專利名稱：以微波等離子體生產介電層的設備和方法
以微波等離子體生產介電層的設備和方法本發(fā)明涉及用于產生微波等離子體的設備以及涉及用于通過微波等離子體處理半導體襯底的設備和方法。根據發(fā)明性設備和發(fā)明性方法，將在半導體工藝盤上，尤其是在室溫或者稍微提高的溫度下，生產沒有缺陷的介電層。對于諸如存儲器芯片、微處理器、專用集成電路或者邏輯組件的電子元件的生產而言，需要非常精確和可靠工作的半導體生產設備。要制造的產品在諸多情況下為半導體組件，其被要求操作可靠并且應當包括可再現(xiàn)的電特性和物理特性。為制造這種半導體組件需要執(zhí)行數(shù)百個單獨工藝步驟。同時，存在向越來越小的結構發(fā)展的趨勢，換言之，每平方厘米的半導體組件數(shù)量一直在增大，其常給半導體制造設備的制造商帶來新挑戰(zhàn)。在低溫下生產零錯誤或無缺陷隔離層是用于生產與具有65nm的邏輯半導體結構的邏輯組件一樣可靠的，包括45nm、32nm、甚至更小的半導體結構的半導體組件需解決的緊迫問題。例如在汽車產業(yè)中，要求在該領域使用的電子組件能夠長時間沒有錯誤地工作，因為人的生命依賴于其可靠操作。為了滿足這種要求，組件的可靠性需要相應地增加，其中尤其在生產無缺陷介電層或者生產可通過相應后處理變?yōu)闊o缺陷狀態(tài)的層中存在實質性解決方法。本半導體技術的另一要求包含，例如在熱氧化層或者其它介電層的生產期間降低熱預算或者熱輸入，如上所述。此外，需要滿足晶體管發(fā)展中的新要求，例如對于所謂“金屬柵”的要求。硅對于鎢、鎢硅、氮化鉭、氮化鈦等材料的選擇性氧化應當在低溫下進行。另一進一步的要求是由不同摻雜的硅與氮化硅氧化物組成的半導體結構的均勻氧化。此外，可靠操作的半導體組件的生產要求生產無缺陷層，該無缺陷層具有關于例如鉭、鈮、氮化鉭、氮化鈮、以及類似材料的高介電常數(shù)，還要求對分別經CVD和ALD工藝沉積的有缺陷層的后處理。過去，通過在爐或RTP反映堆中熱氧化，或者通過CVD工藝，或者最近通過ALD工藝來生產介電層，其中，歸因于相應生產方法，這些工藝通常不能生產相對于其電特性的無缺陷層。因此，在熱氧化期間，晶體結構中的污染或者缺陷可導致電缺陷層。成核以及包含微粒的問題是造成CVD和ALD層的電弱點原因，尤其對于薄層以及微粒包含而言。熱氧化的另一缺點在于所謂的熱預算，即，處理溫度乘處理時間的乘積。在半導體生產的諸如熱氧化和硝化的許多工藝中，對于所需層建立的熱預算非常高，使得在建層期間可造成半導體元件的顯著缺陷。舉例而言，當溫度預算變得太高時，摻雜劑擴散分布可能被擾亂，這降低組件的可靠性。熱氧化的另一缺點在于不同摻雜和不同晶向硅以不同速度氧化，這可導致例如氧化物的不同擊穿電壓，擊穿電壓取決于晶向。這在半導體生產中造成實質問題。熱氧化的另一缺點在于在硅氧化期間氮化硅僅被最小程度地氧化的事實。對于當前使用的半導體組件而言，存在其中氮化硅直接位于鄰近硅表面的結構。對于這種結構而言，可能僅僅是有限地使用或者可能完全不使用熱氧化工藝。對于這種氧化工藝而言，在硅表面和氮化硅層之間的過渡區(qū)域中沒有形成氧化層或者沒有形成所需氧化層。已知試圖避免這種缺點的方法。EP 1，018，150描述用于形成氧化物的方法，其中
5對襯底進行加熱至充分高的溫度以便于在處理腔體中在襯底附近啟動含氧化物氣體和氫氣之間的反應。在該已知方法中，氫和氧引導至加熱硅盤，其處于高于約850攝氏度的升高溫度和約1/100大氣壓的壓力下，并形成硅和氮化硅的薄氧化層。在該文獻中這種氧化還稱作原位濕法氧化，僅產生薄氧化層并且還需要高溫，而在許多情況下高溫都是不能接受的。在室溫或幾百攝氏度的溫度下進行硅對于諸金屬的選擇性氧化在這種方法中是不可行的。在大區(qū)域上不能夠無缺陷地沉積具有高介電常數(shù)的層，尤其晶體層。此刻，存在試圖在等離子體RF激活的基礎上實現(xiàn)硅的氧化的設備。例如US 7，214，6 公開了使用一設備的柵氧化方法，在該設備中經由脈沖化微波輻射生成電感性地形成的等離子體。在該方法中，故意將等離子體保持在離襯底充分遠距離處，以便于避免形成氧化層時由離子生成的缺陷。等離子體被開啟和關閉。在關閉間隔期間，來自等離子體的離子可到達襯底。在氧化層形成期間，限制腔體壓力和脈沖周期以使在氧化層中經由離子轟擊引入的缺陷保持得盡可能少。但是，在該設施中使用的等離子體達不到低能量離子和電子的密度，該密度是用于獲得期望效果所需的，即，用于在短時間內在襯底上形成具有基本厚度的層。US 2007/0221294 Al還描述用于形成氧化膜或者氮化膜的基于微波的等離子體生成設備。