DE10313727B4 - Method for treating silicon-based light emitters - Google Patents

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    • H01L33/0095—Post-treatment of devices, e.g. annealing, recrystallisation or short-circuit elimination

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Silizium-basierten Lichtemittern auf der Basis von Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen mittels eines Plasmas in einer Niederdruck-Plasmakammer durchgeführt wird.method for the treatment of silicon-based light emitters on the base of metal oxide semiconductor structures, characterized in that the treatment of the metal-oxide-semiconductor structures by means of of a plasma in a low pressure plasma chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Silizium-basierten Lichtemittern, die zur Elektrolumineszenz (EL) angeregt werden können. Es werden Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen eingesetzt.The The invention relates to a method for the treatment of silicon-based Light emitters that can be excited to electroluminescence (EL). It Metal oxide semiconductor structures are used.

Ein typischer Lichtemitter auf MOS-Basis (MOSLED) besteht aus einer herkömmlichen MOS-Struktur mit transparenter Deckelektrode (Patentanmeldung TW 456057 B ). Eine verbesserte Version einer MOSLED besteht aus einem Si-Substrat, auf dem eine wenige 100 nm dicke SiO2-Schicht durch thermische Oxidation erzeugt wurde. Diese Schicht wird anschließend mit Ge implantiert und ausgeheilt, und kann dann durch das Anlegen eines elektrischen Feldes zur EL angeregt werden. Bei dieser verbesserten MOSLED wird in der Regel eine durchsichtige Deckelektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) und ein Rückkontakt aus Alumminium benutzt. Der Strom wird üblicherweise vom Si-Substrat aus injiziert. Ein wichtiger Schritt in der Herstellung einer MOSLED ist die Kurzzeittemperung (RTA), die sich der Implantation anschließt (Rebohle et al., Electrochem. Solid State Lett. 4 (2001) G57). Eine mit Ge implantierte und mittels RTA getemperte MOSLED besitzt die grundlegende und technologisch überaus bedeutsame Fähigkeit, violettes Licht bei etwa 390 nm mit solcher Intensität zu emittieren, dass es mit bloßem Auge sichtbar wird. Derartige MOSLEDs stellen einen wesentlichen Fortschritt auf dem Weg zu hocheffizienten optoelektronischen Bauelementen dar, die bei Raumtemperatur (RT) arbeiten und mit der herkömmlichen Si-Technologie weitgehend kompatibel sind.A typical MOS-based light emitter (MOSLED) consists of a conventional MOS structure with transparent cover electrode (patent application TW 456057 B ). An improved version of a MOSLED consists of a Si substrate on which a SiO 2 layer of a thickness of a few 100 nm was produced by thermal oxidation. This layer is then implanted with Ge and annealed, and then excited to EL by the application of an electric field. This improved MOSLED typically uses a transparent indium tin oxide (ITO) top electrode and a back contact of aluminum minium. The current is usually injected from the Si substrate. An important step in the fabrication of a MOSLED is short-time annealing (RTA), followed by implantation (Rebohle et al., Electrochem. Solid State Lett. 4 (2001) G57). A Ge-implanted and RTA annealed MOSLED has the basic and technologically highly significant ability to emit violet light at about 390 nm with such intensity that it becomes visible to the naked eye. Such MOSLEDs represent a significant advance towards highly efficient optoelectronic devices that operate at room temperature (RT) and are largely compatible with conventional Si technology.

Im Betriebsverhalten der bekannten MOSLED ist die bei Hochfeld-Injektion auftretende Oxiddegradation nachteilig, die zu einer ungenügenden Langzeitstabilität und zu einer verminderten Effizienz führt.in the Operating behavior of the well-known MOSLED is that of high-field injection occurring oxide degradation disadvantageous, leading to insufficient long-term stability and a reduced efficiency leads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oxiddegradation zu vermindern.Of the Invention is based on the object to reduce the oxidation degradation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst.According to the invention this Task with the features set forth in the claims solved.

