CN112331597A - 一种等离子体退火设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体退火设备及方法，包括真空腔室和退火腔室，且真空腔室与退火腔室之间连通有连通口，真空腔室连通有进气管，真空腔室内设置有等离子源，等离子源位于进气管管口的下侧，且真空腔室内还设置有磁场过滤组件，退火腔室内设置有基台，基台上设置有下部电极，且所述退火腔室上还设置有温度调节装置以及压力调节组件；还包括以下步骤：S1:将硅片放置在基台上；S2：选择多孔板并安装在真空腔室内；S3:将线圈通电；S4：将混合气体通入真空腔室内并启动等离子源；S5：调节下部电极偏压的大小,从而控制等离子体的能量；S6：通过温度调节装置和压力调节组件调节真空腔室内的温度和压强，直至形成超临界气体，从而有助于提高退火效果。

Description

一种等离子体退火设备及方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种等离子体退火设备及方法。
背景技术
半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。其广泛的应用在集成电路、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域。
第三代半导体碳化硅因其高禁带宽度、高阻断电压和高热导率等特性，成为制作高温、高频、抗辐射和大功率电力电子器件的理想半导体材料。但是碳化硅热氧化形成的界面会产生大量的界面态(如界面处Si与C相关的悬挂键、与C相关的缺陷及近界面氧化物缺陷等)严重影响了沟道得到场效应迁移率、饱和电压特性及栅氧化层的可靠性。这些缺陷导致栅氧化层被击穿所需要的激活能减小，降低了栅氧化层电应力的承受能力及不稳定的饱和电压。因此，减少栅氧化层中的缺陷，提高栅氧化层的可靠性就成为了SIC(碳化硅)金属-氧化物半导体场效应晶体管研究领域的关键问题。
在碳化硅加工技术中，一项主要降低界面态密度，减少氧化层中缺陷的技术是氢退火技术，氢退火技术是指在含氢的气氛中(如N2-H2混合气体)，温度达到一千摄氏度以上进行退火。
基于等离子体技术，等离子体中的主要成分包含未电离气体分子、带电离子、电子以及各种原子团、自由基。在传统的等离子体工艺中，带电离子体中各种成分都是非常重要的，而退火工艺只需要将有效等离子体输送到晶圆表面。
现有公开号为CN201038133的中国专利，公布了一种半导体芯片退火炉，包括加热炉炉体、温控电路、气体保护部件、石英样品架、样品温度显示组件；其特征是：外壁缠绕电阻丝的、两端开口的刚玉管穿过加热炉炉体的炉膛；电阻丝与供电电路串联；气体保护部件中的气源与刚玉管一端相通；石英样品架设置在刚玉管内；石英样品架的宽度小于刚玉管的内径；连动钢丝一端与石英样品架相连，另一端自刚玉管一端伸出；样品温度显示组件包括设置在石英样品架处的传感器以及与传感器输出端相连的温度显示器；温控电路包括设置在刚玉管内的温度传感器，与温度传感器的输出相连的温度控制仪，与温度控制仪的输出相连的固态继电器，固态继电器串联在电阻丝的供电电路中。
使用该半导体芯片退火炉对半导体芯片进行退火时，退火温度较高，但是过高的退火温度不适用于金属化后退火，且在炉管中退火混合气体浓度较低，且无法形成较高气体压力，从而导致退火效果不理想，存在待改进之处
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种等离子体退火设备及方法。
根据本发明提供的一种等离子退火设备，包括真空腔室和退火腔室，所述真空腔室位于退火腔室上方，且所述真空腔室与退火腔室之间连通有连通口，所述真空腔室连通有进气管，所述真空腔室内设置有等离子源，所述等离子源位于进气管在真空腔室侧壁上的管口的下侧，且所述真空腔室内还设置有磁场过滤组件，所述退火腔室内设置有用于放置硅片的基台，所述基台上设置有下部电极，且所述基台位于连接口的正下方，且所述退火腔室上还设置有温度调节装置以及压力调节组件。
优选地，所述磁场过滤组件包括线圈和多孔板，所述线圈绕设在真空腔室的外侧壁上，所述多孔板安装在真空腔室的内壁上。
优选地，所述多孔板包括多孔区域，所述多孔区域内分布有多个通孔。
优选地，所述磁场过滤组件的磁场强度大小在50G-500G之间。
优选地，所述压力调节组件包括排气管和控制阀，所述排气管与退火腔室连通，所述控制阀安装在排气管上并控制排气管的开启或关闭。
优选地，所述控制阀包括蝶阀。
优选地，所述退火腔室内设置有主轴支架，所述基台水平固定在主轴支架的顶部。
优选地，所述温度调节装置设置在退火腔室的外侧壁上。
根据本发明提供的一种等离子退火方法，包括以下步骤：
S1:将硅片放置在基台上，并对硅片进行沿水平方向的姿态调整；
S2：选择具有不同大小、几何形状、纵横比的通孔的多孔板并安装在真空腔室内，以及调整真空腔室内多孔板的数量和间距；
S3:将线圈通电，从而形成磁场强度在50-500之间的磁场；
S4：通过进气管将混合气体通入真空腔室内并启动等离子源；
S5：调节下部电极偏压的大小,从而控制等离子体的能量；
