CN102160141A - 以微波等离子体生产介电层的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生微波等离子体的设备，用于以微波等离子体处理半导体衬底的设备和方法，微波等离子体设备包括：至少一个电极(21、22、23)，所述电极(21、22、23)包括由导电材料制成的同轴内导体(21)以及由导电材料制成且至少部分包围所述内导体且置于与内导体有一距离处的同轴外导体(22)；以及连接至同轴内导体(21)的等离子体激发设备(23)；其特征为同轴外导体(22)包括至少一个第一部分区(31)，其中同轴外导体(22)沿着其长轴完全包围同轴内导体(21)，且包括至少一个另一部分区(32)，其中其部分包围同轴内导体(21)以使由微波发生器(20)生成的微波辐射可在该至少一个另一部分区(32)中基本垂直于同轴内导体(21)的长轴而排出。

Description

以微波等离子体生产介电层的设备和方法
本发明涉及用于产生微波等离子体的设备以及涉及用于通过微波等离子体处理半导体衬底的设备和方法。根据发明性设备和发明性方法，将在半导体工艺盘上，尤其是在室温或者稍微提高的温度下，生产没有缺陷的介电层。
对于诸如存储器芯片、微处理器、专用集成电路或者逻辑组件的电子元件的生产而言，需要非常精确和可靠工作的半导体生产设备。要制造的产品在诸多情况下为半导体组件，其被要求操作可靠并且应当包括可再现的电特性和物理特性。为制造这种半导体组件需要执行数百个单独工艺步骤。同时，存在向越来越小的结构发展的趋势，换言之，每平方厘米的半导体组件数量一直在增大，其常给半导体制造设备的制造商带来新挑战。在低温下生产零错误或无缺陷隔离层是用于生产与具有65nm的逻辑半导体结构的逻辑组件一样可靠的，包括45nm、32nm、甚至更小的半导体结构的半导体组件需解决的紧迫问题。例如在汽车产业中，要求在该领域使用的电子组件能够长时间没有错误地工作，因为人的生命依赖于其可靠操作。为了满足这种要求，组件的可靠性需要相应地增加，其中尤其在生产无缺陷介电层或者生产可通过相应后处理变为无缺陷状态的层中存在实质性解决方法。
本半导体技术的另一要求包含，例如在热氧化层或者其它介电层的生产期间降低热预算或者热输入，如上所述。
此外，需要满足晶体管发展中的新要求，例如对于所谓“金属栅”的要求。硅对于钨、钨硅、氮化钽、氮化钛等材料的选择性氧化应当在低温下进行。
另一进一步的要求是由不同掺杂的硅与氮化硅氧化物组成的半导体结构的均匀氧化。此外，可靠操作的半导体组件的生产要求生产无缺陷层，该无缺陷层具有关于例如钽、铌、氮化钽、氮化铌、以及类似材料的高介电常数，还要求对分别经CVD和ALD工艺沉积的有缺陷层的后处理。
过去，通过在炉或RTP反映堆中热氧化，或者通过CVD工艺，或者最近通过ALD工艺来生产介电层，其中，归因于相应生产方法，这些工艺通常不能生产相对于其电特性的无缺陷层。因此，在热氧化期间，晶体结构中的污染或者缺陷可导致电缺陷层。成核以及包含微粒的问题是造成CVD和ALD层的电弱点原因，尤其对于薄层以及微粒包含而言。
热氧化的另一缺点在于所谓的热预算，即，处理温度乘处理时间的乘积。在半导体生产的诸如热氧化和硝化的许多工艺中，对于所需层建立的热预算非常高，使得在建层期间可造成半导体元件的显著缺陷。举例而言，当温度预算变得太高时，掺杂剂扩散分布可能被扰乱，这降低组件的可靠性。
热氧化的另一缺点在于不同掺杂和不同晶向硅以不同速度氧化，这可导致例如氧化物的不同击穿电压，击穿电压取决于晶向。这在半导体生产中造成实质问题。
热氧化的另一缺点在于在硅氧化期间氮化硅仅被最小程度地氧化的事实。对于当前使用的半导体组件而言，存在其中氮化硅直接位于邻近硅表面的结构。对于这种结构而言，可能仅仅是有限地使用或者可能完全不使用热氧化工艺。对于这种氧化工艺而言，在硅表面和氮化硅层之间的过渡区域中没有形成氧化层或者没有形成所需氧化层。
已知试图避免这种缺点的方法。EP 1,018,150描述用于形成氧化物的方法，其中对衬底进行加热至充分高的温度以便于在处理腔体中在衬底附近启动含氧化物气体和氢气之间的反应。在该已知方法中，氢和氧引导至加热硅盘，其处于高于约850摄氏度的升高温度和约1/100大气压的压力下，并形成硅和氮化硅的薄氧化层。在该文献中这种氧化还称作原位湿法氧化，仅产生薄氧化层并且还需要高温，而在许多情况下高温都是不能接受的。