在該設備中，微波等離子體通過配電板被引導至該襯底上以便分別形成均勻氧化層和氮化層，配電板與要處理的襯底分隔開。另外，該微波等離子體不包括用于實現(xiàn)所需效果所必要的等離子體密度，這歸因于饋送至處理腔體中的方式。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一設備，該設備生成具有極高密度的低能量離子和電子的微波等離子體，以使將被設置有例如氧化層的介電層的襯底在其表面上帶強負電。在該方式中，以短時間和低于800攝氏度的低溫下，不可能在優(yōu)選為半導體襯底的襯底上形成充分厚的例如氧化層的介電層。本發(fā)明的另一目的是提供用微波等離子體且優(yōu)選在低溫下生產無缺陷且盡可能均勻的介電層的方法。該問題由本發(fā)明通過一個或多個所附權利要求的設備和方法所解決。有利實施例在相應從屬權利要求中公開。該發(fā)明性微波等離子體設備包括可能連接到至少一個微波發(fā)生器的至少一個電極，其中該至少一個電極包括由導電材料制成的同軸內導體和由導電材料制成且至少部分包圍內導體并與內導體分隔開的同軸外導體。該至少一個電極可能有利地包括等離子體激發(fā)設備，其連接到同軸內導體，優(yōu)選連接到同軸內導體的端部。同軸外導體包括至少一個第一區(qū)，在其中同軸外導體沿著其長軸完全包圍同軸內導體；以及至少一個另一區(qū)，在其中同軸外導體部分包圍同軸內導體，以使由微波發(fā)生器生成的微波輻射可垂直于同軸內導體長軸從該至少一個另一區(qū)排出。例如可按照管狀形成同軸內導體。在該另一區(qū)中，同軸外導體沿著同軸內導體形成開口，即，在該區(qū)中同軸內導體不被同軸外導體完全包圍。有利地，各電極電連接至微波發(fā)生器。附加區(qū)可直接與該另一區(qū)相鄰。附加區(qū)的特征為，在該附加區(qū)中的同軸內導體不被同軸外導體包圍。該附加區(qū)還可直接與至少一個第一區(qū)相鄰且還可替代至少一個另一區(qū)。本發(fā)明的一個優(yōu)點在于用于處理半導體襯底的設備，該設備中使用了發(fā)明性微波等離子體設備，該設備可容易地縮放以用于450mm或更大直徑的襯底。
所述至少一個電極有利地至少沿著該區(qū)被非導電材料包圍，其中同軸外導體沿著內導體的長軸形成開口。該非導電材料可以是石英、玻璃、氧化鋁、或藍寶石。有利地，其形成為空心圓柱體。該空心圓柱體可容納電極或電極的至少部分區(qū)域，在該至少部分區(qū)域內，外導體沿著同軸內導體長軸形成開口。優(yōu)選地，該非導電材料還容納該電極的未連接到微波發(fā)生器的自由端。該至少一個電極的微波輻射功率可有利地按照開環(huán)/閉環(huán)方式來控制?？稍谌菁{部分電極的非導電材料和電極本身之間形成空間，在該空間中存在大氣壓下的空氣。替代地，在該空間中可存在減小的壓力下的另一氣體。該空間可包含例如，諸如氧、氫、氮、N2O的處理氣體和/或惰性氣體或者這些氣體的混合物。該空間中的壓力可在 0巴和數(shù)巴之間。該空間還可由液體或固體介電材料填充。該空間中的壓力要被選擇成在電極和包圍該電極的隔離管之間不形成等離子體。同軸外導體可在所述至少一個另一區(qū)中形成以使該同軸外導體在該區(qū)的一端處完全包圍同軸內導體，且使同軸外導體形成開口且從該區(qū)的一端向另一端持續(xù)變細。同軸外導體有利地設計成以使其超過半導體襯底的邊緣區(qū)而形成開口且其截面向半導體襯底的相反邊緣持續(xù)變細。同軸外導體還可在該至少一個另一區(qū)中包括沿著同軸內導體的長軸的若干開口。該同軸外導體可按照橢圓或者菱形方式被切成開口。該同軸外導體可例如以圓柱體方式包圍內導體，且同軸外導體可包括沿著該包圍覆層(surrounding cover)的多個開口部分，其中這些部分例如以橢圓、菱形或者正方形的形式切成開口。外導體覆層 (cover)也可按照一角度被切成開口以使其包括沿著內導體的長軸的開口區(qū)。該覆層可能按照V形切割或者其可包括一個或更多V形、長方形或者U形的切口。該覆層還可切成開口以使其沿著內導體周圍的所述至少一個另一區(qū)有螺旋。激發(fā)設備可形成為在同軸內導體的端部處的電感器。為此目的，同軸內導體可例如在其端部處包括彎曲形狀。該激發(fā)設備優(yōu)選形成為線性赫茲振蕩器，其中該線性赫茲振蕩器的波長對應于微波發(fā)生器波長的一半和/或其整數(shù)倍。微波發(fā)生器有利地包括 2. 45GHz或5. 4GHz或915MHz或13_14GHz的微波頻率。