende oder dotierte GaAs-Wafer. Bei vorläufigen Verfahrensschritten, welche vorteilhaft jedoch nicht notwendig für den Passivierungserfolg sind, werden die Werkstücke vor dem Einführen in die Kammer 10 für 30 Sekunden in Flußsäure (HF) getaucht, mit deionisiertem Wasser gespült und mit Stickstoff trocken geblasen.
  • Nach dem Einführen wird die Kammer auf einen geringen Druck unterhalb von etwa 10&supmin;&sup6; Torr evakuiert, um mögliche Verunreinigungen zu entfernen. Ammoniak wird mit einem Druck von 0,5 bis 6 Torr in das Rohr 11 zugeführt und die Mikrowellenleistung wird auf 140 Watt eingestellt. Der Gasstrom reicht aus, um eine stabile Ammoniakzufuhr (10 sccm ist geeignet) zu erhalten. Die Intensität der Photolumineszenz ("PL-Intensität") steigt dann innerhalb einer Minute nach dem Einschalten des Plasmas um einen Faktor 10 an und steigt dann nach einigen Minuten abhängig vom Plasmagas-Druck und der Leistung auf etwa den 25-fachen Wert des anfänglichen Wertes an. Das Plasma und der Gasstrom werden dann abgeschaltet und die Photolumineszenzintensität steigt sprunghaft und erreicht den Endwert. Einen typischen Graphen der PL-Intensität als Funktion der Zeit für Plasmagas bei einem Torr und für eine Mikrowellenleistung von 140 Watt ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Während die diesem Vorgang zugrundeliegende Theorie für die Erfindung nicht notwendig ist, ist das beste derzeitige Verständnis des Anmelders, daß Wasserstoffatome im Plasma über eine durch Aufprall von Elektronen ausgelöste Dissoziation von Ammoniak erzeugt werden. Diese Atome werden über Konvektion und Diffusion stromabwärts zur GaAs- Oberfläche transportiert, wo diese auf der Oberfläche chemisch adsorbiert werden und mit As und As&sub2;O&sub3; reagieren, um AsH&sub3; zu bilden. Die Entfernung von As und As&sub2;O&sub3; verringert Arsen-Antisite-Defekte, was zu dem beobachteten unmittelbaren Anstieg der PL-Intensität führt.
  • Es wird angenommen, daß der langsame Anstieg nach dem anfänglichen schnellen Anstieg der PL von der plasmaunterstützen Veränderung oder Bildung von Galliumoxid verursacht wird.
  • Es wird angenommen, daß der plötzliche Anstieg der PL- Intensität beim Abschalten des Plasmas auf die schnelle Desorption von H-Atomen von der Oberfläche zurückzuführen ist. Das dynamische Gleichgewicht zwischen der Oberfläche und dem H-enthaltenden Gas über der Oberfläche wird gestört, wenn das Plasma abgeschaltet wird, was zur Desorption von H-Atomen und zu einer Verringerung beliebiger Oberflächenzustände infolge der H-Atome führt.
  • Vielfältige Experimente wurden durchgeführt, um die Auswirkung der Aussetzungszeit im Plasma, des Druckes, der Mikrowellenleistung und der Ammoniak-Flußrate zu bestimmen. Fig. 3 zeigt einen Graphen, welcher die Pl-Intensität über der Aussetzungszeit für ein Aussetzen für 30 Sekunden (Kurve A), 240 Sekunden (Kurve B) und 900 Sekunden (Kurve C) darstellt. Das Plasma wurde bei 2 Torr und 140 Watt mit einer Ammoniak-Flußrate von 100 cm³/s erzeugt. Der Graph zeigt, daß unabhängig davon, wann das Plasma abgeschaltet wird, die PL- Intensität auf den gleichen Endwert springt. Andere Versuche zeigen jedoch, daß die Proben, welche kurzzeitig ausgesetzt werden, weniger stabil als die länger ausgesetzten Proben sind. Es wird angenommen, daß sich während eines langen Aussetzens (mehr als etwa 5 Minuten) Galliumoxid an der Oberfläche bildet und die Fähigkeit der an der Oberfläche chemisch adsorbierten H-Atome verringert, Oberflächenzustände beizubehalten. Nach etwa 15 Minuten erreicht das Galliumoxid eine endgültige selbstbegrenzte Dicke und passiviert die GaAs-Oberfläche. Weiterhin wird angenommen, daß dem Vorhandensein von atomarem Wasserstoff an der Oberfläche eine wesentliche Rolle bei der Bildung von Galliumoxid über die Reaktion:
  • As&sub2;O&sub3;+2GaAs+12H → Ga&sub2;O&sub3;+4AsH&sub3;
  • zukommt.
  • Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der PL- Intensität als Funktion der Zeit für mehrere unterschiedliche Plasmadrücke, welche von 0,5 Torr bis 6 Torr reichen, wenn GaAs-Proben im Niederstrombereich eines Mikrowellen-Ammoniak- Plasmas behandelt werden, welches bei 140 Watt und 10 cm³/s betrieben wird. Wie einfach gesehen werden kann, benötigt die Passivierung für höhere Drücke länger. Vermutet wird, daß dieses Ergebnis wegen einer Verringerung der Konzentration der Wasserstoffatome bei steigendem Druck zustande kommt. Bei höheren Drücken gelangen weniger Wasserstoffatome stromabwärts zur Probe und daher dauert der Passivierungsvorgang länger.
  • Fig. 5 zeigt die Auswirkung der Ammoniak-Flußrate (im Bereich von 2 cm³/s bis 50 cm³/s) auf die Passivierung bei 2 Torr und 140 Watt. Ersichtlich ist, daß die Passivierung bei höheren Flußraten schneller ist. Dies stimmt mit der Tatsache überein, daß der Fluß von Wasserstoffatomen zur GaAs- Oberfläche bei höheren Flußraten höher ist.
