Photonenaktivierte Reinigungs-und Oxidationsprozesse für die Nanoelektronik

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit photonenaktivierten Reinigungs- und Oxidationsprozessen für die Nanoelektronik, bei denen ein thermisches Budget von T = (700 . . . 750) °C nicht überschritten wird. Dieser Temperaturbereich stellt eine kritische Obergrenze dar, ab der die Diffusion von Dotierstoffatomen sowie der mechanische Stress zwischen Schichten eine Herstellung von siliziumbasierten Halbleiterbauelementen mit Strukturgrößen < 20 nm stark erschweren. In der gegenwärtigen industriellen Produktion werden noch Prozessschritte eingesetzt, die dieses Temperaturlimit weit überschreiten. Eine drastische Reduzierung der Prozesstemperatur ist jedoch in Zukunft unumgänglich. Als besonders kritische Prozesse in dieser Hinsicht sind das Ausheilen und Aktivieren nach einer Ionenimplantation, die thermische Oxidation, Annealing-Schritte für alternative Dielektrika und besonders in situ Reinigungsverfahren anzuführen. Den zuletzt genannten fällt dabei besondere Bedeutung zu. Immer wenn die Substrate während der Fertigung der Umgebungsluft ausgesetzt werden, führt dies zur sofortigen Bildung einer natürlichen Oxidschicht und einer starken Kontamination durch adsorbierte Kohlenwasserstoffe an der Oberfläche. Diese Verunreinigungen müssen deshalb vor jedem Prozess in den jeweiligen Anlagen zunächst entfernt werden.
Nach einer Analyse veröffentlichter Niedertemperaturprozesse, wird in dieser Arbeit ein Anlagenkonzept vorgestellt, bei dem der Strahl eines Excimerlasers parallel zur Substratoberfläche geführt wird. Die Photonen dienen der Fragmentierung gasförmiger Prekursoren, eine Anregung des Wafers durch den Laser wird bewusst vermieden, um Schädigungen der Oberfläche a priori auszuschließen. Dadurch können im Vergleich zu einer direkten Bestrahlung des Substrats Photoenergie und Temperatur entkoppelt werden. Der Entwurf verfolgt außerdem das Ziel, bestehende Prozessanlagen einfach erweitern zu können, wie anhand einer Realisierung basierend auf einem UHV-Clustertools gezeigt wird.
Unter Verwendung verschiedener gasförmiger Prekursoren (O2, H2, SiH4 und GeH4) werden Reinigungs- und Oxidationsprozesse entwickelt und detailiert untersucht. Mittels photodissoziiertem Sauerstoff werden dabei in weniger als einer Minute organische Verunreinigungen von der Substratoberfläche entfernt. Nach dieser Reinigung epitaktisch aufgewachsene Schichten zeigen eine deutlich bessere Kristallqualität, was sich positiv auf die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen auswirkt.
Im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Versuche mit atomarem Wasserstoff widerlegen, dass mit H-Radikalen SiO2 geätzt werden kann, wie in vielen Publikationen behauptet wird. Ausgehend von einer thermodynamischen Betrachtung der chemischen Reaktion, über Experimente mit einer katalytischen Radikalquelle wurde ein neues Modell entwickelt, das die Entfernung von Siliziumdioxid mittels Wasserstoffplasmen beschreibt. Mit atomarem Wasserstoff können die adsorbierten Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen größer 500 °C entfernt werden, wie auch Versuche mit German zeigen. Es ist außerdem möglich, dicke thermische Oxidschichten mit GeH4 bei 700 °C, und somit innerhalb des gesetzten Temperaturlimits, zu reduzieren. Die Betrachtung der zugrunde liegenden chemischen Reaktion liefert eine Erklärung dafür, weshalb es bei dieser Art der Oxidentfernung zum An- und Überwachsen von Suboxiden mit Germanium kommen kann, wie in zahlreichen Veröffentlichungen berichtet wird. Neben Experimenten zur Reinigung wurde die Oxidation als weiterer, hinsichtlich des erforderlichen thermischen Budgets kritischer Prozessschritt untersucht. Dabei zielten die Versuche auf die Beantwortung der Frage, ob und mit welcher Schichtdicke die Herstellung von Oxiden mit guten elektrischen Eigenschaften durch Verwendung reaktiver Sauerstoff-Spezies bei Temperaturen von maximal 750 °C realisiert werden kann. Die Analyse der Proben erfolgte mittels Spektralellipsometer-Messungen sowie elektrischer Charakterisierung (I-V, C-V).
Auf Grund des modularen Aufbaus des Anlagenkonzepts in Verbindung mit der großen Anzahl möglicher Prozessgase sind über die im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigten Anwendungen hinaus weitere Applikationen realisierbar, die nicht nur auf das Feld der Halbleitertechnologie beschränkt sind. Die internationale Beachtung durch die Industrie, die den Einsatz des vorgestellten Anlagenkonzepts und der damit möglichen Prozesse auch bei der Herstellung von Carbon Nanotubes sieht, zeigt, dass diese Arbeit Relevanz für alle Bereiche besitzt, bei denen eine Oberflächenmodifikation ohne direkte Einwirkung und bei ggfs. niedrigen Temperaturen erreicht werden soll.