Es wird eine kurzzeitige Plasmabehandlung von ionenimplantierten und ausgeheilten MOSLEDs nach erfolgter Herstellung der strominjizierenden Kontakte angewandt. Dabei wird ein RF-Plasma aus Formiergas (eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff mit einer Frequenz von 13.56 MHz bevorzugt.It is a short-term plasma treatment of ion-implanted and healed MOSLEDs after the production of the current-injecting contacts applied. This is an RF plasma from forming gas (a mixture nitrogen and hydrogen at a frequency of 13.56 MHz prefers.

Das vorgeschlagene Verfahren soll bei der Herstellung neuartiger, effizienter und preisgünstiger Lichtemitter eingesetzt werden.The proposed method should be in the production of novel, efficient and inexpensive light emitter be used.

Die Entwicklung von Si-basierten, bei RT arbeitenden Lichtemittern ist von größter Bedeutung, um dem dringenden Bedarf der Industrie nach effizienten und preisgünstigen Lichtemittern gerecht zu werden, deren Herstellung zur jetzigen Si-Technologie vollständig kompatibel ist. Die hier vorgeschlagene Methode hat den Vorteil, dass sie direkt und unkompliziert angewendet werden kann. Weiterhin werden nur kurze Prozesszeiten notwendig, und die Anwendung hoher Prozesstemperaturen wird vermieden. Das Verfahren ist zu den bestehenden Produktionsbedingungen in der Halbleiterindustrie voll kompatibel und erlaubt die sofortige Eingliederung in die Standardfabrikation. Es ist weiterhin von Nutzen, dass die Plasmabehandlung als Prozessschritt sehr gut kontrolliert werden kann und sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit auszeichnet. Das Verfahren hat die folgenden Vorteile bei der Anwendung auf MOSLEDs: Erstens erlaubt es eine bis zu vierfach höhere Elektronenladung, die so genannte Durchbruchsladung QBD, zu injizieren, bevor es zu einem Durchbruch des Oxids kommt. Die Erhöhung der gesamten injizierten Elektronenladung führt zu einem adäquaten Anstieg der Gesamtlebensdauer des Bauelements. Zweitens verbessert es generell die Qualität des ITO-Kontakts auf der SiO2-Oberfläche. Drittens resultiert die Prozessierung in einem Plasma mit reaktiven Gasen wie Stickstoff und Wasserstoff in einem Rückgang von Defekten, die nicht zur EL beitragen und einer generell besseren Restaurierung der Oxidmatrix. Viertens verringert die Plasmabehandlung erheblich den Einfangquerschnitt von solchen Traps, die für die Anreicherung schädlicher Ladungen im Oxid verantwortlich sind. Gleichzeitig wird die Zahl der für die violette EL benötigten Lumineszenzentren kaum beeinflusst.The development of Si-based RT emitters is of paramount importance to meet the industry's urgent need for efficient and cost-effective light emitters whose fabrication is fully compatible with current Si technology. The method proposed here has the advantage that it can be used directly and easily. Furthermore, only short process times are necessary, and the application of high process temperatures is avoided. The process is fully compatible with the existing production conditions in the semiconductor industry and allows for immediate incorporation into standard manufacturing. It is also useful that the plasma treatment can be controlled very well as a process step and is characterized by a high reproducibility. The process has the following advantages when applied to MOSLEDs: First, it allows to inject up to four times higher electron charge, the so-called breakdown charge Q BD , before it comes to a breakthrough of the oxide. The increase in the total injected electron charge results in an adequate increase in the overall lifetime of the device. Second, it generally improves the quality of the ITO contact on the SiO 2 surface. Third, processing in a plasma with reactive gases such as nitrogen and hydrogen results in a decrease in defects that do not contribute to EL and generally better restoration of the oxide matrix. Fourth, the plasma treatment significantly reduces the capture cross-section of those traps responsible for the accumulation of deleterious charges in the oxide. At the same time, the number of luminescent centers required for the violet EL is hardly affected.

