[发明专利]微波处理半导体基板的设备和方法

说明书

技术领域

本文所述的技术涉及半导体装置的制造。更具体地说，描述了用于退火半导体装置的设备和方法。

背景技术

在制造逻辑装置、存储装置、光电发射装置、能源装置和类似物时，退火和掺杂剂活化是通常对半导体基板进行的两种工艺。诸如硅、锗、硅锗合金的半导体基板，或诸如Ⅲ/Ⅴ族、Ⅱ/Ⅵ族中的任一族的化合物半导体，或为本技术领域已知的CIGS半导体化合物都可掺杂有选定的一种掺杂剂，或多种掺杂剂。掺杂剂被注入或沉积且扩散到半导体基质中。在注入和/或扩散之后，作为基板内的深度的函数的掺杂剂浓度呈现某一分布，且注入/扩散工艺通常破坏半导体基质的晶体结构。掺杂剂浓度分布对于装置性能通常不是最佳的，而被破坏的、或者在有些情形下完全非晶化(amorphized)的晶体结构增加基板的电阻率。

为了调整浓度分布和修复晶体结构，将基板退火，在所述退火工艺期间，促使掺杂剂扩散成为所需浓度分布且附着于晶体基质。退火工艺还将半导体原子移动回到基质位置中，修复基板的晶体结构。掺杂剂通过包含于晶体基质中而被激活，增强了基板的电学性质。晶体基质中缺陷的减少提高了材料的电导率。

扩散工艺难以控制。虽然掺杂剂扩散成为更理想的分布，但是一些掺杂剂扩散到目标掺杂区域之外，导致诸如电流漏泄和电压漂移之类的不良和/或不稳定的性质。随着装置几何尺寸根据摩尔定律缩小，目标掺杂区域的尺寸也相应地变小，在退火工艺期间控制掺杂剂的扩散就变得更加具有挑战性。当前使用用于快速退火的可见光和红外辐射的方法来获得非常快速的退火，减少通过材料传播并且驱动不需要的扩散的背景热能，但是预期这样的方法达到约22nm以下的技术波节处的有效限度。

已经说明用于退火的微波能量的使用（见Splinter等人的第4303455号美国专利），但是微波退火从未实现大规模的商业认可。微波退火，和普通退火的一个挑战方面是获得均匀的结果。获得激光退火的均匀激光能量场已成为重要的学术主题达几十年，但是使用微波均匀退火半导体基板的方法和设备仍然难以实现。微波退火为基板的非热能的、或低热预算的辐射处理提供可能性——即，使用电磁辐射处理基板，所述电磁辐射将通过基板传播的热能最小化，从而最小化不需要的扩散。然而，仍然需要将基板暴露于高度均匀的微波能量场的方法和设备。

发明内容

本文公开的实施方式提供使用微波或毫米波能量退火半导体基板的方法和设备。微波或毫米波能量可具有在约600MHz和约1THz之间的频率。来自磁控管的交流电流被耦合至具有内导体和外导体的漏泄微波发射体(leaky microwave emitter)，外导体具有尺寸小于所发射辐射的波长的开口。内导体和外导体被绝缘材料隔开。由微波发射产生的干涉图案可通过调相到发射体的功率和/或通过调频功率自身的频率来均匀化。来自单个发生器的功率可被功率分配器(power divider)分配到两个或更多个发射体。

漏泄微波源通常包含被绝缘材料隔开的内导体和外导体。发射体可以是同轴电缆或同轴管，所述同轴电缆或同轴管产生微波能量的线源或准线源，发射体或者可以是二维源，所述二维源产生微波能量场。外导体具有形成在所述外导体中的开口，以允许从内外导体之间的区域出现辐射。开口通常具有小于所发射辐射的波长的尺寸。开口可被调整尺寸和形状以提供具有预定传播场和强度图案的辐射。

微波能量发射体可以与热能发射体耦合，用于组合的热/微波退火。热能可用于提高基板的温度以降低重排非晶材料的能量势垒、减少结晶材料中的缺陷、和/或非晶或结晶材料中的掺杂剂。热能可低于会激活掺杂剂扩散的阈值水平。施加到基板的脉冲式或连续微波场将有选择地与晶体缺陷和间隙(interstitial)耦合，以使基板表面退火和/或再结晶。微波将穿透导电基板或半导电基板的表面直至趋肤深度(skin depth)。

附图说明

因此，可参考实施方式获得详细地理解本发明的上述特征的方式和上文简要概述的本发明的更特定描述，所述实施方式中的一些实施方式被图示在附图中。然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施方式，因此不将附图视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他同等有效的实施方式。

图1A是根据一个实施方式的辐射处理设备的截面图。

图1B是根据另一实施方式的微波线源的截面图。

图2是根据另一实施方式的辐射处理腔室的示意图。

图3是根据另一实施方式的辐射处理腔室的示意图。

图4A和图4B是分布式微波源的两个实施方式的透视图。