JP2011530148A - マイクロ波プラズマ中で誘電体層を製造する装置および方法 - Google Patents

Abstract

マイクロ波プラズマを生成する装置、およびマイクロ波プラズマによって半導体基板を処理する装置および方法であって、マイクロ波プラズマ装置は、導電性材料からなる同軸の内部導体（２１）と、少なくとも部分的に同軸の内部導体を囲むとともに同軸の内部導体から間隔をおいて配置された導電性材料からなる同軸の外部導体（２２）とを備えた少なくとも１つの電極（２１，２２，２３）と、前記同軸の内部導体（２１）に接続されたプラズマ点火装置（２３）とを備え、前記同軸の外部導体（２２）は、同軸の外部導体が同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿って同軸の内部導体（２１）を完全に囲む少なくとも１つの第１部分領域（３１）と、同軸の外部導体（２２）が同軸の内部導体（２１）を部分的に囲む少なくとも１つの別の部分領域（３２）とを備え、マイクロ波発生器（２０）によって発生したマイクロ波放射は同軸の内部導体（２１）の長手方向の軸線にほぼ直交した少なくとも１つの別の部分領域（３２）に出ることができる。

Description

本発明は、マイクロ波プラズマを生成する装置およびマイクロ波プラズマによって半導体基板を処理する装置および方法に関するものである。本発明の装置および方法によれば、半導体プロセスディスクに、特に室温で又はわずかに温度を上げて欠陥がない誘電体層が生成される。

メモリチップ、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路又は論理部品などの電子的要素の製造のために、極めて精密で作動の信頼性が高い半導体製造装置が必要となる。製造される製品、多くの場合、信頼性の高い作動が必要とされる半導体部品は、再現可能な電気的および物理的特性を備えている。そのような半導体部品を製造するためには数百の製造工程を実施することが必要である。同時に、半導体部品の構造はますます微細化し、換言すれば、１平方センチメートルあたりの半導体部品の量が絶え間なく増大するため、半導体製造装置の製造者にとっては常に新たな挑戦が必要とされる。６５ナノメートル（ｎｍ）の論理的な半導体構造を有した論理部品と同等の信頼性があり、４５ナノメートル（ｎｍ），３２ナノメートル（ｎｍ）、さらにはもっと微細な半導体構造からなる半導体部品を製造することを可能とするためには、エラーフリーすなわち欠陥がない絶縁層を低温で製造することが緊急の問題である。自動車産業においては、その分野で使用される電子部品は、人命がその部品の信頼性のある作動に依存しているために、誤作動を起こすことなく長期間にわたって機能を果たすことが要求されている。そのような要求に応えるために、部品の信頼性を向上させることが必要であり、とりわけ欠陥がない誘電体層を製造するには、あるいは所定の後処理を施して欠陥がない状態に変えることができる層を製造するには、本質的なアプローチが必要とされる。

上述したように、現在の半導体技術においては、例えば、熱酸化物層あるいは他の誘電体層の製造中に熱量すなわち入熱量を低下させることも要求されている。

また、トランジスタの開発において、たとえば、いわゆる「金属ゲート」に関して新たな要求が満たされることが必要である。タングステン、タングステンシリコン、窒化タンタル、窒化チタンなどの材料に比べてシリコンの選択的な酸化が低温で行われることが必要である。

さらに、異なったドープトシリコンからなる半導体構造を均一に酸化させること及び窒化ケイ素を酸化することが要求されている。さらに、動作の信頼性が高い半導体部品の製造には、タンタル、ニオブ、窒化タンタル、窒化ニオブおよび類似した材料に高い誘電率を有した欠陥がない層を製造することが必要であり、かつ、ＣＶＤ（化学的気相成長法）およびＡＬＤ（原子層堆積）プロセスを介して堆積した欠陥がある層の後処理が必要である。

過去においては、誘電体層はオーブン（炉）又はＲＴＰ（急速加熱処理）反応炉において熱酸化を介して及びＣＶＤプロセスを介して製造されていたが、最近では、ＡＬＤ（原子層堆積）プロセスを介して製造されている。一般的に、これらのプロセスは、それぞれの製造方法のために電気的な特性に関して欠陥がない層を製造できない。これゆえ、結晶構造中の不純物又は傷によって熱酸化工程の間に電気的に欠陥がある層になってしまう。核生成による問題は、パーティクルの混入による問題と同様にＣＶＤ層およびＡＬＤ層、特に薄い層の電気的な弱点の原因となる。

熱酸化の更なる欠点は、すなわちプロセス温度にプロセス時間を乗じた積、いわゆる熱量である。熱酸化や窒化などの半導体製造の多くのプロセスにおいて、必要な層を生成するための熱量が高いために、層を生成している間に半導体素子に重大な欠陥が生じる恐れがある。例えば、部品の信頼性を損なうような熱量があまりにも高いときにはドープ剤の拡散プロファイルが乱される恐れがある。

熱酸化の更なる欠点は、異なってドープされ異なった結晶配向のシリコンが異なった速度で酸化されることにあり、結晶の配向によって酸化物の異なったブレークスルー電圧になる。このことは半導体の製造において重大な問題となる。

熱酸化の別の欠点は、シリコンの酸化の間に窒化ケイ素の酸化がごくわずかであるという事実にある。現在使用されている半導体部品で、窒化ケイ素がシリコン面の直ぐ隣りに位置している構造が存在する。そのような構造によって、熱酸化プロセスはきわめて限定的に用いることが可能であるか、あるいは全く用いることができない。そのような酸化プロセスでは、シリコン面と窒化ケイ素層の間の遷移領域で酸化物層あるいは所望の酸化物層が形成されることはない。