微波發(fā)生器還可包括任何其它頻率。微波等離子體設備可以是例如在半導體處理產業(yè)中用于等離子體處理半導體襯底的設施的一部分。該微波等離子體設備可包括例如容納于金屬箱中的處理腔體，其中金屬箱包括用于引入半導體襯底的可關閉開口，其中可設置有用于冷卻和/或加熱金屬箱的裝置。其可包括用于支持半導體襯底的襯底支架，其位于處理腔體中且優(yōu)選包括置于該處理腔體中的至少一個隔離管，有利地，該隔離管相對處理腔體被真空密封，且所述至少一個電極的至少一部分插入于其中，其包括有所述開口的同軸外導體。此外，該金屬箱包括用于弓I入處理氣體的至少一個開口，但是優(yōu)選地包括多個開口，還包括用于排放處理氣體的至少一個開口，但是優(yōu)選包括若干另外的開口。用于排放處理氣體的開口優(yōu)選地持久固定于真空泵。處理腔體中的處理氣體壓力優(yōu)選為可按照閉環(huán)端和/或開環(huán)方式調節(jié)至在ι毫托和20托之間的范圍中。該金屬箱可由例如鋁組成。優(yōu)選地，襯底支架可旋轉地安排在處理腔體中。襯底支架可圍著至少一個軸旋轉， 該軸有利地安排成和置于襯底支架的襯底支持區(qū)中的半導體襯底的半導體襯底表面相垂直支架。半導體支架和所述至少一個隔離管之間的距離可變，從而在處理期間設置襯底和微波能量輻射電極之間的期望距離。襯底支持器可被冷卻和/或被加熱。襯底支持器可至少部分地由氮化鋁、和/或氮化硅、和/或石英、和/或藍寶石、和/或碳化硅組成。對于例如半導體晶片的圓形襯底而言，襯底支持區(qū)可被附加環(huán)形區(qū)包圍，其包括在襯底支持區(qū)周圍環(huán)形地安排的所謂的延伸襯底區(qū)，其可包括在襯底周圍環(huán)形安排的襯底材料元件。襯底支持區(qū)可包括用于支持半導體襯底的基座，其中該基座可連接至用于測量襯底溫度的至少一個熱偶。此外，可設置用于測量襯底支架的襯底支持區(qū)中持有的半導體襯底溫度的溫度測量設備。這種溫度測量例如可以高溫測定法(pyrometrically)實現(xiàn)。處理腔體包括至少一個電極，但是優(yōu)選一個或多個隔離管通常相互平行地安排在襯底支持區(qū)上的平面中和/或襯底支持區(qū)下的平面中，其中各隔離管優(yōu)選可容納一個電極或者至少一個電極的相應至少一個另一區(qū)，該至少一個另一區(qū)包括同軸導體上為了讓微波輻射離開而設置的區(qū))，即至少是同軸外導體沿著同軸內導體長軸形成開口的區(qū)。同軸內導體可附加地包括至少一個附加區(qū)，可設置該附加區(qū)來替代所述的至少一個另一區(qū)。該附加區(qū)設置在同軸內導體的端部區(qū)處，輻射微波且不被同軸外導體包圍。在該情況下，該隔離管也優(yōu)選地容納電極的該附加區(qū)。所述至少一個電極的同軸外導體優(yōu)選地開口超過安排在襯底支架的襯底支持區(qū)中的半導體襯底，且最優(yōu)選為在整個延伸襯底區(qū)上形成開口。當設備包括多個電極的情況下，包括輻射電磁能量的區(qū)的這些電極或至少一部分電極優(yōu)選地被分別容納于隔離管中。 隔離管優(yōu)選為安排成相互一般平行(generally parallel)，其中相互“一般平行”可理解為隔離管的長軸以彼此的角度小于10°地安排。安排在襯底支持區(qū)上的隔離管優(yōu)選為全部安排在同一平面中。在若干隔離管安排在處理腔體中的襯底支持區(qū)下方的情況下，這些隔離管亦優(yōu)選地安排在一個平面中。容納于隔離管中的電極的輻射區(qū)最優(yōu)選為覆蓋整個襯底支持區(qū)，優(yōu)選還覆蓋延伸襯底區(qū)。對于設備包括多個電極的情況，電極的微波輻射功率可按組別以開環(huán)方式和/或閉環(huán)方式和/或針對各電極分別地和/或針對預定數(shù)量電極來控制。優(yōu)選地，鄰近的電極被安排成可在它們各自的隔離管的相反側上連接到各自的微波源， 以便于增大等離子體的均勻性。電極可分別地或者按組別連接至不同微波源，其中不同微波源可輻射具有相同輻射頻率，或優(yōu)選為不同輻射頻率的微波能量?？蓪⒏郊蛹訜嵩才旁谔幚砬惑w中，位于襯底支持區(qū)的下方和/或上方。這些加熱元件例如可以是鹵素燈和/或弧光燈。該加熱元件可通過石英玻璃、和/或摻雜有雜質原子的石英玻璃、和/或包括摻雜有雜質原子的區(qū)域的石英玻璃與處理腔體分離?？稍诮饘傧涞纳蟼劝才鸥綦x板，從而避免等離子體和金屬壁接觸。該金屬箱例如可在其朝向處理腔體的一側上具有由陽極氧化鋁制成的表面區(qū)域。此外，該處理腔體可包括在襯底支持區(qū)上方和/或下方的、和金屬箱分隔開的電極，其中該分離電極優(yōu)選為固定連接至隔離板。該分離電極可連接至例如直流電或者脈沖化直流電以便執(zhí)行陽極氧化。該電極還可連接至交流電。交流電適合于調制等離子體和/或要處理的襯底(例如，半導體晶片)的表面電荷，且可對于處理結果的改善作出貢獻。在本文中，還可能在等離子體處理發(fā)生期間例如以脈沖方式僅暫時地將電極連接至直流電。還有可能隨時間以脈沖方式和/ 或調制方式進行等離子體處理本身。本領域普通技術人員將考慮這些可能性的變體和組合以便獲得期望的處理結果。