Der Anregungsmechanismus der EL der MOSLED basiert auf der Stoßanregung bestimmter defektartiger Lumineszenzzentren durch heiße Elektronen, die sich im Leitungsband des Oxids bewegen. Die für die EL verantwortlichen strukturellen Defekte, die sich durch die Implantation im SiO2-Netzwerk bilden, sind so genannte Sauerstoffmangeldefekte (ODC), bei denen das Sauerstoffatom der ursprünglichen ≡Si-O-Si≡ Bindung entfernt wurde. Im Falle einer Ge- oder Sn-Implantation kann ein oder können beide Si-Atome durch Ge oder Sn ersetzt werden, so dass Si-Ge, Ge-Ge, Si-Sn und Sn-Sn Bindungen gebildet werden können. Bei hinreichend hohen Implantationsdosen können Nanocluster aus Si, Ge oder Sn entstehen. Diese Nanocluster unterstützen die Injektion und den Transport von Elektronen, die im SiO2 beschleunigt werden und schließlich die Lumineszenzzentren anregen können.The MOSLED EL excitation mechanism is based on the excitation of certain defect-type luminescence centers by hot electrons moving in the conduction band of the oxide. The structural defects responsible for the ELs that form through implantation in the SiO 2 network are so-called oxygen deficiency defects (ODCs), in which the oxygen atom of the original ≡Si-O-Si≡ bond has been removed. In the case of Ge or Sn implantation, one or both Si atoms may be replaced by Ge or Sn, so that Si-Ge, Ge-Ge, Si-Sn and Sn-Sn bonds can be formed. At sufficiently high implantation doses nanoclusters can be formed from Si, Ge or Sn. These nanoclusters support the injection and transport of electrons that are accelerated in SiO 2 and finally the luminescence stimulate centers of excellence.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The Invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Die typischen Herstellungsbedingungen einer MOSLED werden angewandt und sind die folgenden:

  • (i) Mit Hilfe einer trockenen Standardoxidation wird auf einen Si-Wafer eine 200 nm dicke Oxidschicht aufgebracht.
  • (ii) Ge+-Ionen werden mit einer Energie von 100 keV und einer Dosis von 2.41016 cm–2 implantiert. Das daraus resultierende Ge-Profil besitzt ein Maximum in der ungefähren Mitte der Oxidschicht.
  • (iii) Nach der Implantation wird die Si/SiO2 Struktur mittels RTA für 6 s bei 1000°C unter Stickstoffatmosphäre ausgeheilt.
  • (iv) Eine Aluminiumschicht und eine 80 nm dicke ITO-Elektrode werden auf der Rückseite des Si-Substrates abgeschieden bzw. auf die SiO2-Oberfläche gesputtert.
The typical manufacturing conditions of a MOSLED are used and are the following:
  • (i) Using a dry standard oxidation, a 200 nm thick oxide layer is applied to a Si wafer.
  • (ii) Ge + ions are implanted with an energy of 100 keV and a dose of 2410 16 cm -2 . The resulting Ge profile has a maximum in the approximate center of the oxide layer.
  • (iii) After implantation, the Si / SiO 2 structure is annealed by RTA for 6 s at 1000 ° C under a nitrogen atmosphere.
  • (iv) An aluminum layer and an ITO electrode 80 nm thick are deposited on the back surface of the Si substrate and sputtered onto the SiO 2 surface, respectively.

Die fertige MOSLED-Struktur wird schließlich einem RF-Plasma bei 13.56 MHz ausgesetzt, das in einer diodenartigen Niederdruckkammer erzeugt wird. Dabei ist die ITO-Elektrode dem Plasma direkt ausgesetzt, während der Aluminiumrückkontakt auf der hochfrequenten Kathode der Kammer liegt.The finished MOSLED structure eventually becomes an RF plasma at 13:56 MHz generated in a diode-like low-pressure chamber becomes. The ITO electrode is directly exposed to the plasma, while the aluminum back contact located on the high-frequency cathode of the chamber.