そのような欠点を避けようとする方法は公知である。欧州特許第１０１８１５０号公報には酸化物を形成する方法が開示されており、この方法では、基板は、プロセスチャンバ内の基板の基板の近くでガスを含んでいる酸化物と水素ガスとの間の反応を開始するのに十分に高い温度まで加熱される。この公知の方法においては、水素と酸素が大気圧の約１００分の１の圧力で約８５０℃より高い温度に加熱されたシリコンディスクに向けて供給され、シリコンおよび窒化ケイ素の薄い酸化物層が形成される。この種の酸化は、文献ではインサイチュ湿式酸化として知られており、薄い酸化物層を生成するだけで、多くの場合、許容できないほど高い温度を必要とする。
室温又は数百℃の温度で、金属に比べてシリコンの選択的な酸化は、そのような方法では不可能である。高い誘電率を有した層、特に結晶層は、大きな領域上に欠陥が無い状態で堆積させることはできない。

現時点では、プラズマのＲＦ励起に基づいてシリコンの酸化を行う装置がある。例えば、米国特許第７２１４６２８号公報は、ゲート酸化の方法を開示しており、この方法では、誘導的に形成されたプラズマをパルスマイクロ波の放射によって発生させる装置が用いられている。この方法では、酸化物層を形成するときにイオン生成による欠陥を避けるためにプラズマは基板との間の距離が十分に大きく保持される。プラズマは、オン／オフされる。プラズマがオフの間に、プラズマからのイオンが基板に到達する可能性がある。酸化物層を形成している間に、イオンの衝突によって生じる酸化物層の欠陥ができるだけ小さくなるようにチャンバー内の圧力とパルス周期は、制限される。しかしながら、この装置で用いられるプラズマは、所望の効果を得るために、すなわち短時間で基板上に所定の厚さの層を形成するために必要とされる低エネルギーのイオンと電子の密度に到達しない。

また、米国特許出願公開第２００７／０２２１２９４号公報には、酸化物膜又は窒化物膜を形成するためのマイクロ波を基本としたプラズマ生成装置が開示されている。この装置においては、均質な酸化物層および窒化物層をそれぞれ形成するために、マイクロ波プラズマは、処理される基板から間隔をおいて配置された分配板を通して基板に向けられる。また、このマイクロ波プラズマは、プロセスチャンバに供給する方法が原因で、所望の効果を得るために必要なプラズマ密度には達していない。

これゆえ、本発明は、誘電体層、例えば酸化物層を形成するための基板がその表面に強い負電荷を得るように低エネルギーのイオンと電子を極めて高い密度で持つマイクロ波プラズマを発生する装置を提供することを目的とする。このように、短時間でかつ８００℃以下の低温で基板、好ましくは半導体基板上に十分な厚さの誘電体層、例えば酸化物層を形成することが可能である。本発明の別の目的は、マイクロ波プラズマ中で好ましくは低温で欠陥がなくできる限り均質な誘電体層を製造する方法を提供することである。

この問題は添付された１以上の請求の範囲の装置および方法によって解決される。有利な実施形態は各々の従属項において開示されている。本発明のマイクロ波プラズマ装置は、少なくとも１つのマイクロ波発生器に接続可能な少なくとも１つの電極を備えており、少なくとも１つの電極は、導電性材料からなる同軸の内部導体と、内部導体を少なくとも部分的には囲みかつ内部導体から間隔を置いて設けられた導電性材料からなる同軸の外部導体を備えている。少なくとも１つの電極は、同軸の内部導体、好ましくは同軸の内部導体の端部に接続されるプラズマ点火装置を備える。同軸の外部導体は、同軸の外部導体が同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿って同軸の内部導体を完全に囲む少なくとも１つの第１領域と、同軸の外部導体が部分的に同軸の内部導体を囲む少なくとも１つの別の領域とを備え、マイクロ波発生器によって発生したマイクロ波放射は同軸の内部導体の長手方向の軸線に直角な少なくとも１つの別の領域に出るようになっている。同軸の内部導体は、例えばチューブの形状に形成してもよい。この別の領域では、同軸の外部導体は同軸の内部導体に沿って開口しており、すなわち、同軸の内部導体は同軸の外部導体によって完全には囲まれてはいない。

有利なことには、各電極はマイクロ波発生器に電気的に接続されている。付加的な領域は前記別の領域の直ぐ隣りにある。前記付加的な領域は、この付加的な領域において同軸の内部導体が同軸の外部導体によって囲まれていないことを特徴とする。この付加的な領域は、少なくとも１つの第１領域の直ぐ隣りにあってもよいし、また少なくとも１つの別の領域に取って代わってもよい。この実施形態の１つの利点は、本発明のマイクロ波プラズマ装置が使用される半導体基板を処理する装置が４５０ｍｍ又はそれ以上の直径の基板に容易に拡大することができるということである。

少なくとも１つの電極は、有利なことには、同軸の外部導体が内部導体の長手方向の軸線に沿って開口している領域に少なくとも沿って非導電性材料によって囲まれている。この非導電性材料は、石英、ガラス、アルミナ、又はサファイアである。有利なことには、非導電性材料は中空の円筒として形成されている。前記中空の円筒は、外部導体が同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿って開口している電極又は電極の少なくとも一部の領域を収容することが可能である。好ましくは、非導電性材料は、マイクロ波発生器に接続されていない電極の自由端を囲んでいる。少なくとも１つの電極のマイクロ波放射電力は、開ループ又は閉ループ方式で制御可能である。

電極の一部を囲む非導電性材料と電極それ自体との間には空間が形成され、大気圧の空気がその空間には存在する。あるいは、減圧された別のガスがこの空間に存在してもよい。この空間には、例えば、酸素、水素、窒素、Ｎ_２Ｏ、及び／又は不活性ガス、又はこれらのガスの混合物等のプロセスガスが入っていてもよい。この空間の圧力は、０バール（ｂａｒ）から数バールである。この空間は、液体又は固体の誘電材料で満たされていてもよい。この空間の圧力は、電極と電極を囲むアイソレータ管との間にプラズマが形成されないように選択される。