在這樣的設備中處理半導體襯底可包括以下步驟a)將半導體襯底引入處理腔體中，且將半導體襯底置于安排在處理腔體中的襯底支架上；b)抽空處理腔體；c)將處理氣體引入處理腔體中；d)通過微波等離子體設備的電極/諸電極將微波輻射插入處理腔體中，并在處理腔體中生成微波等離子體；e)關閉微波輻射；f)對處理腔體通氣(vent)；g)從處理腔體移出半導體襯底。在步驟a)至g)之間，可在該處理的步驟d)之前、和/或期間、和/或之后將半導體襯底加熱至預定溫度。預定溫度優(yōu)選為在室溫和650攝氏度之間。處理氣體可以是例如，氬、氦、氧、氫、氮、H2O(蒸汽)、氘、D2O(蒸汽形式的重水)、 和/或一氧化二氮、或這些氣體的混合物。該氣體還可包括例如，NF3、CF4或Cl2或者這些氣體的混合物。這在清潔操作期間可能是有利的。可用該發(fā)明性設備生產無缺陷介電層。在本文中，襯底表面帶負電對于生產無缺陷介電層具有顯著功效，因為只要獲得等效于電荷的層厚，那么層的建立就會在表面的所有區(qū)域中持續(xù)。本發(fā)明性氧化方法的優(yōu)點在于，和由歸因于所需溫度的擴散來控制的熱氧化相反，使用了用于氧化的方法，其導致歸因于由表面電荷生成的電場的氧化層建立。在CVD和 ALD方法中要求襯底表面的相應化學電位以用于建立無缺陷層，這難以控制。因為氧化是由微波等離子體造成的帶負電的電場造成的，所以氧化可在室溫下或者稍微升高的溫度下進行。氧化與襯底溫度無關，且現(xiàn)在襯底溫度可設置成獲得最優(yōu)處理結果。此外，氧化與硅中摻雜劑的種類和濃度無關。用此發(fā)明性方法，還可能在室溫下對氮化硅進行良好氧化。添加氫對于氧化層厚度以及氧化層的建立沒有實質影響，直到處理氣體中氫達到高百分比，其允許硅相對于金屬和金屬氮化物的選擇性氧化。另外，硅的氧化，還有鉭、鈮、鋁、以及它們的氮化物的氧化也是可行的。與CVD和 ALD方法相反，分別通過金屬或其氮化物的氧化，可在室溫下沉積無缺陷高質量介電層，這些層可用于例如用于“RF”和“退耦”應用的MIM電容器，還可用于汽車通信和其它多種邏輯技術。該發(fā)明性設備和發(fā)明性方法允許產生具有極高密度的低能量離子和電子的等離子體，其中激活氣體的離子化程度以激活頻率的平方增大。如果入射功率對于等離子體的飽和而言是充分的，可用具有例如2. 45GHz的激活頻率的微波等離子體獲得約80%的離子化程度。由于電子質量和帶正電離子之差達到10的4次冪^decimal powers)，并且還由于低能量電子的低碰撞截面，等離子體中電子的平均自由程比離子的平均自由程高約10的2 次冪。因此，在等離子體和襯底之間的邊界帶中，電子更快到達襯底表面，且在襯底上形成高負電。只有從等離子體吸引了充分的正離子，充電過程才會停止。在該情況下，一部分正離子，例如主要為一部分帶單價正電的(single positively charged)氧離子，即由等離子體產生的帶單價正電的氧，被中和且回到等離子體空間中。另一部分帶單價正電的陽離子分別吸引兩個或三個電子，且變?yōu)閹蝺r負電或者帶二價負電。該部分被襯底的負表面電荷從襯底排斥開。一部分帶負電的氧還被傳輸回等離子體空間。另一部分帶負電的氧，如果其穿過等離子體的負電荷帶，則可對于襯底氧化以及電介質建立作出貢獻。通過參考圖的優(yōu)選實施例，將更具體解釋該發(fā)明性設備和發(fā)明性方法。在圖中，不同圖中的具有相同效果的元件由相同附圖標記來表示。本領域普通技術人員將理解實施例和示例變體以及公開實施例的組合落入本發(fā)明的范圍。發(fā)明性設備可有利地使用于未在本文中公開的其它應用或者其它方法。