在室温或几百摄氏度的温度下进行硅对于诸金属的选择性氧化在这种方法中是不可行的。
在大区域上不能够无缺陷地沉积具有高介电常数的层，尤其晶体层。
此刻，存在试图在等离子体RF激活的基础上实现硅的氧化的设备。例如US 7,214,628公开了使用一设备的栅氧化方法，在该设备中经由脉冲化微波辐射生成电感性地形成的等离子体。在该方法中，故意将等离子体保持在离衬底充分远距离处，以便于避免形成氧化层时由离子生成的缺陷。等离子体被开启和关闭。在关闭间隔期间，来自等离子体的离子可到达衬底。在氧化层形成期间，限制腔体压力和脉冲周期以使在氧化层中经由离子轰击引入的缺陷保持得尽可能少。但是，在该设施中使用的等离子体达不到低能量离子和电子的密度，该密度是用于获得期望效果所需的，即，用于在短时间内在衬底上形成具有基本厚度的层。
US 2007/0221294 A1还描述用于形成氧化膜或者氮化膜的基于微波的等离子体生成设备。在该设备中，微波等离子体通过配电板被引导至该衬底上以便分别形成均匀氧化层和氮化层，配电板与要处理的衬底分隔开。另外，该微波等离子体不包括用于实现所需效果所必要的等离子体密度，这归因于馈送至处理腔体中的方式。
因此，本发明的一个目的是提供一设备，该设备生成具有极高密度的低能量离子和电子的微波等离子体，以使将被设置有例如氧化层的介电层的衬底在其表面上带强负电。在该方式中，以短时间和低于800摄氏度的低温下，不可能在优选为半导体衬底的衬底上形成充分厚的例如氧化层的介电层。本发明的另一目的是提供用微波等离子体且优选在低温下生产无缺陷且尽可能均匀的介电层的方法。
该问题由本发明通过一个或多个所附权利要求的设备和方法所解决。有利实施例在相应从属权利要求中公开。该发明性微波等离子体设备包括可能连接到至少一个微波发生器的至少一个电极，其中该至少一个电极包括由导电材料制成的同轴内导体和由导电材料制成且至少部分包围内导体并与内导体分隔开的同轴外导体。该至少一个电极可能有利地包括等离子体激发设备，其连接到同轴内导体，优选连接到同轴内导体的端部。同轴外导体包括：至少一个第一区，在其中同轴外导体沿着其长轴完全包围同轴内导体；以及至少一个另一区，在其中同轴外导体部分包围同轴内导体，以使由微波发生器生成的微波辐射可垂直于同轴内导体长轴从该至少一个另一区排出。例如可按照管状形成同轴内导体。在该另一区中，同轴外导体沿着同轴内导体形成开口，即，在该区中同轴内导体不被同轴外导体完全包围。有利地，各电极电连接至微波发生器。附加区可直接与该另一区相邻。附加区的特征为，在该附加区中的同轴内导体不被同轴外导体包围。该附加区还可直接与至少一个第一区相邻且还可替代至少一个另一区。本发明的一个优点在于用于处理半导体衬底的设备，该设备中使用了发明性微波等离子体设备，该设备可容易地缩放以用于450mm或更大直径的衬底。
所述至少一个电极有利地至少沿着该区被非导电材料包围，其中同轴外导体沿着内导体的长轴形成开口。该非导电材料可以是石英、玻璃、氧化铝、或蓝宝石。有利地，其形成为空心圆柱体。该空心圆柱体可容纳电极或电极的至少部分区域，在该至少部分区域内，外导体沿着同轴内导体长轴形成开口。优选地，该非导电材料还容纳该电极的未连接到微波发生器的自由端。该至少一个电极的微波辐射功率可有利地按照开环/闭环方式来控制。
可在容纳部分电极的非导电材料和电极本身之间形成空间，在该空间中存在大气压下的空气。替代地，在该空间中可存在减小的压力下的另一气体。该空间可包含例如，诸如氧、氢、氮、N2O的处理气体和/或惰性气体或者这些气体的混合物。该空间中的压力可在0巴和数巴之间。该空间还可由液体或固体介电材料填充。该空间中的压力要被选择成在电极和包围该电极的隔离管之间不形成等离子体。
同轴外导体可在所述至少一个另一区中形成以使该同轴外导体在该区的一端处完全包围同轴内导体，且使同轴外导体形成开口且从该区的一端向另一端持续变细。同轴外导体有利地设计成以使其超过半导体衬底的边缘区而形成开口且其截面向半导体衬底的相反边缘持续变细。同轴外导体还可在该至少一个另一区中包括沿着同轴内导体的长轴的若干开口。该同轴外导体可按照椭圆或者菱形方式被切成开口。该同轴外导体可例如以圆柱体方式包围内导体，且同轴外导体可包括沿着该包围覆层(surrounding cover)的多个开口部分，其中这些部分例如以椭圆、菱形或者正方形的形式切成开口。外导体覆层(cover)也可按照一角度被切成开口以使其包括沿着内导体的长轴的开口区。该覆层可能按照V形切割或者其可包括一个或更多V形、长方形或者U形的切口。该覆层还可切成开口以使其沿着内导体周围的所述至少一个另一区有螺旋。