前記同軸の外部導体が前記少なくとも１つの別の領域の端部で完全に同軸の内部導体を囲みかつ同軸の外部導体が開口して前記別の領域の一端から他端に連続的に先細状になるように、前記同軸の外部導体は、前記少なくとも１つの別の領域に形成することができる。前記同軸の外部導体が半導体基板の縁部の領域を越えて開口し、かつ同軸の外部導体の断面積が半導体基板の反対側の縁部に向かって連続して先細状になるように、前記同軸の外部導体は設計されている。前記同軸の外部導体は、前記少なくとも１つの別の領域において同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿っていくつかの開口を備えていてもよい。前記同軸の外部導体は、楕円形状又はひし形形状に切開してもよい。前記同軸の外部導体は内部導体を囲み、例えば円筒状に囲み、同軸の外部導体は、この取り囲んでいる覆い部に沿って複数の開口断面を備えていてもよい。これら断面は、例えば楕円形状、ひし形形状、又は四角形状に切開してもよい。外部導体の覆い部は、覆い部が内部導体の長手方向の軸線に沿った開口領域を備えるように所定の角度で切開してもよい。覆い部はＶ形状に切開してもよいし、また覆い部はＶ形状、矩形状、又はＵ形状の１以上の切り抜き部を備えていてもよい。また、覆い部は、内部導体の周りの前記少なくとも１つの別の領域に沿って螺旋状になるように切開してもよい。

点火装置は同軸の内部導体の端部に誘導器として形成してもよい。そのために、同軸の内部導体は曲がった形状、例えば、その端部で曲がった形状になっている。点火装置は、好ましくは、リニアヘルツ発振器として形成されており、このリニアヘルツ発振器の波長はマイクロ波発生器の波長の半分及び／又はマイクロ波発生器の波長の整数倍に相当している。マイクロ波発生器は２．４５ＧＨｚ又は５．４ＧＨｚ又は９１５ＭＨｚ又は１３〜１４ＧＨｚのマイクロ波周波数である。マイクロ波発生器は他の周波数であってもよい。

マイクロ波プラズマ装置は、例えば、半導体処理産業において半導体基板のプラズマ処理用の設備の一部であってもよい。マイクロ波プラズマ装置は、例えば、金属性の箱で囲まれた処理室を備えてもよく、金属性の箱は半導体基板を導入するための閉塞可能な開口を備えており、金属性の箱の冷却及び／又は加熱用の手段を備えていてもよい。マイクロ波プラズマ装置は、処理室内にある半導体基板を保持するための基板ホルダーを備え、好ましくは処理室内に配置されかつ処理室に対して真空で密封された少なくとも１つのアイソレータ管を備えている。前記少なくとも１つの電極の少なくとも一部は、開口した同軸の外部導体からなる部分に挿入されている。また、金属性の箱は、少なくとも１つの開口を備え、好ましくは、少なくとも１つの開口とプロセスガスを導入するための複数の開口を備え、好ましくは、プロセスガスを排気するための数個の別の開口を備えている。プロセスガスを排気するための開口は、好ましくは常時真空ポンプに固定されている。処理室内のプロセスガスの圧力は、好ましくは閉ループ及び／又は開ループの方式で１ｍＴｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒの範囲に調整可能である。金属性の箱は、例えば、アルミニウムからなってもよい。

好ましくは、基板ホルダーは処理室内に回転可能に配置されている。基板ホルダーは少なくとも１つの軸線の周りに回転可能であり、その軸線は、有利なことには基板ホルダーの基板保持領域に配置された半導体基板の半導体基板面に直角である。処理中に基板とマイクロ波エネルギー放射電極との間が所望の距離に設定されるように基板ホルダーと前記少なくとも１つのアイソレータ管との間の距離は可変になっている。基板ホルダーは冷却可能及び／又は加熱可能である。基板ホルダーは、少なくとも部分的に、窒化アルミニウム及び／又は窒化ケイ素及び／又は石英及び／又はサファイア及び／又は炭化ケイ素からなってもよい。円形の基板、例えば、半導体ウエハでは、基板保持領域は付加的な環状の領域によって囲まれていてもよく、この付加的な環状の領域は、基板保持領域の周りに環状に配置された、いわゆる延長された基板領域からなっている。前記基板保持領域は基板の周りに環状に配置された基板材料の要素からなっていてもよい。前記基板保持領域は半導体基板を保持するサセプタからなっていてもよく、このサセプタは、基板の温度を測定するための少なくとも１つの熱電対に接続されていてもよい。

さらに、基板ホルダーの基板保持領域に保持された半導体基板の温度を測定するための少なくとも１つの温度測定装置を設けてもよい。そのような温度測定は、例えば、高温測定的に行ってもよい。

処理室は、少なくとも１つの電極を備え、好ましくは基板保持領域の上方の面及び／又は下方の面において、互いに略平行に配置された１以上のアイソレータ管を備えている。各アイソレータ管は、好ましくは１つの電極を囲み、又は少なくとも１つの電極の少なくとも１つの別の領域を囲んでもよい。前記少なくとも１つの別の領域は、マイクロ波放射の出口用に設けられた同軸の導体の領域、すなわち同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿って同軸の外部導体が開口する領域を少なくとも備えている。同軸の内部導体は、前記少なくとも１つの別の領域の代わりに設けることが可能である少なくとも１つの付加的な領域を備えてもよい。付加的な領域は、同軸の内部導体の端部領域に設けられており、マイクロ波を放射し、同軸の外部導体によっては囲まれてはいない。この場合、アイソレータ管は、好ましくは電極の付加的な領域を囲んでいる。

