JP6368813B1 - 紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置と方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上でき、また、効率的且つコストダウンできる、装置と方法を提供する。【解決手段】紫外線源１は、その波長範囲が１８０ｎｍから至４００ｎｍにあり、口金１１と複数の口金に設置された紫外線ランプ１２とを有する。湿度制御試料環境２は、紫外線源に連接され、処理待ち試料３の断面に紫外線を照射し、紫外線源は湿度制御環境内に存在して、直接に処理待ち試料の断面に照射する。湿度制御試料環境は、相対湿度が４０％よりも低く、封止石英箱２１と昇降台２２とを有する。封止石英箱に処理待ち試料と乾燥剤２３とを設置することや簡単な真空排気することにより、乾燥環境を作る。【選択図】図１
Description
本発明は、紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置と方法に関し、特に、湿度制御環境において、直接に紫外線を照射し、更に、これにより、天然酸化物の成長欠陥を低減できるものに関する。
走査型静電容量顕微鏡法（scanning capacitance microscopy, SCM）は、半導体材料や素子分析分野において、多く応用され、その中、主として、金属酸化物シリコン電界効果トランスミッタ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）の材料電性を分析することに応用され、また、よく、２次元キャリア分布（two-dimensional carrier distribution）やPN接合（pn junctions）の画像観察に適用される。最近の、上記技術を応用する研究は、インジウムガリウムヒ化物（InGaAs）PN接合の明反応（参考文献：Hui Xia,Tian-Xin Li,Heng-Jing Tang,Liang Zhu,Xue Li,Hai-Mei Gong,and Wei Lu,″Nanoscale imaging of the photoresponse in PN junctions of InGaAs infrared detector″,Scientific Reports 6,21544(2016).）や、グラフェン上のアンダーソン局在（Anderson localization）現象（参考文献：Y.Naitou and S. Ogawa,″Anderson localization of graphene by helium ion irradiation″,Appl.Phys.Lett.108,171605(2016).）等を観察するもの、がある。
走査型静電容量顕微鏡法の基本原理は、導電性プローブと與ケイ素系試料を利用して金属酸化膜半導体（MOS）構成を形成し、図４のようである。試料端に微細の交流電圧や、変調電圧（modulation voltage）を印加して、この微細の電圧変化(dV)に伴って、MOS構成のキャパシタンスにも、微細に変化するため(dC)、微分容量信号(dC/dV)が得られ、これは、容量-電圧曲線の勾配に相当する。微分容量信号により、試料のドーパントタイプや濃度等の情報が表示される。
走査型静電容量顕微鏡法を、ケイ素系半導体材料の導電性検知や分析に応用する場合、試料調理が、この分析技術に、大きく、影響を与え、試料調理が、SCM試料の優劣に影響する重要ステップであり、その中、試料表面の酸化層品質の影響が、最も大きい。試料表面の酸化層品質は、直接に、SCMの信号強度や再現性に、影響が現れ、また、一般の半導体産業の酸化工程において、例えば、熱酸化やウェット酸化が、共に、品質良好の酸化層が得られる。
シリカ（SiO２）の成長には、国際特許分類号H01L21/02274があり、それは、基材上に、絶縁材料が形成され、その特徴は、気相成長を利用して気相化合物の分解や反応によって、絶縁層が形成され、即ち、プラズマが存在したままの化学気相成長-プラズマCVD（Plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD）である。
しかし、既存の技術は、大気環境において、光を利用してSiO２を補助成長させるケースが少なくて、殆ど、CVD形式を利用する。例えば、米国特許号US 4,988,533 Aには、シラン（Silane）に対して、プラズマ環境において、紫外線（UV）を照射してSiO２層を成長させる方法が掲示されている。また、光とケイ素天然酸化物の交互作用について、既存の技術にも、光を、補助として、天然酸化物を取り抜くものがある。例えば、米国特許号US 6,534,412 B1には、紫外線雷射（UV laser）を控制環境にある試料表面を照射し、水素ガスを導入して、天然酸化物を取り抜くものがあり、例えば、図５のようである。
大部分のSCMの応用は、主として、横断面分析であるため、横断面試料を調理する必要があるが、SCMの横断面試料を調理する場合、従来の半導体工程にて酸化層を成長させる方法は、困難だけでなく、コストも高くて、分析の時間効率が良くない。いかに、より簡単の方式で、品質良好の試料表面酸化層を得ることは、産業や学界及び研究相関のものに対して、至急に解消しなければならない課題である。その故に、一般の、従来のものは、実用的とは言えない。
本発明者は、上記欠点を解消するため、慎重に研究し、また、学理を活用して、有効に上記欠点を解消でき、設計が合理である本発明を提案する。