激发设备可形成为在同轴内导体的端部处的电感器。为此目的，同轴内导体可例如在其端部处包括弯曲形状。该激发设备优选形成为线性赫兹振荡器，其中该线性赫兹振荡器的波长对应于微波发生器波长的一半和/或其整数倍。微波发生器有利地包括2.45GHz或5.4GHz或915MHz或13-14GHz的微波频率。微波发生器还可包括任何其它频率。
微波等离子体设备可以是例如在半导体处理产业中用于等离子体处理半导体衬底的设施的一部分。该微波等离子体设备可包括例如容纳于金属箱中的处理腔体，其中金属箱包括用于引入半导体衬底的可关闭开口，其中可设置有用于冷却和/或加热金属箱的装置。其可包括用于支持半导体衬底的衬底支架，其位于处理腔体中且优选包括置于该处理腔体中的至少一个隔离管，有利地，该隔离管相对处理腔体被真空密封，且所述至少一个电极的至少一部分插入于其中，其包括有所述开口的同轴外导体。此外，该金属箱包括用于引入处理气体的至少一个开口，但是优选地包括多个开口，还包括用于排放处理气体的至少一个开口，但是优选包括若干另外的开口。用于排放处理气体的开口优选地持久固定于真空泵。处理腔体中的处理气体压力优选为可按照闭环端和/或开环方式调节至在1毫托和20托之间的范围中。该金属箱可由例如铝组成。
优选地，衬底支架可旋转地安排在处理腔体中。衬底支架可围着至少一个轴旋转，该轴有利地安排成和置于衬底支架的衬底支持区中的半导体衬底的半导体衬底表面相垂直支架。半导体支架和所述至少一个隔离管之间的距离可变，从而在处理期间设置衬底和微波能量辐射电极之间的期望距离。衬底支持器可被冷却和/或被加热。衬底支持器可至少部分地由氮化铝、和/或氮化硅、和/或石英、和/或蓝宝石、和/或碳化硅组成。对于例如半导体晶片的圆形衬底而言，衬底支持区可被附加环形区包围，其包括在衬底支持区周围环形地安排的所谓的延伸衬底区，其可包括在衬底周围环形安排的衬底材料元件。衬底支持区可包括用于支持半导体衬底的基座，其中该基座可连接至用于测量衬底温度的至少一个热偶。
此外，可设置用于测量衬底支架的衬底支持区中持有的半导体衬底温度的温度测量设备。这种温度测量例如可以高温测定法(pyrometrically)实现。
处理腔体包括至少一个电极，但是优选一个或多个隔离管通常相互平行地安排在衬底支持区上的平面中和/或衬底支持区下的平面中，其中各隔离管优选可容纳一个电极或者至少一个电极的相应至少一个另一区，该至少一个另一区包括同轴导体上为了让微波辐射离开而设置的区)，即至少是同轴外导体沿着同轴内导体长轴形成开口的区。同轴内导体可附加地包括至少一个附加区，可设置该附加区来替代所述的至少一个另一区。该附加区设置在同轴内导体的端部区处，辐射微波且不被同轴外导体包围。在该情况下，该隔离管也优选地容纳电极的该附加区。
所述至少一个电极的同轴外导体优选地开口超过安排在衬底支架的衬底支持区中的半导体衬底，且最优选为在整个延伸衬底区上形成开口。当设备包括多个电极的情况下，包括辐射电磁能量的区的这些电极或至少一部分电极优选地被分别容纳于隔离管中。隔离管优选为安排成相互一般平行(generally parallel)，其中相互“一般平行”可理解为隔离管的长轴以彼此的角度小于10°地安排。安排在衬底支持区上的隔离管优选为全部安排在同一平面中。在若干隔离管安排在处理腔体中的衬底支持区下方的情况下，这些隔离管亦优选地安排在一个平面中。容纳于隔离管中的电极的辐射区最优选为覆盖整个衬底支持区，优选还覆盖延伸衬底区。对于设备包括多个电极的情况，电极的微波辐射功率可按组别以开环方式和/或闭环方式和/或针对各电极分别地和/或针对预定数量电极来控制。优选地，邻近的电极被安排成可在它们各自的隔离管的相反侧上连接到各自的微波源，以便于增大等离子体的均匀性。电极可分别地或者按组别连接至不同微波源，其中不同微波源可辐射具有相同辐射频率，或优选为不同辐射频率的微波能量。