  • Fig. 6 zeigt den Einfluß der Mikrowellenleistung auf die Passivierung. Bei den experimentellen Bereichen ist die Passivierung schneller, je höher die Leistung ist. Es wird angenommen wird, daß diese Auswirkung wegen des höheren Flusses von Wasserstoffatomen bei höheren Leistungen zustande kommt. Eine Leistung im Bereich von 75 bis 140 Watt wird als optimal angenommen.
  • Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung, welche die PL- Intensität für mehrere Proben als Funktion der Zeit nach der Behandlung darstellt. Jede Probe wurde für 9 Minuten oder länger behandelt und die Proben wurden in einem mit trockenem Stickstoff gespülten Trockenschrank aufbewahrt. Die Proben haben über einen Zeitraum von einem Monat nur etwa 40% ihrer PL-Intensität verloren, wobei diese verringerte Intensität immer noch zehnmal höher als die PL-Intensität von unpassiviertem GaAs ist. Die PL-Intensität von Proben, die in Umgebungsluft aufbewahrt wurden, fällt schneller ab als die von Proben, die in einem Trockenkasten aufbewahrt wurden.
  • Der stromabwärtige Ammoniak-Passivierungsvorgang bietet verschiedene Vorteile gegenüber einer Hochfrequenzpassivierung (RF) mit parallelen Platten, welche Wasserstoff oder Ammoniak verwendet. Beim Vorgang mit parallelen Platten wird die GaAs-Oberfläche durch auftretende Ionen mit der Folge beschädigt, dass die Zeitsteuerung kritisch sein kann. Die ioneninduzierte Schädigung tritt nach einem anfänglichen Maximum der PL schnell auf, und selbst eine Verzögerung von einigen Sekunden beim Abschalten des Plasmas verringert den erreichbaren Endwert der Photolumineszenz. Bei einer Passivierung mit parallelen Platten lassen geringe Drücke unterhalb von etwa 0,5 Torr den Beschuß der GaAs-Oberfläche mit hochenergetischen Ionen zu, welcher wiederum die Oberfläche beschädigt und neue Oberflächenzustände einführt. Zusätzlich stellt der Schaden durch Ionenbeschuß eine verringerte Stabilität dar. Innerhalb von zwei Wochen verlieren in einem Trockenschrank aufbewahrte, mit RF-NH&sub3;-passivierte Proben 70% ihrer PL- Intensität. Es wird angenommen, daß diese Instabilität auf Blasen und Defekte im Galliumoxid zurückzuführen ist, welche unter Ionenbeschuß gebildet werden. Diese Blasen und Defekte ermöglichen Sauerstoffatomen, von der Umgebungsluft in die GaAs-Grenzfläche zu diffundieren, um As&sub2;O&sub3; zu bilden.
  • Die Ammoniak-Passivierung im Niederstrombereich kann somit bei Zimmertemperatur ohne Erwärmung durchgeführt werden. Im Vergleich zur Hochfrequenz-Passivierung (RF) mit parallelen Platten ist die Ammoniak-Passivierung im Niederstrombereich in Bezug auf die Aussetzungszeit weniger empfindlich und ergibt eine Passivierungs-Oberfläche mit erhöhter Stabilität. Ein anderer Vorteil ist, daß die Proben den Plasma-Emissionen übermäßig ausgesetzt sein können, um eine gleichförmige Passivierung über größere Flächen (2"- bis 3"- Wafer) sicherzustellen. Dieses ist anderes als bei der Hochfrequenz-(RF), bei welcher das übermäßige Aussetzen die Oberfläche beschädigen würde. Zusätzlich erfordert die Passivierung im Niederstrombereich keine Elektroden, welche eine Verunreinigungsquelle sein können. Die stromabwärtige Behandlung stellt eine kostengünstige und wirkungsvolle Technik der Passivierung dar, welche mit bestehenden Trockenverfahren zusammengefügt werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zum Passivieren von GaAs-Oberflächen, welches die Verfahrensschritte umfaßt:
Anordnen eines Galliumarsenid enthaltenden Werkstückes in einer evakuierbaren Kammer und
Evakuieren der Kammer unter Halten des Werkstückes auf einer Temperatur von weniger als 100ºC,
Bilden eines Ammoniumplasmas an einem Ort, welcher ausreichend von dem Werkstück derart entfernt ist, daß sich das Werkstück nicht innerhalb des Plasmaglühens befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich das Werkstück außerhalb der Sichtlinie zu dem Plasma befindet, um vor Ionenbeschuß und
Strahlungsschädigung im wesentlichen geschützt zu sein, und
Bewirken, daß reaktive Produkte des Plasmas stromabwärts zur ionenbeschußfreien Berührung des Werkstückes für eine Zeit strömen, welche ausreicht, um die Photolumineszenz-Intensität des Galliumarsenids um wenigstens einen Faktor 10 zu erhöhen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Werkstück den Produkten des Plasmas für eine Zeitspanne von mehr als 5 Minuten ausgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Werkstück den Produkten des Plasmas für eine Zeitspanne von 15 Minuten oder länger ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Plasma in einem Abstand von 10 bis 30 cm zum Werkstück gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Plasma aus Gas mit einem Druck im Bereich von 67 bis 800 Pa (0,5 bis 6,0 Torr) gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Ammoniumplasma durch Einführen von Ammoniumgas in einen Mikrowellen-Resonantor gebildet wird, welcher mit Mikrowellenenergie versorgt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Mikrowellenenergie mit einer Leistung im Bereich von 75 bis 140 Watt bereitgestellt wird.
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