Die typischen Parameter der Plasmabehandlung, unter denen das Verfahren der Erfindung angewandt wird, sind im folgenden beschrieben:

  • (i) Als Prozessgas wird Formiergas, d.h. eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff, benutzt. Der Stickstoffgehalt beträgt 90 %, der Wasserstoffgehalt 10 %.
  • (ii) Der Kammerdruck vor Einsetzen der Plasmabehandlung liegt im Bereich 10–6 bis 10–5 mbar und steigt während der Plasmabehandlung auf rund 10–2 mbar an. Durch Veränderungen des Gasflusses kann es zu kleineren Druckschwankungen kommen.
  • (iii) Die Anregungsfrequenz ist typischerweise 13,56 MHz, obwohl Frequenzen im Bereich von 100 kHz bis 2,45 GHz und sogar darüber hinaus benutzt werden können.
  • (iv) Die Leistungsdichte zur Erzeugung des Plasmas ist ein wichtiger Prozessparameter, dessen Wert sich im Bereich 0,5 bis 1,5 Wcm–2 bewegt. Geringere Leistungsdichten führen nicht zur signifikanten Anderung der Materialeigenschaften der MOSLED, während höhere Leistungsdichten eine Materialschädigung und einen starken Abfall der EL-Intensität verursachen. Ein Prozess mit einer Leistungsdichte zur Erzeugung des Plasmas von 0,7 Wcm–2 wird bevorzugt.
  • (v) Mit Hilfe eines von der eigentlichen Plasmabehandlung unabhängigen Heizgeräts wird das Substrat vor und während des Prozesses auf eine Temperatur im Bereich von RT bis 300°C gebracht. Die Substrattemperatur kann jeden Wert annehmen, der dem Stabilisierungsprozess der Bauelementestruktur förderlich ist. Eine Substrattemperatur im Bereich 100 bis 200°C wird bevorzugt.
  • (vi) Die Dauer der Plasmabehandlung von 15 min wird bevorzugt.
  • (vii) Nach Beendigung der Plasmabehandlung wird die Kammer belüftet und die MOSLED-Struktur kann entnommen werden.
The typical parameters of the plasma treatment under which the process of the invention is applied are described below:
  • (i) As the process gas Formiergas, ie a mixture of nitrogen and hydrogen, is used. The nitrogen content is 90%, the hydrogen content 10%.
  • (ii) The chamber pressure before the onset of the plasma treatment is in the range 10 -6 to 10 -5 mbar and increases during the plasma treatment to around 10 -2 mbar. Changes in the gas flow can lead to smaller pressure fluctuations.
  • (iii) The excitation frequency is typically 13.56 MHz, although frequencies in the range of 100 kHz to 2.45 GHz and even beyond can be used.
  • (iv) The power density for generating the plasma is an important process parameter whose value ranges from 0.5 to 1.5 Wcm -2 . Lower power densities do not significantly alter the material properties of the MOSLED, while higher power densities cause material damage and a sharp drop in EL intensity. A process with a power density to produce the plasma of 0.7 Wcm -2 is preferred.
  • (v) By means of a heater independent of the actual plasma treatment, the substrate is brought to a temperature in the range of RT to 300 ° C before and during the process. The substrate temperature may be any value conducive to the stabilization process of the device structure. A substrate temperature in the range of 100 to 200 ° C is preferred.
  • (vi) The duration of plasma treatment for 15 minutes is preferred.
  • (vii) After completion of the plasma treatment, the chamber is vented and the MOSLED structure can be removed.

Die EL kann durch Gleich- oder Wechselspannung angeregt werden. Im Falle einer Gleichspannung wird das positive Potential im allgemeinen an die ITO Elektrode gelegt, aber ein Betrieb bei umgekehrter Polarität ist gleichfalls möglich.The EL can be excited by DC or AC voltage. In the event of a DC voltage, the positive potential in general put the ITO electrode, but a reverse polarity operation is the same possible.