圖1、la、lb、2、3示出發(fā)明性設備的不同實施例。圖^、4b3c示出電極同軸外導體^、4b3c的不同實施例，且圖4d3e、4f、4g示出電極同軸內導體的不同實施例。圖5、6、7和8示出通過發(fā)明性設備在半導體襯底上形成的不同氧化物的氧化結果ο圖9示出襯底上的有缺陷電介質的示例，該襯底通過在等離子體中的陽極氧化予以修復。圖l、la和Ib示出發(fā)明性設備的截面。這些圖示出金屬箱10，其包括可由門(未示出)關閉的開口(未示出)且裝有處理腔體(process chamber) 0金屬箱10連接至隔離管11。隔離管11優(yōu)選通過密封裝置連接至金屬箱10的相反側上，該密封裝置優(yōu)選將處理腔體的內空間相對周圍的大氣密閉地密封，且隔離管11橫越整個處理腔體。隔離管11優(yōu)選由石英或者氧化鋁組成。這些密封裝置優(yōu)選制造成如果處理腔體被抽成真空，沒有周圍大氣可通過這些密封裝置進入處理腔體。隔離管11的一個部分可保持，諸如鹵素燈或者弧光燈的加熱元件12。如圖1所示，襯底支架14可設置在處理腔體中。襯底支架14優(yōu)選可圍著驅動器的驅動軸13旋轉，且可沿著軸向移動。設置襯底支架14以用于在例如處理腔體中的襯底支持區(qū)中的引腳上支持襯底15。位于處理腔體中的襯底支架14可包括冷卻和 /或加熱流體通路16，例如可在圖Ia和Ib中觀察到的那樣。在該情況下，襯底15可平整地安排在襯底支架14上以便與襯底支架良好地熱接觸。加熱元件12(鹵素輻射器，氣體放電燈等)可能用于加熱基座或者襯底至期望溫度，且安排在要處理的襯底下方。金屬箱10包括至少一個但是優(yōu)選為若干個用于引入處理氣體的氣體入口，以及至少一個氣體出口 19，其優(yōu)選為連接至真空泵。安排在襯底支持區(qū)上方的隔離管保持電極 21、22、23，這些電極連接至至少一個微波發(fā)生器20。電極21、22、23包括由導電材料制成的薄管狀同軸內導體21以及同軸外導體22，同軸外導體至少部分包圍內導體且與內導體分隔開。此外，等離子體激發(fā)設備連接至同軸內導體21。微波等離子體M在處理腔體中在隔離管11外部生成。該隔離管11優(yōu)選由石英玻璃組成，且在其內空間中它們保存例如常壓下的空氣。如圖1、Ia和Ib所示的金屬箱10的上部可優(yōu)選設置有絕緣材料25，以便于避免等離子體M在半導體襯底15上造成金屬污染。圖Ib示出一實施例，其中電極沈穩(wěn)固地固定至絕緣材料25。通過該電極沈，一附加電位可施加在半導體襯底和電極之間，且可執(zhí)行陽極氧化。其具有的優(yōu)點為可產生較厚的層。電極21、22、23的同軸外導體22包括至少一個第一區(qū)31，其中同軸外導體沿著其長軸完全包圍同軸內導體21。同軸外導體還包括至少一個另一區(qū)32，其中同軸外導體部分地包圍同軸內導體21，以使當電極21、22、23連接至微波發(fā)生器20時，由微波發(fā)生器20生成的微波輻射可在至少一個另一區(qū)32中基本垂直于同軸內導體21的長軸排出。圖2示出發(fā)明性設備的另一實施例。與圖l、la和Ib的實施例相比，基座14被運輸滾柱(roller) 14a替代，其運輸半導體襯底15通過金屬箱。圖3示出發(fā)明性設備的另一實施例。在該情況中，用于生成微波等離子體的電極 21、22在處理腔體中位于一個半導體襯底15和另一半導體襯底1 之間。加熱元件12安排在兩個半導體襯底的上方和下方兩處。同軸外導體的若干實施例在圖4a、4b和如中示出。圖4a、4b和如示出第一區(qū)31與另一區(qū)32，在第一區(qū)中同軸外導體22完全包圍同軸內導體，且在另一區(qū)32中同軸外導體22部分地包圍同軸內導體。圖如示出切成橢圓開口的同軸外導體。圖4b示出切成菱形開口的同軸外導體，而圖如示出切成六角形開口的同軸外導體。這些同軸外導體的實施例是有利的，因為在內導體和外導體之間傳輸?shù)碾姶挪赏ㄟ^外導體22的開口 32排出以生成等離子云24。通過這些方式，等離子云M被限制在軸向中，且避免等離子體傳播到金屬箱10中用于隔離管11的通路(例如，參照圖1)并造成金屬污染。此外，外導體22的有利實施例避免了襯底的導電性以及外導體至電極的間隔對等離子云形成有影響。圖4d、4e、4f和4g示出等離子體激發(fā)設備23的有利實施例，其優(yōu)選固定于同軸內導體21的端部處。微波等離子體設備的激發(fā)設備23促進在設備中在低壓以及高壓下的可靠激發(fā)操作，且可形成為具有微波波長的一半或者整數(shù)倍波長的線性赫茲振蕩器。此外，激發(fā)設備23可形成為在內導體20端部處的電感，其中電感由內導體的若干線圈形成。此發(fā)明性設備的操作如下在約1/10，000至1/1，000的大氣壓強的負壓下，在處理腔體中引入氧化中性和/ 或還原氣體，且由來自微波發(fā)生器20的微波能量激活氣體(通常在2. 