可将附加加热元件安排在处理腔体中，位于衬底支持区的下方和/或上方。这些加热元件例如可以是卤素灯和/或弧光灯。该加热元件可通过石英玻璃、和/或掺杂有杂质原子的石英玻璃、和/或包括掺杂有杂质原子的区域的石英玻璃与处理腔体分离。
可在金属箱的上侧安排隔离板，从而避免等离子体和金属壁接触。该金属箱例如可在其朝向处理腔体的一侧上具有由阳极氧化铝制成的表面区域。此外，该处理腔体可包括在衬底支持区上方和/或下方的、和金属箱分隔开的电极，其中该分离电极优选为固定连接至隔离板。该分离电极可连接至例如直流电或者脉冲化直流电以便执行阳极氧化。该电极还可连接至交流电。交流电适合于调制等离子体和/或要处理的衬底(例如，半导体晶片)的表面电荷，且可对于处理结果的改善作出贡献。在本文中，还可能在等离子体处理发生期间例如以脉冲方式仅暂时地将电极连接至直流电。还有可能随时间以脉冲方式和/或调制方式进行等离子体处理本身。本领域普通技术人员将考虑这些可能性的变体和组合以便获得期望的处理结果。
在这样的设备中处理半导体衬底可包括以下步骤：
a)将半导体衬底引入处理腔体中，且将半导体衬底置于安排在处理腔体中的衬底支架上；
b)抽空处理腔体；
c)将处理气体引入处理腔体中；
d)通过微波等离子体设备的电极/诸电极将微波辐射插入处理腔体中，并在处理腔体中生成微波等离子体；
e)关闭微波辐射；
f)对处理腔体通气(vent)；
g)从处理腔体移出半导体衬底。
在步骤a)至g)之间，可在该处理的步骤d)之前、和/或期间、和/或之后将半导体衬底加热至预定温度。预定温度优选为在室温和650摄氏度之间。
处理气体可以是例如，氩、氦、氧、氢、氮、H2O(蒸汽)、氘、D2O(蒸汽形式的重水)、和/或一氧化二氮、或这些气体的混合物。该气体还可包括例如，NF3、CF4或Cl2或者这些气体的混合物。这在清洁操作期间可能是有利的。
可用该发明性设备生产无缺陷介电层。在本文中，衬底表面带负电对于生产无缺陷介电层具有显著功效，因为只要获得等效于电荷的层厚，那么层的建立就会在表面的所有区域中持续。
本发明性氧化方法的优点在于，和由归因于所需温度的扩散来控制的热氧化相反，使用了用于氧化的方法，其导致归因于由表面电荷生成的电场的氧化层建立。在CVD和ALD方法中要求衬底表面的相应化学电位以用于建立无缺陷层，这难以控制。
因为氧化是由微波等离子体造成的带负电的电场造成的，所以氧化可在室温下或者稍微升高的温度下进行。氧化与衬底温度无关，且现在衬底温度可设置成获得最优处理结果。此外，氧化与硅中掺杂剂的种类和浓度无关。用此发明性方法，还可能在室温下对氮化硅进行良好氧化。添加氢对于氧化层厚度以及氧化层的建立没有实质影响，直到处理气体中氢达到高百分比，其允许硅相对于金属和金属氮化物的选择性氧化。
另外，硅的氧化，还有钽、铌、铝、以及它们的氮化物的氧化也是可行的。与CVD和ALD方法相反，分别通过金属或其氮化物的氧化，可在室温下沉积无缺陷高质量介电层，这些层可用于例如用于“RF”和“退耦”应用的MIM电容器，还可用于汽车通信和其它多种逻辑技术。
该发明性设备和发明性方法允许产生具有极高密度的低能量离子和电子的等离子体，其中激活气体的离子化程度以激活频率的平方增大。如果入射功率对于等离子体的饱和而言是充分的，可用具有例如2.45GHz的激活频率的微波等离子体获得约80％的离子化程度。由于电子质量和带正电离子之差达到10的4次幂(4decimal powers)，并且还由于低能量电子的低碰撞截面，等离子体中电子的平均自由程比离子的平均自由程高约10的2次幂。因此，在等离子体和衬底之间的边界带中，电子更快到达衬底表面，且在衬底上形成高负电。只有从等离子体吸引了充分的正离子，充电过程才会停止。在该情况下，一部分正离子，例如主要为一部分带单价正电的(single positively charged)氧离子，即由等离子体产生的带单价正电的氧，被中和且回到等离子体空间中。另一部分带单价正电的阳离子分别吸引两个或三个电子，且变为带单价负电或者带二价负电。该部分被衬底的负表面电荷从衬底排斥开。一部分带负电的氧还被传输回等离子体空间。另一部分带负电的氧，如果其穿过等离子体的负电荷带，则可对于衬底氧化以及电介质建立作出贡献。
通过参考图的优选实施例，将更具体解释该发明性设备和发明性方法。在图中，不同图中的具有相同效果的元件由相同附图标记来表示。本领域普通技术人员将理解实施例和示例变体以及公开实施例的组合落入本发明的范围。发明性设备可有利地使用于未在本文中公开的其它应用或者其它方法。