Die gleichen, weiter oben beschriebenen Prozessschritte können auf die Herstellung von MOSLEDs angewandt werden, die aus einem anderem Dielektrikum als SiO2 bestehen, mit einem anderen Element als Ge implantiert wurden oder andere Kontakte als ITO und Aluminium besitzen.The same process steps described above can be applied to the fabrication of MOSLEDs made of a dielectric other than SiO 2 , implanted with an element other than Ge, or having contacts other than ITO and aluminum.

Es wird die Gesamtlebensdauer als Verhältnis von QBD zur Injektionsstromdichte definiert, wobei die EL-Intensität bei 390 nm gemessen wurde. Ein häufig benutztes Maß für die EL-Stabilität ist die Halbwertszeit, in der die EL-Intensität auf 50% ihres ursprünglichen Wertes fällt. Eine unbehandelte MOSLED zeigt eine relativ geringe Stabilität im Sinne der Halbwertszeit. Im Vergleich dazu zeichnet sich die plasmabehandelte MOSLED durch eine deutlich verbesserte Stabilität aus, die um einen Faktor von rund 4 höher als die einer unbehandelten MOSLED ist.The total life is defined as the ratio of Q BD to the injection current density, with the EL intensity measured at 390 nm. A commonly used measure of EL stability is the half-life, in which the EL intensity drops to 50% of its original value. An untreated MOSLED shows a relatively low stability in terms of half-life. In comparison, the plasma-treated MOSLED is characterized by a significantly improved stability, which is higher by a factor of about 4 than that of an untreated MOSLED.

Dieses Resultat zeigt, dass die Plasmabehandlung die Lumineszenzzentren nicht oder nur im positiven Sinne beeinflusst, während Defekte, die zur Degradation des Oxids unter Hochfeldinjektion beitragen, größtenteils eliminiert werden.This Result shows that the plasma treatment the luminescence centers not affected or only in a positive sense, while defects that contribute to degradation contribute to the oxide under high field injection, largely eliminated.

Der Einsatz von leichten, chemisch aktiven Elementen wie Wasserstoff und Stickstoff ist in zweierlei Hinsicht von Nutzen. Zum einen schädigen leichte, sich im Plasma befindliche Elemente die Oberfläche der MOSLED nicht so stark wie schwerere Elemente, wie z.B. Argon. Zum zweiten kann Wasserstoff abgerissene Bindungen sättigen und eine Vielzahl andere Defekte neutralisieren, während Stickstoff eine teilweise Nitrierung der Oxidoberfläche verursacht und somit die strukturelle Qualität erhöht. Daher bietet die Kombination beider Elemente ideale Bedingungen für eine Modifizierung der Oxidoberfläche und der Defekteigenschaften im positiven Sinne.Of the Use of light, chemically active elements such as hydrogen and nitrogen is useful in two ways. For one, harming light, elements in the plasma are not so strong on the surface of the MOSLED as heavier elements, e.g. Argon. Second, hydrogen Saturate broken bonds and neutralize a variety of other defects while nitrogen causes a partial nitration of the oxide surface and thus the structural quality elevated. Therefore, the combination of both elements offers ideal conditions for one Modification of the oxide surface and the defect properties in a positive sense.

Die vorliegenden Messergebnisse zeigen, dass die Plasmabehandlung auch die Qualität der ITO-Elektrode verbessert, was wahrscheinlich auf die Passivierung von Grenzflächenzuständen an der Grenzfläche zu ITO zurückgeführt werden kann.The present measurement results show that the plasma treatment also the quality the ITO electrode improved, probably due to the passivation of interface states the interface attributed to ITO can.