54GHz的頻率下)以生成微波等離子體。要處理的襯底15通過旋轉及升降構件13和襯底支架14、1 而被旋轉并支持在相對于微波同軸導體電極21、22—段期望距離(約Icm至15cm)處。通過適當?shù)卦O置壓力、氣體混合物、微波功率、電極距離，可產生襯底處的所需等離子體密度或者電荷密度，由此可獲得期望的處理結果。為了生成與襯底導電性和至電極距離無關的等離子體，在同軸內導體21和同軸外導體22之間引入的微波能量必須均勻地經由同軸外導體22 的開口排出，且微波能量必須均勻地引入到等離子帶(微波能量在此被吸收)。這是通過同軸外導體22的適當設計(同軸外導體22在同軸內導體21周圍且沿著同軸內導體21)，結合同軸外導體22的相應端部或者相應激發(fā)設備來予以實現(xiàn)的。通常在棒狀或者板狀等離子激發(fā)中使用的那種僅經內導體的等離子體激發(fā)不能使用于此，因為微波可通過導電襯底傳播且可導致不可控制的影響。同軸內導體21的一端由等離子體激發(fā)設備23形成，該等離子體激發(fā)設備被設置以用于確保氣體可在低壓以及高壓下可靠激發(fā)。圖5示出在硅襯底上生長的氧化物厚度與襯底和微波等離子體設備之間距離的關系，其中等離子體燃燒時間為120秒，處理氣體壓力為100毫托，且微波輻射功率為500 瓦；氧被用作處理氣體。氧化物的生長厚度符合指數(shù)規(guī)律。圖6示出在發(fā)明性設備中，在室溫下對于不同襯底和不同處理氣體壓力的等離子體氧化物的生長曲線，其為關于以秒計的等離子體燃燒時間函數(shù)。具有方塊標記的曲線112 示出在摻硼的P-硅上的氧化物厚度，其中在處理腔體中處理氣體具有100毫托的氧。具有交叉標記的曲線114示出在100毫托處理氣體壓力下的摻磷η-硅上的氧化物厚度。具有圓圈標記的曲線116示出在500毫托處理氣體壓力下的摻硼ρ-硅上的氧化物厚度。具有星狀標記的曲線118示出在500毫托處理氣體壓力下的摻磷η-硅上的氧化物厚度。該圖示出二氧化硅的生長與其下方的襯底摻雜無關。該示例示出由發(fā)明性方法產生了具有極高密度低能量離子和電子的微波等離子體，其在室溫和700攝氏度之間的溫度下導致例如硅的襯底的氧化，這與取向和摻雜無關，且在很大程度上與襯底本身無關。圖7示出該發(fā)明性設備中取決于每電極的等離子體功率的以埃計的氧化物生長厚度，其中等離子體燃燒時間為60秒，處理氣體壓力為100毫托。具有50%氫的氫和氧混合物用作處理氣體。具有方塊標記的曲線120示出摻硼P-硅上的與微波功率相關的氧化物厚度。具有星狀標記的曲線122示出摻磷的η-硅上的氧化物厚度以及各測量的可能存在的測量偏差。該圖示出氧化物生長與襯底摻雜無關，且示出氧化物生長穩(wěn)定地隨著所施加的等離子體功率增大而增大。圖8示出氧化物厚度對于向氧添加氫的依賴性。氫和氧的混合比低于2 1的區(qū)域被定義為富含氧區(qū)域130。氫和氧的混合比高于2 1的區(qū)域被定義為富含氫區(qū)域135。 兩份氫和一份氧的混合比稱作氫和氧的化學計量法混合比。曲線137示出在60秒的等離子體燃燒時間期間在硅盤或者晶片上生長的以埃計的氧化物厚度。直到以化學計量法混合比添加氫前，在測量誤差邊界內氧化物厚度保持恒定。如果氫濃度進一步增大，氧化物厚度如預期地減小。該示例示出相對于選擇性氧化和非選擇性氧化的該發(fā)明性方法的特別優(yōu)勢。通過選擇氧和氫的混合比，可設置室溫下的任何期望的處理條件。因此，可大大避免在選擇性氧化期間的金屬蒸發(fā)。在鎢、鈮、鉭、和氮化鉭、鈦、氮化鈦、或者其它氮化物存在時的硅的選擇性氧化是可行的，且在鎢、鈮、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、或者其它氮化物存在的情況下，對硅進行氧化的氧化速率基本上達到與硅的非選擇性氧化相同的速率。圖9示出由在其上置有具有缺陷15h、52b的有缺陷電介質151的硅制成的襯底 150，其中襯底通過在SiA和Ta2O5等離子體中陽極氧化來修復；參照半球153a，15北。因此，可實現(xiàn)達到14V的擊穿電壓。該陽極氧化可有利地用于諸如Ta、TaN的其它襯底。通過向例如電極沈施加直流電，可執(zhí)行陽極氧化，且可在襯底上以該方式產生較厚介電層。
權利要求