图1、1a、1b、2、3示出发明性设备的不同实施例。
图4a、4b、4c示出电极同轴外导体4a、4b、4c的不同实施例，且图4d、4e、4f、4g示出电极同轴内导体的不同实施例。
图5、6、7和8示出通过发明性设备在半导体衬底上形成的不同氧化物的氧化结果。
图9示出衬底上的有缺陷电介质的示例，该衬底通过在等离子体中的阳极氧化予以修复。
图1、1a和1b示出发明性设备的截面。这些图示出金属箱10，其包括可由门(未示出)关闭的开口(未示出)且装有处理腔体(process chamber)。金属箱10连接至隔离管11。隔离管11优选通过密封装置连接至金属箱10的相反侧上，该密封装置优选将处理腔体的内空间相对周围的大气密闭地密封，且隔离管11横越整个处理腔体。隔离管11优选由石英或者氧化铝组成。这些密封装置优选制造成如果处理腔体被抽成真空，没有周围大气可通过这些密封装置进入处理腔体。隔离管11的一个部分可保持，诸如卤素灯或者弧光灯的加热元件12。如图1所示，衬底支架14可设置在处理腔体中。衬底支架14优选可围着驱动器的驱动轴13旋转，且可沿着轴向移动。设置衬底支架14以用于在例如处理腔体中的衬底支持区中的引脚上支持衬底15。位于处理腔体中的衬底支架14可包括冷却和/或加热流体通路16，例如可在图1a和1b中观察到的那样。在该情况下，衬底15可平整地安排在衬底支架14上以便与衬底支架良好地热接触。加热元件12(卤素辐射器，气体放电灯等)可能用于加热基座或者衬底至期望温度，且安排在要处理的衬底下方。
金属箱10包括至少一个但是优选为若干个用于引入处理气体的气体入口，以及至少一个气体出口19，其优选为连接至真空泵。安排在衬底支持区上方的隔离管保持电极21、22、23，这些电极连接至至少一个微波发生器20。电极21、22、23包括由导电材料制成的薄管状同轴内导体21以及同轴外导体22，同轴外导体至少部分包围内导体且与内导体分隔开。此外，等离子体激发设备连接至同轴内导体21。微波等离子体24在处理腔体中在隔离管11外部生成。该隔离管11优选由石英玻璃组成，且在其内空间中它们保存例如常压下的空气。
如图1、1a和1b所示的金属箱10的上部可优选设置有绝缘材料25，以便于避免等离子体24在半导体衬底15上造成金属污染。图1b示出一实施例，其中电极26稳固地固定至绝缘材料25。通过该电极26，一附加电位可施加在半导体衬底和电极之间，且可执行阳极氧化。其具有的优点为可产生较厚的层。电极21、22、23的同轴外导体22包括至少一个第一区31，其中同轴外导体沿着其长轴完全包围同轴内导体21。同轴外导体还包括至少一个另一区32，其中同轴外导体部分地包围同轴内导体21，以使当电极21、22、23连接至微波发生器20时，由微波发生器20生成的微波辐射可在至少一个另一区32中基本垂直于同轴内导体21的长轴排出。
图2示出发明性设备的另一实施例。与图1、1a和1b的实施例相比，基座14被运输滚柱(roller)14a替代，其运输半导体衬底15通过金属箱。
图3示出发明性设备的另一实施例。在该情况中，用于生成微波等离子体的电极21、22在处理腔体中位于一个半导体衬底15和另一半导体衬底15a之间。加热元件12安排在两个半导体衬底的上方和下方两处。同轴外导体的若干实施例在图4a、4b和4c中示出。图4a、4b和4c示出第一区31与另一区32，在第一区中同轴外导体22完全包围同轴内导体，且在另一区32中同轴外导体22部分地包围同轴内导体。图4a示出切成椭圆开口的同轴外导体。图4b示出切成菱形开口的同轴外导体，而图4c示出切成六角形开口的同轴外导体。这些同轴外导体的实施例是有利的，因为在内导体和外导体之间传输的电磁波可通过外导体22的开口32排出以生成等离子云24。通过这些方式，等离子云24被限制在轴向中，且避免等离子体传播到金属箱10中用于隔离管11的通路(例如，参照图1)并造成金属污染。此外，外导体22的有利实施例避免了衬底的导电性以及外导体至电极的间隔对等离子云形成有影响。
图4d、4e、4f和4g示出等离子体激发设备23的有利实施例，其优选固定于同轴内导体21的端部处。微波等离子体设备的激发设备23促进在设备中在低压以及高压下的可靠激发操作，且可形成为具有微波波长的一半或者整数倍波长的线性赫兹振荡器。此外，激发设备23可形成为在内导体20端部处的电感，其中电感由内导体的若干线圈形成。