Es wird allgemein angenommen, dass ein plasmabehandeltes Bauelement mindestens zwei Arten von Strahlung ausgesetzt ist, nämlich der Bestrahlung durch niederenergetische Elektronen und Ionen sowie ionisierender UV- und Gammastrahlung. Intensität und Art dieser beiden Strahlungsarten hängen stark von Frequenz und Stärke des elektrischen Feldes sowie vom Kammerdruck ab. Niederenergetische Elektronen und Ionen können die Deckelektrode nicht durchdringen. Die Deckelektrode und die SiO2-Schicht kann jedoch für Photonen mit einer Energie oberhalb 1 keV durchlässig werden. Diese Art von Strahlung kann daher die oberflächennahen Bereiche des Si erreichen und dort verschiedene Veränderungen verursachen.It is generally believed that a plasma-treated device is exposed to at least two types of radiation, namely, low-energy electron and ion irradiation and ionizing UV and gamma radiation. The intensity and nature of these two types of radiation depend strongly on the frequency and strength of the electric field and on the chamber pressure. Low-energy electrons and ions can not penetrate the cover electrode. However, the cover electrode and the SiO 2 layer may become permeable to photons having an energy above 1 keV. This type of radiation can therefore reach the near-surface areas of the Si and cause various changes there.

Elektroneneinfang tritt bei niedrigen elektrischen Feldern auf. Bei hohen elektrischen Feldern ( > 8 MVcm–1), die üblicherweise für die Anregung einer defektbasierten EL notwendig sind, kommt es zum Einfang positiver Ladungsträger durch Löchereinfang an ODCs.Electron trapping occurs at low electric fields. At high electric fields (> 8 MVcm -1 ), which are usually necessary for the excitation of a defect-based EL, positive carrier trapping occurs by hole trapping on ODCs.

Claims (8)

Verfahren zur Behandlung von Silizium-basierten Lichtemittern auf der Basis von Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen mittels eines Plasmas in einer Niederdruck-Plasmakammer durchgeführt wird.Process for the treatment of silicon-based light emitters on the basis of metal oxide semiconductor structures, characterized in that the treatment of the metal oxide semiconductor structures by means of a plasma is carried out in a low-pressure plasma chamber. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma aus Stickstoff und Wasserstoff besteht, wobei der Stickstoffanteil zwischen 70 und 90 % und der Wasserstoffanteil zwischen 30 und 10 % beträgt.Method according to claim 1, characterized in that that the plasma consists of nitrogen and hydrogen, wherein the Nitrogen content between 70 and 90% and the hydrogen content between 30 and 10%. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsdruck bei Beginn der Plasmabehandlung im Bereich von 10–6 bis 10–5 mbar und während der Plasmabehandlung bei etwa 10–2 mbar liegt.A method according to claim 1, characterized in that the working pressure at the beginning of the plasma treatment in the range of 10 -6 to 10 -5 mbar and during the plasma treatment at about 10 -2 mbar. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz des Plasmas im Bereich 1 MHz und 1 GHz, vorzugsweise bei 13,56 MHz liegt.Method according to claim 1, characterized in that the excitation frequency of the plasma is in the range of 1 MHz and 1 GHz, preferably at 13.56 MHz. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte zur Erzeugung des Plasmas im Bereich 0,5 bis 1,5 Wcm–2, vorzugsweise bei 0,7 Wcm–2 liegt.A method according to claim 1, characterized in that the power density for the production of the plasma in the range 0.5 to 1.5 Wcm -2 , preferably at 0.7 Wcm -2 . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Plasmabehandlung im Bereich von 5 bis 30 min, vorzugsweise bei 15 min liegt.Method according to claim 1, characterized in that that the duration of the plasma treatment is in the range of 5 to 30 min, preferably at 15 min. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der eigentlichen Plasmabehandlung unabhängiges Heizgerät zur Vorheizung der Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen benutzt wird.Method according to claims 1 and 4, characterized that is independent of the actual plasma treatment heater for preheating the Metal-oxide-semiconductor structures is used. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen während der Plasmabehandlung zwischen Raumtemperatur und 300°C, vorzugsweise zwischen 100 und 200°C liegt.Method according to claims 1 and 7, characterized that the temperature of the metal oxide semiconductor structures while the plasma treatment between room temperature and 300 ° C, preferably between 100 and 200 ° C lies.
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