少なくとも１つの電極の同軸の外部導体は、好ましくは基板ホルダーの基板保持領域に配置された半導体基板の縁部領域を越えて開口しており、最も好ましくは全体的に延長された基板領域上に開口している。装置が複数の電極を備えている場合、電磁エネルギーを放射する領域を含むこれらの電極又は少なくともこれらの電極の一部分は、好ましくはアイソレータ管に別々に収容されている。アイソレータ管は、好ましくは互いに概略平行に配置されており、互いに「概略平行」とは、アイソレータ管の長手方向の軸線が互いに１０°以下の角度に配置されていると理解することができる。基板保持領域の上方に配置されたアイソレータ管は好ましくは全て同一面上に配置されている。いくつかのアイソレータ管が処理室の基板保持領域の下方に配置されている場合には、好ましくは、これらのアイソレータ管も１つの面上に配置されている。アイソレータ管内に収容された電極の放射領域は、最も好ましくは基板保持領域の全体を覆っており、好ましくは前記延長された基板領域をも覆っている。装置が複数の電極を備えている限りにおいて、電極のマイクロ波放射電力は、開ループ方式及び／又は閉ループ方式でグループ単位で制御可能であり、及び／又は各電極ごとに個別に及び／又は所定数の電極ごとに制御可能である。好ましくは、隣接した電極は、プラズマの均一性を増すためにそれらの隣接した電極が各アイソレータ管の反対側にある各マイクロ波源に接続可能であるように配置されている。電極は個別に又はグループ単位で異なったマイクロ波源に接続可能であり、異なったマイクロ波源は、同一又は異なった放射周波数でマイクロ波エネルギーを放射可能である。

基板保持領域の下方及び／又は上方に、追加の加熱要素を処理室内に配置してもよい。これらの加熱要素は、例えば、ハロゲンランプ及び／又はアーク灯からなる。加熱要素は、石英ガラス及び／又は不純物原子でドープされた石英ガラス及び／又は不純物原子でドープされた領域を備えた石英ガラスによって処理室から分離されていてもよい。

金属性の箱の上部側に、プラズマと金属性の壁との接触を妨げるようにアイソレータ板を配置してもよい。金属性の箱は、例えば、処理室に面した側において陽極酸化アルミニウムからなる表面領域を備えていてもよい。また、処理室は基板保持領域の上方及び／又は下方の金属性の箱から間隔をおいて配置された電極を備えていてもよく、この間隔をおいて配置された電極は、好ましくはアイソレータ板に接続される。この間隔をおいて配置された電極は、陽極酸化処理を行うために、直流又はパルス直流に接続してもよい。また、電極は交流に接続してもよい。交流は、プラズマ及び／又は処理対象の基板、例えば半導体ウエハの表面電荷を調整するようになっており、処理結果の向上に寄与する。このような状況において、プラズマプロセスを行いながら、電極をほんの一時的に、例えばパルス的に直流に接続することも可能である。また、プラズマプロセス自体を経時的にパルス方式及び／又は変調方式で実行することも可能である。当業者は、所望のプロセス結果を得るためにこれらの可能性の変更および組み合わせを考えることが可能である。

上述したような装置における半導体基板の処理は、以下の工程からなる。
ａ）半導体基板を処理室に導入し、処理室に配置された基板ホルダー上に半導体基板を配置し、
ｂ）処理室を排気し、
ｃ）プロセスガスを処理室に導入し、
ｄ）マイクロ波プラズマ装置の電極を介してマイクロ波放射を処理室に挿入し、処理室内でマイクロ波プラズマを発生し、
ｅ）マイクロ波放射をオフにし、
ｆ）処理室を通気し、
ｇ）処理室から半導体基板を取り出す。
工程ａ）からｇ）の間であって、工程ｄ）の前に及び／又は工程ｄ）の間に及び／又は工程ｄ）の後に、半導体基板を所定の温度に加熱してもよい。所定の温度とは、好ましくは室温から６５０℃までの間である。

プロセスガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、窒素、Ｈ_２Ｏ(スチーム)、重水素、Ｄ_２Ｏ（スチーム状の重水)及び／又は亜酸化窒素又はこれらのガスの混合物であってもよい。ガスは、例えば、ＮＦ_３、ＣＦ_４、又はＣｌ_２、又はこれらのガスの混合物であってもよい。これは、洗浄操作の間、有利である。

本発明の装置によって、欠陥がない誘電体層が製造可能である。この点について、基板表面の負帯電は欠陥がない誘電体層を生成するために重要な力である。というのは、電荷に等価の層の厚さが得られる限り、層の形成は表面の全体の領域に継続されるからである。

本発明の酸化の利点は、所要の温度による拡散によって制御される熱酸化とは違って、表面電荷により発生する電界によって酸化物層を形成することになる酸化方法が用いられることである。ＣＶＤおよびＡＬＤ方法においては、基板表面の各々の化学ポテンシャルは、欠陥がない層を形成するために必要であるが、この化学ポテンシャルを制御することは難しい。

酸化は、マイクロ波プラズマによって起こる負帯電の電界によって生ずるのであるから、酸化は室温又はわずかに増加した温度で行うことが可能である。酸化は基板温度とは独立したものであり、基板温度は、最適なプロセス結果が得られるように設定可能である。また、酸化は、シリコン中のドープ剤の化学種や濃度とは独立したものである。本発明の方法によれば、窒化シリコンを室温で十分に酸化することが可能である。金属および金属窒化物に比べてシリコンの選択的な酸化が可能であるプロセスガス中の水素が高濃度になるまで、水素の添加は酸化物層の厚さおよび酸化物層の形成に実質的な影響を与えない。

加えて、シリコンの酸化、またタンタル、ニオブ、アルミニウムおよびこれらの窒化物の酸化が可能である。ＣＶＤやＡＬＤ方法とは違って、金属又はその窒化物の酸化によって、欠陥がない高品質の誘電体層を室温で形成することが可能であり、その層は、例えば、「高周波」および「デカップリング」に適用するためのＭＩＭコンデンサーや自動車用の通信および他の論理技術のために用いられる。