此发明性设备的操作如下：
在约1/10,000至1/1,000的大气压强的负压下，在处理腔体中引入氧化中性和/或还原气体，且由来自微波发生器20的微波能量激活气体(通常在2.54GHz的频率下)以生成微波等离子体。要处理的衬底15通过旋转及升降构件13和衬底支架14、14a而被旋转并支持在相对于微波同轴导体电极21、22一段期望距离(约1cm至15cm)处。通过适当地设置压力、气体混合物、微波功率、电极距离，可产生衬底处的所需等离子体密度或者电荷密度，由此可获得期望的处理结果。为了生成与衬底导电性和至电极距离无关的等离子体，在同轴内导体21和同轴外导体22之间引入的微波能量必须均匀地经由同轴外导体22的开口排出，且微波能量必须均匀地引入到等离子带(微波能量在此被吸收)。这是通过同轴外导体22的适当设计(同轴外导体22在同轴内导体21周围且沿着同轴内导体21)，结合同轴外导体22的相应端部或者相应激发设备来予以实现的。通常在棒状或者板状等离子激发中使用的那种仅经内导体的等离子体激发不能使用于此，因为微波可通过导电衬底传播且可导致不可控制的影响。同轴内导体21的一端由等离子体激发设备23形成，该等离子体激发设备被设置以用于确保气体可在低压以及高压下可靠激发。
图5示出在硅衬底上生长的氧化物厚度与衬底和微波等离子体设备之间距离的关系，其中等离子体燃烧时间为120秒，处理气体压力为100毫托，且微波辐射功率为500瓦；氧被用作处理气体。氧化物的生长厚度符合指数规律。
图6示出在发明性设备中，在室温下对于不同衬底和不同处理气体压力的等离子体氧化物的生长曲线，其为关于以秒计的等离子体燃烧时间函数。具有方块标记的曲线112示出在掺硼的p-硅上的氧化物厚度，其中在处理腔体中处理气体具有100毫托的氧。具有交叉标记的曲线114示出在100毫托处理气体压力下的掺磷n-硅上的氧化物厚度。具有圆圈标记的曲线116示出在500毫托处理气体压力下的掺硼p-硅上的氧化物厚度。具有星状标记的曲线118示出在500毫托处理气体压力下的掺磷n-硅上的氧化物厚度。该图示出二氧化硅的生长与其下方的衬底掺杂无关。该示例示出由发明性方法产生了具有极高密度低能量离子和电子的微波等离子体，其在室温和700摄氏度之间的温度下导致例如硅的衬底的氧化，这与取向和掺杂无关，且在很大程度上与衬底本身无关。
图7示出该发明性设备中取决于每电极的等离子体功率的以埃计的氧化物生长厚度，其中等离子体燃烧时间为60秒，处理气体压力为100毫托。具有50％氢的氢和氧混合物用作处理气体。具有方块标记的曲线120示出掺硼p-硅上的与微波功率相关的氧化物厚度。具有星状标记的曲线122示出掺磷的n-硅上的氧化物厚度以及各测量的可能存在的测量偏差。该图示出氧化物生长与衬底掺杂无关，且示出氧化物生长稳定地随着所施加的等离子体功率增大而增大。
图8示出氧化物厚度对于向氧添加氢的依赖性。氢和氧的混合比低于2∶1的区域被定义为富含氧区域130。氢和氧的混合比高于2∶1的区域被定义为富含氢区域135。两份氢和一份氧的混合比称作氢和氧的化学计量法混合比。曲线137示出在60秒的等离子体燃烧时间期间在硅盘或者晶片上生长的以埃计的氧化物厚度。直到以化学计量法混合比添加氢前，在测量误差边界内氧化物厚度保持恒定。如果氢浓度进一步增大，氧化物厚度如预期地减小。该示例示出相对于选择性氧化和非选择性氧化的该发明性方法的特别优势。通过选择氧和氢的混合比，可设置室温下的任何期望的处理条件。因此，可大大避免在选择性氧化期间的金属蒸发。在钨、铌、钽、和氮化钽、钛、氮化钛、或者其它氮化物存在时的硅的选择性氧化是可行的，且在钨、铌、钽、氮化钽、钛、氮化钛、或者其它氮化物存在的情况下，对硅进行氧化的氧化速率基本上达到与硅的非选择性氧化相同的速率。
图9示出由在其上置有具有缺陷152a、52b的有缺陷电介质151的硅制成的衬底150，其中衬底通过在SiO2和Ta2O5等离子体中阳极氧化来修复；参照半球153a，153b。因此，可实现达到14V的击穿电压。该阳极氧化可有利地用于诸如Ta、TaN的其它衬底。通过向例如电极26施加直流电，可执行阳极氧化，且可在衬底上以该方式产生较厚介电层。

Claims (38)