参考文献：Hui Xia,Tian-Xin Li,Heng-Jing Tang,Liang Zhu,Xue Li,Hai-Mei Gong,and Wei Lu,″Nanoscale imaging of the photoresponse in PN junctions of InGaAs infrared detector″,Scientific Reports 6,21544(2016)
参考文献：Y.Naitou and S. Ogawa,″Anderson localization of graphene by helium ion irradiation″,Appl.Phys.Lett.108,171605(2016)
本発明の主な目的は、上記諸問題を解消でき、湿度制御環境において、紫外線を照射する方式を利用して、直接に、紫外線を照射して、天然酸化物成長後の欠陥を低減でき、直接に、ケイ素系試料断面の天然酸化物品質を改善しながら、より良い且つ安定のSCM信号が得られる、紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置を提供する。
本発明の他の目的は、快速的且つコストダウンできる装置を提供し、紫外線照射で、ケイ素系材の表面天然酸化物の成長を補助させ、有効的に、ケイ素系材表面の天然酸化物品質を改善でき、横断面試料の表面処理困難性を大幅に低減させ、また、試料の寿命や信頼度が向上され、そして、走査型静電容量顕微鏡法の測定再現性が向上される。
本発明は、上記の目的を達成するため、紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置であり、少なくとも、ケイ素系供試材断面を生成するステップ一と、上記ケイ素系供試材断面に対して、低い水蒸気環境において、波長範囲が180nmから400nmまでの紫外線を照射し、上記低い水蒸気環境が、相対湿度が40%よりも低い湿度制御環境であるステップ二と、を有する。
本発明の上記実施例によれば、上記装置は、酸化層の欠陥低減の機能を有する。
本発明は、更に、紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置であり、波長範囲が180nmから400nmまでにある紫外線源と、上記紫外線源に連接され、処理待ち試料を引き受けて、上記処理待ち試料の断面に、紫外線を照射する湿度制御試料環境と、を有する。
本発明の上記実施例によれば、上記紫外線源が、上記湿度制御試料環境内に存在して、直接に、上記処理待ち試料の断面を照射する。
本発明の上記実施例によれば、上記湿度制御試料環境の相対湿度が、40%よりも低い。
本発明の上記実施例によれば、上記湿度制御試料環境に、封止石英箱と、上記封止石英箱を引き受ける昇降台があり、上記封止石英箱に、上記処理待ち試料が設置される。
本発明の上記実施例によれば、上記封止石英箱は、乾燥剤を設置することや真空排気によって、乾燥環境を作る。
本発明の上記実施例によれば、上記紫外線源には、口金と、複数の上記口金に設置された紫外線ランプとがある。
以下、図面を参照しながら、本発明の特徴や技術内容について、詳しく説明するが、それらの図面等は、参考や説明のためであり、本発明は、それによって制限されることが無い。
図１〜図３は、それぞれ、本発明の紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置の構成概念図や本発明の表面に紫外線を照射したものと、照射していない天然酸化物の走査した容量スペクトル及び、本発明の、補助としての紫外線によって天然酸化物が向上される概念図である。図のように、本発明は、紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上でき、快速的且つコストダウンの利点が得られる装置と方法であり、紫外線照射で、ケイ素系材の表面天然酸化物の成長を補助させることにより、有効に、ケイ素系材の表面の天然酸化物品質を改善でき、大幅に、横断面試料の表面処理の困難性を低下でき、また、試料の寿命と信頼度が向上され、そして、走査型静電容量顕微鏡法の測定再現性も向上されるため、ケイ素系の半導体試料検知に適用できる。本発明に係る装置は、紫外線源１と、湿度制御試料環境２とから構成される。
上記の紫外線源１は、その波長範囲が、180nmから至400nmにあり、口金１１と、複数の、上記口金１１に設置された紫外線ランプ１２と、がある。
上記湿度制御試料環境２は、上記紫外線源１に連接され、処理待ち試料３を引き受けて、上記処理待ち試料３の断面に、紫外線を照射し、上記紫外線源１は、上記湿度制御試料環境２内に存在して、直接に、上記処理待ち試料３の断面に照射する。上記湿度制御試料環境２は、相対湿度が、40%よりも低く、封止石英箱２１と、上記封止石英箱２１を引き受ける昇降台２２と、があり、上記封止石英箱２１に、上記処理待ち試料３と乾燥剤２３とを設置することや、簡単な真空排気することにより、乾燥環境を作る。
本発明によれば、湿度制御試料環境２において、ケイ素系の処理待ち試料３横断面に紫外線ランプ１２（4W、254nm）を照射する。表面に二時間、紫外線照射したものと、照射されていない天然酸化物のものと、比較すると、走査容量スペクトル（scanning capacitance spectroscopy,SCS）が、図２のようであり、その中、図(a)は、紫外線を二時間照射したものであり、図(b)は、紫外線が照射されていない試料のSCS結果である。図から分かるように、紫外線照射された試料は、フラットバンド電圧シフト量（flat-band voltage shift）が、紫外線が照射されていない試料よりも、遥かに小さく、SCS曲線の変化もより軽微になる。フラットバンド電圧シフト量の大きさと方向によっては、酸化層のトラップ電荷の量と電荷極性が表される。トラップ電荷の量は、酸化層の品質指標となり、トラップ電荷が多ければ、その品質がよく悪くなる。実験データによれば、紫外線照射された試料は、その表面酸化層の品質が、より優れた。本発明にも、同時に、次の事実を発見し、曲線のフラットバンド電圧シフト量が、正であれば、主としたトラップ電荷が、正孔であることを示し、これは、基板形態とバイアス電圧方向と一致する。