S6：通过温度调节装置和压力调节组件调节真空腔室内的温度和压强，直至形成超临界气体。
优选地，在步骤S2中所述多孔板的选择、安装的数量以及间距，与需要的有效等离子体的浓度相匹配。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过温度调节装置和压力调节组件控制退火腔室的温度和压力，在退火腔室内形成特定的条件并形成超临界气体，以及通过调节下部电极的偏压大小，形成轴向电场，引导超临界气体，进而在低温条件下对放置在基台上的硅片栅氧化层进行退火处理，减少了栅氧化层中的缺陷，进而有助于提高退火效果。
2、本发明通过将线圈通电形成环绕磁场，环绕磁场约束等离子体围绕磁力线运动，从而使中性原子团游离基等进一步离化，同时由于螺旋半径不同，一些中性原子团、游离基将会损失在多孔板上，从而改变等离子体的额种类和密度，提高有效等离子体的浓度，从而有助于减少栅氧化层中的缺陷，进而有助于提高退火效果。
3、本发明通过设置在连通真空腔室和退火腔室的连通口下方的基台放置硅片，以及将下部电极安装在基台上，有助于提高退火效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中等离子退火设备整体结构的侧面示意图；
图2为本发明中主要体现多孔板结构的示意图；
图3为图2的局部A的放大图，主要体现多孔区域的示意图；
图4为本发明气体的三相变化图。
附图说明：1、真空腔室；11、进气管；12、等离子源；2、退火腔室；21、基台；22、下部电极；23、主轴支架；3、连通口；4、磁场过滤组件；41、线圈；42、多孔板；421、多孔区域；422、通孔；5、温度调节装置；6、压力调节组件；61、排气管；62、蝶阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种等离子体退火设备，包括真空腔室1和退火腔室2，真空腔室1焊接固定在退火腔室2的上方，且真空腔室1与退火腔室2之间连通有连通口3。真空腔室1连通有进气管11，真空腔室1内安装有等离子源12，且等离子源12位于进气管11在真空腔室1侧壁上的管口的下侧。真空腔室1上还安装有磁场过滤组件4，退火腔室2内安装有温度调节装置5和压力调节组件6。
如图1所述，真空腔室1为圆柱形腔室，连通口3位于真空腔室1底壁的中部，进气管11的管口位于真空腔室1顶壁的中部，混合气体从进气管11进入真空腔室1内，并通过等离子源12由射频或微波产生高密度等离子体。进一步的混合气体是指以氢气原子为主反应物，以氢气或氮气或氩气或氢氮混合气或氢氮氩混合气或气体非反应气体为载体的混合气体。
磁场过滤组件4包括线圈41和多孔板42，线圈41水平同轴绕设在真空腔室1的外侧壁上，且线圈41在真空腔室1的外侧壁上沿真空腔室1的中心轴线间隔绕设有两组，两组线圈41均位于真空腔室1外侧壁的下侧。两组线圈41通电时，真空腔室1内形成环绕磁场，环绕磁场的磁场强度在50G-500G之间，本发明优选200G,环绕磁场约束等离子体围绕磁力线运动，从而使等离子体中的中性原子团、游离基等进一步离化。
如图1-3所示，多孔板42的外形为圆环形，且多孔板42包括多孔区域421，多孔区域421内等间隔分布有多个通孔422，多孔板42同轴嵌设在真空腔室1内。由于不同的等离子体在环绕磁场中的螺旋半径不同，部分中性原子团和游离基经过多孔板42时会损失在通孔422内，从而提高了有效离子的浓度。
如图1所示，退火腔室2为圆柱形腔室，退火腔室2的内径大于真空腔室1的内径。退火腔室2内水平安装有用于安装硅片的基台21，基台21位于连通口3的正下方，基台上安装有下部电极22，等离子体在下部电极22的影响下形成方向向下的轴向电场进入退火腔室2内。退火腔室2内还安装有主轴支架3，主轴支架3竖直穿设退火腔室2底壁的中部，主轴支架3的一侧探入退火腔室2内，主轴支架3的另一侧位于退火腔室2的外侧，且主轴支架3位于退火腔室2内的一端与基台21的底部焊接固定连接。通过调整主轴支架23探入退火腔室2内的长度，从而调节基台21与真空腔室1的距离。
压力调节组件6包括排气管61和控制阀，排气管61与退火腔室2连通，且排气管61的管口位于退火腔室2的底壁上。控制阀为蝶阀62，蝶阀62通过螺栓与法兰盘的配合安装在排气管61上。通过控制蝶阀62的打开或关闭，从而将退火腔室2内的气体排除或封闭，进而实现了对退火腔室2内的气压的调节。温度调节装置5安装在退火腔室2的侧壁上，通过温度调节装置5调节退火腔室内的温度。
由温度调节装置5和压力调节组件6配合使用，达到一定条件，从而使退火腔室2内的气体形成超临界气体，并在下部电极22的作用下对等离子体进行引导，形成向下的气流并作用在基台21上的硅片上，通过超临界气体退火，减低界面态密度，减少栅氧化层中的缺陷，提高退火效果。
如图1和图4所示。更为具体的，达到一定条件是指超临界气体的临界条件。本发明所使用的超临界气体条件的温度在20摄氏度到100摄氏度之间，腔体的压力在200psi到2000psi之间。
本发明还提供一种等离子体退火方法，包括如下步骤：
S1:将硅片放置在基台21上，并对硅片进行沿水平方向的姿态调整，从而硅片位于连通口3的正下方并安装稳定；