1.一种微波等离子体设备，包括可连接到微波发生器(20)的至少一个电极(21、22、23)，其中所述至少一个电极(21、22、23)包括由导电材料制成的同轴内导体(21)以及由导电材料制成的同轴外导体(22)，同轴外导体(22)至少部分地包围同轴内导体且与同轴内导体分隔开；以及连接至所述同轴内导体(21)的等离子体激发设备(23)；其特征在于，
所述同轴外导体(22)包括至少一个第一区(31)，在所述第一区(31)中所述同轴外导体沿着所述同轴内导体的长轴完全包围同轴内导体，且所述同轴外导体包括至少一个另一区(32)，在所述另一区(32)中其部分包围所述同轴内导体(21)以使在所述至少一个电极(21、22、23)连接至所述微波发生器(20)时，由所述微波发生器(20)生成的所述微波辐射可从所述至少一个另一区(32)基本垂直于所述同轴内导体(21)的长轴排出。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个另一区(32)沿着所述同轴内导体(21)的长轴被非导电材料(11)包围。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述非导电材料(11)为石英玻璃、氧化铝、或者蓝宝石。
4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述非导电材料(11)形成为空心圆柱体。
5.如权利要求2、3或4所述的设备，其特征在于，所述非导电材料(11)包围所述电极(21、22、23)的一端。
6.如权利要求2至5的任一项所述的设备，其特征在于，在所述非导电材料和所述至少一个另一区(32)之间形成空间，在环境压力下的环境空气包含在所述空间中。
7.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述同轴外导体在至少一个另一区(32)中形成，以使所述同轴外导体在所述至少一个另一区(32)的一端处完全包围所述同轴内导体(21)，且所述同轴外导体从所述至少一个另一区的所述一端到至少一个另一部分区(32)的另一端持续变细。
8.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，在所述至少一个另一区(32)中，所述同轴外导体(22)包括沿着所述同轴内导体长轴的至少两个开口。
9.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述同轴外导体包括在所述至少一个另一区(32)中的具有椭圆或菱形形状的开口(22a、22b、22c)。
10.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述同轴内导体(21)在其端部处具有弯曲形状。
11.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述微波发生器(20)电连接至所述同轴导体(21、22)。
12.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述微波发生器(20)包括约为2.45GHz或5.4GHz或915MHz的微波频率。
13.如以上权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述激发设备(23)形成为线性赫兹振荡器，其中所述线性赫兹振荡器的波长对应于所述微波发生器(23)波长的一半和/或其整数倍。
14.一种用于半导体处理的设备，包括
被金属箱(10)包围的处理腔体，其中所述金属箱(10)包括用于插入半导体衬底的可关闭开口；
置于所述处理腔体中的衬底支架(14a)，其用于支持所述半导体衬底(15)；
置于所述处理腔体中的至少一个隔离管(11)，其用于容纳根据权利要求1-13的任一项的所述至少一个电极(21、22、23)的所述至少一个另一部分(32)；
用于引入处理气体的至少一个开口(18)；以及
用于排出处理气体的至少一个另一开口(19)。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述另一开口(19)连接至真空泵。