1.一種微波等離子體設備，包括可連接到微波發(fā)生器00)的至少一個電極(21、22、 23)，其中所述至少一個電極01、22、23)包括由導電材料制成的同軸內導體以及由導電材料制成的同軸外導體(22)，同軸外導體02)至少部分地包圍同軸內導體且與同軸內導體分隔開；以及連接至所述同軸內導體的等離子體激發(fā)設備03)；其特征在于，所述同軸外導體0 包括至少一個第一區(qū)(31)，在所述第一區(qū)(31)中所述同軸外導體沿著所述同軸內導體的長軸完全包圍同軸內導體，且所述同軸外導體包括至少一個另一區(qū)(32)，在所述另一區(qū)(3 中其部分包圍所述同軸內導體以使在所述至少一個電極 (21,22,23)連接至所述微波發(fā)生器00)時，由所述微波發(fā)生器00)生成的所述微波輻射可從所述至少一個另一區(qū)(3 基本垂直于所述同軸內導體的長軸排出。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述至少一個另一區(qū)(32)沿著所述同軸內導體的長軸被非導電材料(11)包圍。
3.如權利要求2所述的設備，其特征在于，所述非導電材料(11)為石英玻璃、氧化鋁、 或者藍寶石。
4.如權利要求2或3所述的設備，其特征在于，所述非導電材料(11)形成為空心圓柱體。
5.如權利要求2、3或4所述的設備，其特征在于，所述非導電材料(11)包圍所述電極 (21,22,23)的一端。
6.如權利要求2至5的任一項所述的設備，其特征在于，在所述非導電材料和所述至少一個另一區(qū)(32)之間形成空間，在環(huán)境壓力下的環(huán)境空氣包含在所述空間中。
7.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，所述同軸外導體在至少一個另一區(qū)(3 中形成，以使所述同軸外導體在所述至少一個另一區(qū)(3 的一端處完全包圍所述同軸內導體(21)，且所述同軸外導體從所述至少一個另一區(qū)的所述一端到至少一個另一部分區(qū)(32)的另一端持續(xù)變細。
8.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，在所述至少一個另一區(qū)(32) 中，所述同軸外導體0 包括沿著所述同軸內導體長軸的至少兩個開口。
9.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，所述同軸外導體包括在所述至少一個另一區(qū)(32)中的具有橢圓或菱形形狀的開口(22a、22b、22c)。
10.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，所述同軸內導體在其端部處具有彎曲形狀。
11.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，所述微波發(fā)生器(20)電連接至所述同軸導體(21、22)。
12.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，所述微波發(fā)生器(20)包括約為2. 45GHz或5. 4GHz或915MHz的微波頻率。
13.如以上權利要求的任一項所述的設備，其特征在于，所述激發(fā)設備(23)形成為線性赫茲振蕩器，其中所述線性赫茲振蕩器的波長對應于所述微波發(fā)生器(23)波長的一半和/或其整數(shù)倍。
14.一種用于半導體處理的設備，包括被金屬箱(10)包圍的處理腔體，其中所述金屬箱(10)包括用于插入半導體襯底的可關閉開口 ；置于所述處理腔體中的襯底支架(Ha)，其用于支持所述半導體襯底(15)；置于所述處理腔體中的至少一個隔離管(11)，其用于容納根據權利要求1-13的任一項的所述至少一個電極01、22、2；3)的所述至少一個另一部分(32)；用于引入處理氣體的至少一個開口(18)；以及用于排出處理氣體的至少一個另一開口(19)。
15.如權利要求14所述的設備，其特征在于，所述另一開口(19)連接至真空泵。
16.如權利要求14或15所述的設備，其特征在于，可在1毫托至20托之間調節(jié)所述處理腔體中的所述處理氣體的壓力。
17.如權利要求14至16的任一項所述的設備，其特征在于，還包括用于測量在所述襯底支架(14a)的所述襯底支持區(qū)中被支持的半導體襯底(1 的溫度的至少一個溫度測量設備。
18.如權利要求14至17的任一項所述的設備，其特征在于，所述金屬箱由鋁構成。
19.如權利要求14至18的任一項所述的設備，其特征在于，所述襯底支架(14a)可旋轉地置于所述處理腔體中。
20.如權利要求14至19的任一項所述的設備，其特征在于，所述襯底支架(14a)可冷卻和/或可加熱。