S2：选择具有不同大小、几何形状、纵横比的通孔的多孔板42并安装在真空腔室1内，以及调整真空腔室1内多孔板42的数量和间距。安装时，先根据计算得到需要的有效等离子体的浓度，再根据需要的有效等离子的浓度来确定嵌设在真空腔室1内的多孔板42的通孔形状、纵横比、安装数量以及安装间距；
S3:将线圈41通电，从而形成磁场强度在50G-500G之间的磁场；
S4：通过进气管11将混合气体通入真空腔室1内并启动等离子源12并发射等离子体；
S5：调节下部电极22偏压的大小,从而控制等离子体的能量并形成方向向下的轴向电场；
S6：通过温度调节装置5和压力调节组件6调节真空腔室内的温度和压强，直至形成超临界气体，通过超临界气体退火，降低界面态密度，减少栅氧化层中的缺陷。
优选例：
通孔422的形状包括但不限于圆形、六角形、八角形等几何形状，本发明的通孔422的形状优选圆形。
工作原理：
工作人员先将硅片安装在基台21上，并根据计算得出的有效等离子的浓度在真空腔室1内安装适量的多孔板42，之后再对两个线圈41通电，从而在真空腔室1内形成环绕磁场，之后混合气体再从进气管11进入真空腔室1内并通过等离子源12产生足量的等离子体，等离子体中的部分中性原子团和游离基在环绕磁场和多孔板42的共同作用下损失在多孔板42上，之后等离子体在下部电极22的作用下通过连通口3进入退火腔室2，通过调节退火腔室2内的温度和压强使退火腔室内2形成超临界气体，通过超临界气体退火，降低界面态密度，减少栅氧化层中的缺陷，且工作人员能够通过控制下部电极22的偏压大小来控制等离子体的能量，提高退火效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种等离子退火设备其特征在于，包括真空腔室(1)和退火腔室(2)，所述真空腔室(1)位于退火腔室(2)上方，且所述真空腔室(1)与退火腔室(2)之间连通有连通口(3)，所述真空腔室(1)连通有进气管(11)，所述真空腔室(1)内设置有等离子源(12)，所述等离子源(12)位于进气管(11)在真空腔室(1)侧壁上的管口的下侧，且所述真空腔室(1)内还设置有磁场过滤组件(4)，所述退火腔室(2)内设置有用于放置硅片的基台(21)，所述基台(21)上设置有下部电极(22)，且所述基台(21)位于连通口(3)的正下方，且所述退火腔室(2)上还设置有温度调节装置(5)以及压力调节组件(6)。
2.如权利要求1所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述磁场过滤组件(4)包括线圈(41)和多孔板(42)，所述线圈(41)绕设在真空腔室(1)的外侧壁上，所述多孔板(42)安装在真空腔室(1)的内壁上。
3.如权利要求2所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述多孔板(42)包括多孔区域(421)，所述多孔区域(421)内分布有多个通孔(422)。
4.如权利要求1所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述磁场过滤组件(4)的磁场强度大小在50G-500G之间。
5.如权利要求1所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述压力调节组件(6)包括排气管(61)和控制阀，所述排气管(61)与退火腔室(2)连通，所述控制阀安装在排气管(61)上并控制排气管(61)的开启或关闭。
6.如权利要求5所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述控制阀包括蝶阀(62)。
7.如权利要求1所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述退火腔室(2)内设置有主轴支架(23)，所述基台(21)水平固定在主轴支架(23)的顶部。
8.如权利要求1所述的一种等离子体退火设备，其特征在于，所述温度调节装置(5)设置在退火腔室(2)的外侧壁上。
9.如权利要求1所述的一种等离子体退火方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:将硅片放置在基台(21)上，并对硅片进行沿水平方向的姿态调整；
S2：选择具有不同大小、几何形状、纵横比的通孔(422)的多孔板(42)并安装在真空腔室(1)内，以及调整真空腔室(1)内多孔板(42)的数量和间距；
S3:将线圈(41)通电，从而形成磁场强度在50G-500G之间的磁场；
S4：通过进气管(11)将混合气体通入真空腔室(1)内并启动等离子源(12)；
S5：调节下部电极(22)偏压的大小,从而控制等离子体的能量；
S6：通过温度调节装置(5)和压力调节组件(6)调节真空腔室(1)内的温度和压强，直至形成超临界气体。
10.如权利要求9所述的一种等离子体退火设备及方法，其特征在于，在步骤S2中所述多孔板(42)的选择、安装的数量以及间距，与需要的有效等离子体的浓度相匹配。
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