16.如权利要求14或15所述的设备，其特征在于，可在1毫托至20托之间调节所述处理腔体中的所述处理气体的压力。
17.如权利要求14至16的任一项所述的设备，其特征在于，还包括用于测量在所述衬底支架(14a)的所述衬底支持区中被支持的半导体衬底(15)的温度的至少一个温度测量设备。
18.如权利要求14至17的任一项所述的设备，其特征在于，所述金属箱由铝构成。
19.如权利要求14至18的任一项所述的设备，其特征在于，所述衬底支架(14a)可旋转地置于所述处理腔体中。
20.如权利要求14至19的任一项所述的设备，其特征在于，所述衬底支架(14a)可冷却和/或可加热。
21.如权利要求14至20的任一项所述的设备，其特征在于，所述衬底支架(14a)至少部分地由氮化铝、和/或氮化硅、和/或石英、和/或蓝宝石的任一个构成。
22.如权利要求14至21的任一项所述的设备，其特征在于，所述处理腔体包括基本平行地安排在所述衬底支持区的上方和/或下方的平面中的多个隔离管(11)，其中各隔离管(11)包围所述至少一个电极(21、22、23)的相应每个的所述至少一个另一区(32)。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述电极(21、22、23)的微波辐射功率可分别控制和/或按开环和/或闭环方式按组别控制。
24.如权利要求21或22所述的设备，其特征在于，相邻的电极(21、22、23)在它们各自隔离管(11)的相反侧上与各自的微波源(20)连接。
25.如权利要求14至24的任一项所述的设备，其特征在于，所述加热元件安排在所述衬底支持区的下方和/或上方。
26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述加热元件是卤素灯和/或弧光灯。
27.如权利要求25或26所述的设备，其特征在于，所述加热元件通过石英玻璃和/或掺杂有杂质原子的石英玻璃与所述处理腔体分离。
28.如权利要求14至27的任一项所述的设备，其特征在于，在所述衬底支架(14a)和所述至少一个隔离管(11)之间的距离是可变的。
29.如权利要求14至28的任一项所述的设备，其特征在于，所述同轴外导体(22)在所述半导体衬底(15)的角隅区之上形成开口。
30.如权利要求14至29的任一项所述的设备，其特征在于，隔离板(25)被安排在所述金属箱的上侧，以避免所述等离子体和所述金属壁的接触。
31.如权利要求14至30的任一项所述的设备，其特征在于，所述金属箱(10)在面向所述处理腔体一侧上包括由阳极氧化铝制成的表面区。
32.如权利要求14至31的任一项所述的设备，其特征在于，所述处理腔体包括在所述衬底支持区上方的与所述金属箱(10)分隔开的电极(26)。
33.如权利要求32所述的设备，其特征在于，所述电极(26)稳固地连接至所述隔离板(25)。
34.一种在根据权利要求14至33的任一项的设备中处理半导体衬底的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将所述半导体衬底插入到所述处理腔体中，且将所述半导体衬底放置在置于所述处理腔体中的所述衬底支架上；
b)关闭所述处理腔体的所述可关闭开口；
c)抽空所述处理腔体；
d)将处理气体引入到所述处理腔体；
e)通过所述微波等离子体设备的所述电极(21、22、23)将微波辐射引入至所述处理腔体，且在所述处理腔体中生成微波等离子体；
f)关闭所述微波辐射；
g)对所述处理腔体通气；
h)开启所述处理腔体的所述可关闭开口；
i)从所述处理腔体移出所述半导体衬底。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，在步骤e)之前、和/或期间、和/或之后将所述半导体衬底加热至预定温度。
36.如权利要求34或35所述的方法，其特征在于，所述处理气体包括氩、氦、氧、氢、氮、氘、和/或一氧化二氮或这些气体的混合物。
37.如权利要求34或35所述的方法，其特征在于，所述处理气体包括NF3、CF4、Cl2或者这些气体的混合物。
38.如权利要求34至37的任一项所述的方法，其特征在于，所述预定温度在室温和700摄氏度之间。
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