21.如權利要求14至20的任一項所述的設備，其特征在于，所述襯底支架(14a)至少部分地由氮化鋁、和/或氮化硅、和/或石英、和/或藍寶石的任一個構成。
22.如權利要求14至21的任一項所述的設備，其特征在于，所述處理腔體包括基本平行地安排在所述襯底支持區(qū)的上方和/或下方的平面中的多個隔離管(11)，其中各隔離管 (11)包圍所述至少一個電極01、22、23)的相應每個的所述至少一個另一區(qū)(32)。
23.如權利要求22所述的設備，其特征在于，所述電極01、22、23)的微波輻射功率可分別控制和/或按開環(huán)和/或閉環(huán)方式按組別控制。
24.如權利要求21或22所述的設備，其特征在于，相鄰的電極01、22、23)在它們各自隔離管(11)的相反側上與各自的微波源00)連接。
25.如權利要求14至M的任一項所述的設備，其特征在于，所述加熱元件安排在所述襯底支持區(qū)的下方和/或上方。
26.如權利要求25所述的設備，其特征在于，所述加熱元件是鹵素燈和/或弧光燈。
27.如權利要求25或沈所述的設備，其特征在于，所述加熱元件通過石英玻璃和/或摻雜有雜質原子的石英玻璃與所述處理腔體分離。
28.如權利要求14至27的任一項所述的設備，其特征在于，在所述襯底支架(14a)和所述至少一個隔離管(11)之間的距離是可變的。
29.如權利要求14至觀的任一項所述的設備，其特征在于，所述同軸外導體02)在所述半導體襯底(15)的角隅區(qū)之上形成開口。
30.如權利要求14至四的任一項所述的設備，其特征在于，隔離板05)被安排在所述金屬箱的上側，以避免所述等離子體和所述金屬壁的接觸。
31.如權利要求14至30的任一項所述的設備，其特征在于，所述金屬箱(10)在面向所述處理腔體一側上包括由陽極氧化鋁制成的表面區(qū)。
32.如權利要求14至31的任一項所述的設備，其特征在于，所述處理腔體包括在所述襯底支持區(qū)上方的與所述金屬箱(10)分隔開的電極06)。
33.如權利要求32所述的設備，其特征在于，所述電極06)穩(wěn)固地連接至所述隔離板 (25)。
34.一種在根據權利要求14至33的任一項的設備中處理半導體襯底的方法，所述方法包括以下步驟a)將所述半導體襯底插入到所述處理腔體中，且將所述半導體襯底放置在置于所述處理腔體中的所述襯底支架上；b)關閉所述處理腔體的所述可關閉開口；c)抽空所述處理腔體；d)將處理氣體引入到所述處理腔體；e)通過所述微波等離子體設備的所述電極01、22、2；3)將微波輻射引入至所述處理腔體，且在所述處理腔體中生成微波等離子體；f)關閉所述微波輻射；g)對所述處理腔體通氣；h)開啟所述處理腔體的所述可關閉開口；i)從所述處理腔體移出所述半導體襯底。
35.如權利要求34所述的方法，其特征在于，在步驟e)之前、和/或期間、和/或之后將所述半導體襯底加熱至預定溫度。
36.如權利要求34或35所述的方法，其特征在于，所述處理氣體包括氬、氦、氧、氫、氮、 氘、和/或一氧化二氮或這些氣體的混合物。
37.如權利要求34或35所述的方法，其特征在于，所述處理氣體包括NF3、CF4,Cl2或者這些氣體的混合物。
38.如權利要求34至37的任一項所述的方法，其特征在于，所述預定溫度在室溫和 700攝氏度之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于產生微波等離子體的設備，用于以微波等離子體處理半導體襯底的設備和方法，微波等離子體設備包括至少一個電極(21、22、23)，所述電極(21、22、23)包括由導電材料制成的同軸內導體(21)以及由導電材料制成且至少部分包圍所述內導體且置于與內導體有一距離處的同軸外導體(22)；以及連接至同軸內導體(21)的等離子體激發(fā)設備(23)；其特征為同軸外導體(22)包括至少一個第一部分區(qū)(31)，其中同軸外導體(22)沿著其長軸完全包圍同軸內導體(21)，且包括至少一個另一部分區(qū)(32)，其中其部分包圍同軸內導體(21)以使由微波發(fā)生器(20)生成的微波輻射可在該至少一個另一部分區(qū)(32)中基本垂直于同軸內導體(21)的長軸而排出。
文檔編號C23C16/511GK102160141SQ200980138014
公開日2011年8月17日 申請日期2009年8月4日 優(yōu)先權日2008年8月7日
發(fā)明者A·葛史汪納, T·泰勒, W·勒奇, Z·內涅伊 申請人:Hq-絕緣體股份有限公司