本発明の装置および本発明の方法は、低エネルギーのイオンおよび電子の極めて高い密度を持ったマイクロ波プラズマの生成を可能とし、励起ガスのイオン化度は励起周波数の２乗で増加する。入射電力がプラズマの飽和のために十分であれば、例えば、２．４５ＧＨｚの励起周波数を持ったマイクロ波プラズマによって、約８０％の電離度が得られる。電子質量と１０^４に達する正電荷イオンとの間の差および低エネルギーの電子の小さい衝突断面積によって、プラズマ中の電子の平均自由行程は、イオンの平均自由行程より概略１０^２高くなる。これゆえ、電子は、プラズマと基板との間の境界領域においてより速く基板の表面に到達し、基板上に高い負電荷が形成される。十分な正イオンがプラズマから引きつけられれば、荷電プロセスは停止する。本件の場合、正イオンの一部、例えば、一価の正に帯電した酸素イオンの一部、すなわちプラズマによって生成された一価の正に帯電した酸素イオンは中性化されてプラズマ空間に戻る。一価の正に帯電した酸素イオンの他の部分は、個々に２個又は３個の電子を引きつけ、１価又は２価の負電荷になる。この一部は、基板の負の表面荷電によって基板からはねつけられる。また、負電荷の酸素の一部は、プラズマ空間に戻る。負電荷の酸素の他の部分は、プラズマの負電荷の領域を通過すれば、基板の酸化に貢献し、かつ誘電体の形成に貢献する。

本発明の装置および本発明の方法は、図面を参照して好ましい実施形態によってさらに詳細に説明する。図面中、同一の効果をもった構成要素には、同一の符号を付して説明する。当業者は、本発明の範囲内である実施例、実施例の変形例および開示された実施例の組み合わせを認識することができる。本発明の装置は、本明細書では説明されていない他の応用あるいは他の方法においても使用可能である。

図１、１ａ、１ｂは、本発明の装置のそれぞれ異なった実施形態を示す。 図２は、本発明の装置の異なった実施形態を示す。 図３は、本発明の装置の異なった実施形態を示す。 図４ａ、４ｂおよび４ｃは、同軸の外部導体のそれぞれ異なった実施形態を示し、図４ｄ、４ｅ、４ｆおよび４ｇは、電極の同軸の内部導体のそれぞれ異なった実施形態を示す。 図５は、本発明の装置により半導体基板上に形成された酸化物の酸化結果を示す。 図６は、本発明の装置により半導体基板上に形成された酸化物の酸化結果を示す。 図７は、本発明の装置により半導体基板上に形成された酸化物の酸化結果を示す。 図８は、本発明の装置により半導体基板上に形成された酸化物の酸化結果を示す。 図９は、プラズマ中の陽極酸化によって補修された基板上の欠陥がある誘電体の例を示す。

図１，１ａおよび１ｂは、本発明の装置の断面を示す。これらの図は、金属性の箱１０を示し、金属性の箱１０はドア（図示せず）によって閉塞可能な開口（図示せず）を備えるとともに内部に処理室を形成している。金属性の箱１０は複数のアイソレータ管１１に接続されている。アイソレータ管１１は、好ましくは金属性の箱１０の両側でシールを介して金属性の箱１０に接続されている。前記シールは、好ましくは周囲の雰囲気に対して処理室の内部空間を密封している。アイソレータ管１１は、処理室全体にわたって伸びている。アイソレータ管１１は、好ましくは石英又はアルミナからなっている。前記シールは、処理室が真空排気される場合に周囲の大気がシールを介して処理室に入らないように製作されている。アイソレータ管１１の一部は、ハロゲンランプ又はアークランプ等の加熱要素１２を保持することが可能である。図１に示されるように、基板ホルダー１４は処理室内に設けることが可能である。基板ホルダー１４は、好ましくは駆動装置の駆動軸１３の周りに回転可能であり、かつ駆動軸に沿って軸方向に移動可能である。基板ホルダー１４は、処理室内の基板保持領域において、例えばピン上に基板１５を保持するために設けられている。処理室内に位置する基板ホルダー１４は、例えば、図１ａおよび１ｂに示されるように、冷却及び／又は加熱流体通路１６を備えている。この場合、基板１５は、基板ホルダーに対して良好な熱接触を可能とするために基板ホルダー１４上に平らに配置される。加熱要素１２（ハロゲン放熱器、放電灯など）は、サセプタ又は基板を所望の処理温度に加熱するために設けられており、処理対象の基板の下方に配置されている。

金属性の箱１０は、プロセスガスを導入するための少なくとも１つ、好ましくは複数のガス入口を備えるとともに、好ましくは真空ポンプに接続されている少なくとも１つのガス出口１９を備えている。基板保持領域の上方に配置されたアイソレータ管は、少なくとも１つのマイクロ波発生器２０に接続された電極２１，２２，２３を保持している。電極２１，２２，２３は、導電性材料からなる薄い環状の同軸の内部導体２１と、内部導体を少なくとも部分的に囲むとともに内部導体から間隔をおいて設けられた同軸の外部導体２２とを備えている。また、プラズマ点火装置は同軸の内部導体２１に接続されている。マイクロ波プラズマ２４は処理室内においてアイソレータ管１１の外側に発生する。アイソレータ管１１は、好ましくは石英ガラスからなり、アイソレータ管１１の内部空間には常圧の空気が保持されている。