上記本発明に係る紫外線によって処理待ち試料の表面天然酸化物を改善するメカニズムは、図３のようである。一般、ケイ素系材３１の表面に、一層の天然酸化物３２があるが、品質が不良でありながら、欠陥が多いため、一般の工程において、普通、エッチングで除去させ、それから、工程によって、より完美な酸化層を成長させる。また、処理待ち試料３の表面に紫外線を照射する時、紫外線のエネルギーにより、周辺にある酸素分子を、酸素原子に分解し、酸素原子の殻体層軌道に、六つの電子があるため、酸素原子が、更に、電子を捕獲する能力があり、そのため、天然酸化物３２の空洞が充填される。紫外線により、酸素分子が酸素原子に分解され、酸化剤（酸素原子）の濃度が増加して、酸化反応が強化され、そのため、天然酸化物３２のSiO２構成が、SiO２構成になり、酸化層の品質がより優れる。
本発明は、SCMの横断面を改良できる試料調理技術であり、紫外線照射によって、ケイ素系材の表面酸化層の品質が向上され、SCMの試料調理は、半導体工程設備を利用せず、有効に、横断面試料の表面処理困難性を低下でき、また、試料寿命やSCM測定再現性を向上できる。実験データによれば、二時間の紫外線照射後、p型試料の表面の天然酸化物は、一般の天然酸化物に比較して、酸化層欠陥やインターフェース欠陥の改善率が、それぞれ、約73.54%と68.98%になり、その中、酸化層欠陥の改善が、より明らかになり、紫外線の波長が酸化層品質に対する影響は、その光の強度よりも高い。試料表面の酸化層の寿命について、試料を二日に放置した後、その酸化層欠陥とインターフェース欠陥の減衰率が、約12.73%と8.723%である。本発明においては、紫外線照射により表面酸化層品質を強化する可能性と具体やり方が確立され、また、n型とp型試料に対して、照射時間の最も良いパラメーターが見つけられるため、SCMのケイ素系試料調理がより容易になり、また、横断面試料に対して、半導体工程設備を利用して酸化層を成長させる技術の困難性が低下され、それから、SCMのケイ素系試料分析が、より安定的且つ信頼的になる。本発明に係る、湿度制御環境において直接に紫外線照射を行って、天然酸化物成長後の欠陥が低減される技術は、断面試料検知の応用に、また、既存の技術に掲示されていない。
以上のように、本発明に係る紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上する装置は、有効的に、従来の諸欠点を解消でき、走査型静電容量顕微鏡法（scanning capacitance microscopy,SCM）の横断面試料調理技術を改良できる装置を提出し、また、湿度制御条件で、紫外線によって表面酸化層品質を強化する可能性や具体ステップを確立した。実施例によると、本発明は、n型とp型試料に対して、照射時間の最も良いパラメーターが見つけられた。産業応用には、本発明は、大幅に、SCMにたいして、ケイ素系試料分析結果の安定性と信頼度が向上され、直接に、集積回路試料の断面検知に応用でき、そのため、本発明は、より進歩的かつより実用的で、法に従って特許請求を出願する。
以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されることが無く、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。
１ 紫外線源
１１ 口金
１２ 紫外線ランプ
２ 湿度制御試料環境
２１ 封止石英箱
２２ 昇降台
２３ 乾燥剤
３ 処理待ち試料
３１ ケイ素系材
３２ 天然酸化物
１１ 口金
１２ 紫外線ランプ
２ 湿度制御試料環境
２１ 封止石英箱
２２ 昇降台
２３ 乾燥剤
３ 処理待ち試料
３１ ケイ素系材
３２ 天然酸化物
Claims (1)
- 波長範囲が180nmから400nmまでにある紫外線源と、
上記紫外線源に連接され、処理待ち試料を引き受けて、上記処理待ち試料の断面に、相対湿度が40%よりも低く、酸素（Ｏ ２ ）を含む湿度制御環境において紫外線を照射する湿度制御試料環境と、を有し、
上記紫外線源が、上記湿度制御試料環境内に存在して、直接に、上記処理待ち試料の断面を照射すること、
上記湿度制御試料環境に、封止石英箱と、上記封止石英箱を引き受ける昇降台と、があり、上記封止石英箱に、上記処理待ち試料と、乾燥剤とが設置され、
上記封止石英箱は、乾燥剤を設置することや真空排気によって、乾燥環境を作り、
上記紫外線源に、口金と、複数の上記口金に設置された紫外線ランプと、があることを特徴とする紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置。
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| JP2017043665A JP6368813B1 (ja) | 2017-03-08 | 2017-03-08 | 紫外線照射によってケイ素系の表面天然酸化物品質を向上できる装置と方法 |
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