図１，１ａおよび１ｂに示されるように、金属性の箱１０の上部は、プラズマ２４が半導体基板１５上に金属の汚染物を生成することを防止するために絶縁材料２５を備えている。図１ｂは、電極２６が絶縁材料２５にしっかりと固定された実施形態を示す。電極２６によって付加的な電位が半導体基板と電極との間に印加され、陽極酸化処理が行われる。これは厚い層が生成可能であるという利点がある。電極２１，２２，２３のうち同軸の外部導体２２は、同軸の外部導体が長手方向の軸線に沿って同軸の内部導体２１を完全に囲んでいる少なくとも１つの第１領域３１を備えている。また、同軸の外部導体は、同軸の外部導体が部分的に同軸の内部導体２１を囲んでいる少なくとも１つの別の領域３２を備えており、電極２１，２２，２３がマイクロ波発生器２０に接続されたときに、マイクロ波発生器２０によって生成されたマイクロ波放射が前記少なくとも１つの別の領域３２において同軸の内部導体２１の長手方向の軸線に略直角な方向に出るようになっている。

図２は、本発明の装置の別の実施形態を示す。図１，１ａおよび１ｂの実施形態と比較して、サセプタ１４は半導体基板１５を金属性の箱を通して運ぶための移送用ローラー１４ａによって置き換えられている。

図３は、本発明の装置の更に別の実施形態を示す。この場合、マイクロ波プラズマを発生する電極２１，２２は処理室内で１つの半導体基板１５と別の半導体基板１５ａとの間に位置している。加熱要素１２は、２つの半導体基板の上方および下方に配置されている。同軸の外部導体のいくつかの実施形態は、図４ａ，４ｂおよび４ｃに示されている。第１領域３１は図４ａ，４ｂおよび４ｃに示されており、同軸の外部導体２２は、同軸の内部導体を完全に囲み、別の領域３２においては同軸の外部導体２２は同軸の内部導体を部分的に囲んでいる。図４ａは楕円状に切開された同軸の外部導体を示す。図４ｂは、ひし形状に切開された同軸の外部導体を示し、図４ｃは六角形状に切開された同軸の外部導体を示す。同軸の外部導体のこれらの実施形態は、プラズマ雲２４を発生するために内部導体と外部導体の間で移動する電磁波が外部導体２２の開口部３２を通して出ることができるという利点がある。これらの手段によって、プラズマ雲２４が軸方向において閉じこめられ、プラズマが金属性の箱１０（図１参照）内のアイソレータ管１１用の通路に広がることを防止するとともに金属汚染が生じないようにする。さらに、外部導体２２の実施形態は、基板の導電性と基板の電極までの間隔がプラズマ雲の形状に影響を与えることを防止するという利点がある。

図４ｄ，４ｅ，４ｆおよび４ｇは、好ましくは、同軸の内部導体２１の端部に固定されたプラズマ点火装置２３の有利な実施形態を示す。マイクロ波プラズマ装置の点火装置２３は、装置内が低圧および高圧において確実な点火操作を容易とし、この点火装置２３はマイクロ波の波長の半分又はマイクロ波の波長の整数倍の波長を有するリニアヘルツ発振器として形成可能である。さらに、点火装置２３は内部導体２０の端部で誘導体として形成可能であり、この誘導体は内部導体のいくつかのコイルから形成される。

本発明の装置は以下のように動作する。
マイクロ波プラズマは、処理室に酸化性中性ガス及び／又は還元性ガスの導入およびマイクロ波発生器２０からのマイクロ波のエネルギーによるガスの励起によって、通常２．５４ＧＨｚの周波数で、大気圧の約１／１００００から１／１０００の負圧で発生する。処理対象の基板１５は、回転および昇降装置１３および基板ホルダー１４，１４ａによって回転されるとともに、マイクロ波同軸導体の電極２１，２２に対して所望の距離（約１ｃｍから１５ｃｍ）で保持される。圧力、ガス混合物、マイクロ波電力および電極距離を適正に設定することによって、基板において所望のプラズマ密度又は電荷密度を生成することができ、所望の処理結果が得られる。基板の導電率および電極までの距離とは独立にプラズマを生成するために、同軸の内部導体２１と同軸の外部導体２２との間に導入されるマイクロ波のエネルギーが同軸の外部導体２２の開口から均一に流出し、かつマイクロ波のエネルギーが均一にプラズマゾーンに導入され、そこで吸収されるということが必要である。これは、同軸の内部導体２１の周りおよび同軸の内部導体２１に沿って、同軸の外部導体２２を対応する外部導体２２の終端部又は対応する点火装置とともに適切にデザインすることによって得られる。マイクロ波は導電性の基板を通して伝播し、制御不可能な結果になるおそれがあるので、通常、棒状又は厚板形状のプラズマ励起において用いられる内部導体のみを介したプラズマ励起は、ここでは使用することができない。同軸の内部導体２１の一端は、プラズマ点火装置２３によって形成されており、このプラズマ点火装置２３はガスが低圧および高圧で確実に点火するということを確保するために設けられている。

図５は、１２０秒(ｓｅｃ)のプラズマ燃焼時間、１００ｍＴｏｒｒのプロセスガスの圧力、および５００Ｗのマイクロ波放射電力で、基板とマイクロ波プラズマ装置との間の距離に対するシリコン基板上に成長した酸化物の厚みを示している。プロセスガスとして酸素が使用された。酸化物の成長の厚さは、指数の法則に従う。

図６は、本発明の装置で、複数の異なった基板および複数の異なったプロセスガスの圧力に関して室温におけるプラズマの燃焼時間（秒数）の関数としてプラズマ酸化物の成長曲線を示す。四角で表される曲線１１２は、処理室内の１００ｍＴｏｒｒのプロセスガス圧力においてホウ素でドープされたｐ−シリコン上への酸化物の厚さを示す。×印で示す曲線１１４は、処理室内の１００ｍＴｏｒｒのプロセスガス圧力においてリンでドープされたｎ−シリコン上への酸化物の厚さを示す。丸印の曲線１１６は、処理室内の５００ｍＴｏｒｒのプロセスガスの圧力においてホウ素でドープされたｐ−シリコン上への酸化物の厚さを示す。星印の曲線１１８は、処理室内の５００ｍＴｏｒｒのプロセスガス圧力においてリンがドープされたｎ−シリコン上への酸化物の厚さを示す。図６は、二酸化ケイ素の成長が基板の表層下にあるドーピングとは独立していることを示している。この例は、低エネルギーのイオンおよび電子が極めて高い密度を持ったマイクロ波プラズマが本発明の方法によって生成され、本発明の方法によって、基板の方向性、ドープ剤、基板の種類には関係なく、室温から７００℃の温度で、基板例えばシリコン基板を酸化することができるということを示している。

図７は、６０秒のプラズマ燃焼時間および１００ｍＴｏｒｒのプロセスガス圧力において１つの電極あたりのプラズマ電力に依存する、本発明の装置によるオングストローム単位での酸化物の成長厚さを示す。水素と酸素の混合ガスで５０％の水素を含む混合ガスがプロセスガスとして使用された。四角で表される曲線１２０は、マイクロ波電力に依存してホウ素でドープされたｐ−シリコン上の酸化物の厚さを示す。星印で表される曲線１２２は、リンでドープされたｎ−シリコン上の酸化物の厚さおよび各々の測定において起こりうる測定偏差を示す。この図は、酸化物の成長が基板のドーピングとは独立しており、かつ酸化物の成長が印加されるプラズマ電力の増加に伴って着実に増加することを示している。

図８は、酸素に水素を添加することへの酸化物の厚さの依存度を示している。水素と酸素の混合割合が２：１より低い領域は、酸素リッチ領域１３０と云う。水素と酸素の混合割合が２：１より高い領域は、水素リッチ領域１３５と云う。２分量の水素と１分量の酸素の混合割合は、水素と酸素の化学量論的混合比と云う。曲線１３７は、６０秒のプラズマ燃焼時間の間、シリコンディスクまたはウエハ上に成長するオングストローム単位の酸化物の厚さを示す。酸化物の厚さは、測定誤差の範囲内で化学量論的混合比内の水素の添加まで一定である。水素の濃度がさらに増加する場合、予期したように酸化物の厚さは減少する。この例は、選択的および非選択的酸化に関して本発明の方法の特別に有利な点を示している。酸素と水素の混合比を選択することによって、室温で所望のプロセス条件が設定可能である。これゆえ、選択的酸化の間の金属の蒸発をおおいに避けることが可能である。タングステン、ニオブ、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタンまたは他の窒化物の存在下でシリコンの選択的な酸化が可能であり、タングステン、ニオブ、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、または他の窒化物の存在下における非選択的なシリコンの酸化と実質的に同一のシリコンの酸化率に到達可能である。

図９は、欠陥１５２ａ，１５２ｂを持つ誘電体１５１があるシリコンからなる基板１５０を示しており、その基板はＳｉＯ_２およびＴａ_２Ｏ_５のプラズマ中での陽極酸化によって補修された。半球１５３ａ，１５３ｂ参照。これゆえ、１４Ｖまでの降伏電圧が実現可能である。Ｔａ（タンタル），ＴａＮ（窒化タンタル）等の他の基板とともに陽極酸化が有利に使用可能である。例えば、電極２６に直流を印加することによって、陽極酸化が実施可能であり、こうして、より厚い誘電体層が基板上に生成可能である。

Claims (38)

1. マイクロ波発生器（２０）に接続可能であり、導電性材料からなる同軸の内部導体（２１）および導電性材料からなる同軸の外部導体（２２）とを備えた少なくとも１つの電極（２１，２２，２３）と、前記同軸の内部導体（２１）に接続されたプラズマ点火装置（２３）とを備え、前記同軸の外部導体は、前記同軸の内部導体を少なくとも部分的に囲み、かつ同軸の内部導体から間隔をおいて配置されているマイクロ波プラズマ装置において、
   前記同軸の外部導体（２２）は、前記同軸の外部導体が前記同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿って前記同軸の内部導体を完全に囲む少なくとも１つの第１領域（３１）を備え、
   前記同軸の外部導体は、前記同軸の外部導体が部分的に前記同軸の内部導体（２１）を囲む少なくとも１つの別の領域（３２）を備え、前記少なくとも１つの電極（２１，２２，２３）が前記マイクロ波発生器（２０）に接続されるときに、マイクロ波発生器（２０）によって発生したマイクロ波放射は前記同軸の内部導体（２１）の長手方向の軸線にほぼ直角な前記少なくとも１つの別の領域（３２）から出ることを特徴とするマイクロ波プラズマ装置。
2. 前記少なくとも１つの別の領域（３２）は、前記同軸の内部導体（２１）の長手方向の軸線に沿って、非導電性材料（１１）によって囲まれていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記非導電性材料（１１）は、石英ガラス、アルミナ又はサファイアであることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記非導電性材料（１１）は、中空の円筒として形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の装置。
5. 前記非導電性材料（１１）は、前記電極（２１，２２，２３）の一端を囲んでいることを特徴とする請求項２又は３又は４記載の装置。
6. 前記非導電性材料と前記少なくとも１つの別の領域（３２）との間に空間が形成され、雰囲気圧力の周囲空気が前記空間内に入っていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記少なくとも１つの別の領域（３２）の一端で前記同軸の外部導体が前記同軸の内部導体（２１）を完全に囲み、かつ前記同軸の外部導体が前記少なくとも１つの別の領域の前記一端から他端に向かって一定の割合で先細状になるように、前記同軸の外部導体は少なくとも１つの別の領域（３２）に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記同軸の外部導体（２２）は、前記少なくとも１つの別の領域（３２）内で前記同軸の内部導体の長手方向の軸線に沿った少なくとも２つの開口を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記同軸の外部導体は、前記少なくとも１つの別の領域（３２）において楕円形状又はひし形形状の開口（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記同軸の内部導体（２１）は、その端部が湾曲した形状をしていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記マイクロ波発生器（２０）は、前記同軸の導体（２１，２２）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記マイクロ波発生器（２０）は、約２．４５ＧＨｚ又は５．４ＧＨｚ又は９１５ＭＨｚのマイクロ波周波数からなることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記点火装置（２３）は、リニアヘルツ発振器として形成され、前記リニアヘルツ発振器の波長は、前記マイクロ波発生器（２３）の波長の半分及び／又は前記マイクロ波発生器（２３）の波長の整数倍であることを特徴とする請求項１０記載の装置。
14. 半導体基板を挿入するための閉塞可能な開口を備えた金属性の箱（１０）によって囲まれた処理室と、
    前記処理室内に配置され、半導体基板（１５）を保持するための基板ホルダー（１４ａ）と、
    前記処理室内に配置され、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の前記少なくとも１つの電極（２１，２２，２３）の前記少なくとも１つの別の部分（３２）を収容するための少なくとも１つのアイソレータ管（１１）と、
    プロセスガスを導入するための少なくとも１つの開口（１８）と、
    プロセスガスを排気するための少なくとも１つの別の開口（１９）とを備えたことを特徴とする半導体処理装置。
15. 前記別の開口（１９）は、真空ポンプに接続されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記処理室のプロセスガスの圧力は、１ｍＴｏｒｒから２０Ｔｏｒｒまで調整可能であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の装置。
17. 前記基板ホルダー（１４ａ）の基板保持領域において保持される半導体基板（１５）の温度を測定するための少なくとも１つの温度測定装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記金属性の箱は、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記基板ホルダー（１４ａ）は、前記処理室内に回転可能に配置されていることを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記基板ホルダー（１４ａ）は、冷却可能及び／又は加熱可能であることを特徴とする請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記基板ホルダー（１４ａ）は、少なくとも部分的に窒化アルミニウム及び／又は窒化ケイ素及び／又は石英及び／又はサファイアからなることを特徴とする請求項１４乃至２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記処理室は、前記基板保持領域の上方及び／又は下方の面にほぼ平行に配置された複数のアイソレータ管（１１）を備え、各アイソレータ管（１１）は、前記少なくとも１つの電極（２１，２２，２３）の各々の少なくとも１つの別の領域（３２）を囲んでいることを特徴とする請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記電極（２１，２２，２３）のマイクロ波放射電力は、開ループ及び／又は閉ループ方式で個別に及び／又はグループ単位で制御可能であることを特徴とする請求項２２記載の装置。
24. 隣接する電極（２１，２２，２３）は、前記各アイソレータ管（１１）の反対側で前記各マイクロ波源（２０）に接続されていることを特徴とする請求項２１又は２２記載の装置。
25. 加熱要素が前記基板保持領域の下方及び／又は上方に配置されていることを特徴とする請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 加熱要素はハロゲンランプ及び／又はアークランプであることを特徴とする請求項２５記載の装置。
27. 加熱要素は、石英ガラス及び／又は不純物原子でドープされた石英ガラスによって処理室から分離されていることを特徴とする請求項２５又は２６記載の装置。
28. 前記基板ホルダー（１４ａ）と、前記少なくとも１つのアイソレータ管（１１）との間の距離は可変であることを特徴とする請求項１４乃至２７のいずれか１項に記載の装置。
29. 前記同軸の外部導体（２２）は、半導体基板（１５）のコーナーの領域の上に開口していることを特徴とする請求項１４乃至２８のいずれか１項に記載の装置。
30. アイソレータ板（２５）は、プラズマと金属壁との接触が防止されるように金属性の箱の上部側に配置されていることを特徴とする請求項１４乃至２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 前記金属性の箱（１０）は、前記処理室に面している側に陽極酸化アルミニウムからなる表面領域を備えていることを特徴とする請求項１４乃至３０のいずれか１項に記載の装置。
32. 前記処理室は、基板保持領域の上方の前記金属性の箱（１０）から間隔をおいて配置された電極（２６）を備えていることを特徴とする請求項１４乃至３１のいずれか１項に記載の装置。
33. 前記電極（２６）は、前記アイソレータ板（２６）に堅固に接続されていることを特徴とする請求項３２記載の装置。
34. 請求項１４乃至３３のいずれか１項に記載の装置において、半導体基板を処理する方法であって、
    ａ）半導体基板を処理室に挿入し、半導体基板を処理室内に配置された基板ホルダー上に配置する工程と、
    ｂ）前記処理室の閉塞可能な開口を閉塞する工程と、
    ｃ）前記処理室を排気する工程と、
    ｄ）前記処理室にプロセスガスを導入する工程と、
    ｅ）マイクロ波プラズマ装置の電極（２１，２２，２３）を介してマイクロ波放射を前記処理室に導入して前記処理室内にマイクロ波プラズマを発生させる工程と、
    ｆ）前記マイクロ波放射をオフする工程と、
    ｇ）前記処理室を通気する工程と、
    ｈ）前記処理室の閉塞可能な開口を開く工程と、
    ｉ）前記処理室から半導体基板を取り出す工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体基板の処理方法。
35. 前記工程ｅ）の前及び／又は前記工程ｅ）の間及び／又は前記工程ｅ）の後に、前記半導体基板を所定の温度に加熱することを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 前記プロセスガスは、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素、窒素、重水素及び／又は亜酸化窒素、又はこれらガスの混合物からなることを特徴とする請求項３４又は３５記載の方法。
37. 前記プロセスガスは、ＮＦ_３、ＣＦ_４、Ｃｌ_２又はこれらのガスの混合物からなることを特徴とする請求項３４又は３５記載の方法。
38. 前記所定の温度は、室温から７００℃の間であることを特徴とする請求項３４乃至３７のいずれか１項に記載の方法。

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