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熱處理製程

熱處理製程. ◆ 半導體元件製造可說是熱處理的反覆進行。 ◆ 在熱擴散為主流的時期，也曾以 1200℃ 的高溫進行處理。目前熱處理的最高溫度約為 900℃ ，且落實地朝低溫化進展。 ◆ 於爐管內加熱形成氧化膜，為半導體元件的核心，如果沒有這項技術的話，就無法製作 CMOS 。 ◆ 半導體元件中的熱處理可分為兩種 ◎ 一個是元件製造的基本－熱氧化製程。 ◎ 另一個則各式各樣熱處理。 ◆ 各式各樣的熱處理：包括離子植入後為了活性化的退火處理、 Al 的熱壓法、塗佈的硬化等項目。. 晶圓製程中的溫度範圍. 基本製程概念.

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熱處理製程

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Presentation Transcript

  1. 熱處理製程 ◆ 半導體元件製造可說是熱處理的反覆進行。 ◆ 在熱擴散為主流的時期，也曾以1200℃的高溫進行處理。目前熱處理的最高溫度約為900℃，且落實地朝低溫化進展。 ◆ 於爐管內加熱形成氧化膜，為半導體元件的核心，如果沒有這項技術的話，就無法製作CMOS。 ◆ 半導體元件中的熱處理可分為兩種 ◎ 一個是元件製造的基本－熱氧化製程。 ◎ 另一個則各式各樣熱處理。 ◆ 各式各樣的熱處理：包括離子植入後為了活性化的退火處理、Al的熱壓法、塗佈的硬化等項目。

  2. 晶圓製程中的溫度範圍

  3. 基本製程概念 ◆ 目前熱處理的工具是爐管，這也是傳統以來，加熱氧化處理製程所使用的裝置。 ◆ 雖然各退火處理製程也依然使用爐管，但面臨當前製程低溫化，及晶圓大口徑化的趨勢等，燈泡加熱方式也逐漸加入生產線，即所謂RTP (Rapid Thermal Process) 的熱處理裝置。 ◆ 現在設計的法則為300mm/0.13μm，只需要850~900℃的溫度，但此溫度也有再降低的必要。 ◆ 晶圓處理的溫度降低，原因包括淺接面的需求，以及避免口徑大的晶圓因加熱產生變形。 ◆ 但是不只是要達到低溫化，同時也要考量時間的因素，達到降低熱預算，以及適當控制升降溫度的目標。

  4. 退火處理技術 ◆ 當離子植入後，若不進行退火處理的話，則無法到達矽中雜質 ( 例如B、P等 ) 重新分佈所需的溫度。 ◆ 退火處理，即是金屬加工過程中的退火。退火是為了熱擴散、再結晶、轉移物質相、去除變形等而進行的熱處理，因此半導體製程中的退火處理，也具有相同的意思。 ◆ 半導體製程，其目標不外乎追求更好的結晶特性、界面特性、電子特性，以及改善形狀、去除缺陷，達到高純度化、精緻化、穩定化等。

  5. 熱氧化膜在元件中的應用

  6. 熱氧化膜製程 ◆ 當矽放在高溫氧化的環境中，表面自然形成，產生矽本身的氧化膜。 ◆ 高溫製程中某些熱氧化的處理，對於污染的控制，要求特別嚴格。即使到現在，似乎稍有疏忽，污染的機會就會遽增。 ◆ 熱氧化膜的形成，目前以使用乾氧（乾式氧化），或藉H2-O2燃燒產生H2O的方式（濕式氧化），較為普遍。 ◆ 特別是以H2-O2燃燒法產生高純度的水蒸氣，由於容易控制水蒸氣的濃度，包括閘極氧化膜的形成在內，都經常使用此方法。 ◆ 閘極氧化膜的厚度僅有，非常地薄，為了達到控制得宜的目的，相對的，氧化劑供應量的調整就非常重要。

  7. 矽熱氧化形成速率實驗數據

  8. 熱處理製程設備 ◆ 氧化以及所有的熱處理製程，其使用的裝置具有非常重大的意義。隨著工具的不同，將嚴重左右處理的性能。 ◆ 目前最常使用的工具，雖然還是爐管，但面臨大口徑化和低熱預算的趨勢，新概念工具也漸漸引進製程中。將爐管原本「重、厚、長、大」的負面印象，一掃而空。而競爭對手之一，則是使用鹵素燈的RTP裝置。

  9. 爐管與RTP比較 ◆ 爐管是以批為單位處理晶圓，處理速度較慢，但生產率高；RTP要一枚一枚處理晶圓，一旦無法提高處理速度，生產率就不佳。 ◆ RTP有表面溫度測定的困難及熱不平衡狀態的問題。爐管則是由外加熱，利用輻射和傳導進行加熱，可達到所謂的熱平衡狀態，可確實掌控正確的溫度；然而當熱量增大，不易快速升降溫度，對熱預算而言相當不利。 ◆ RTP只適合用於溫度極限較寬的製程。 ◆ 與爐管相比，RTP可達到瞬間加熱的效果。雖然瞬間處理真的可能在退火處理製程中存在，可是一般而言，單單思考原本的退火處理原理，時間是重要的因素之一，以物理、化學、冶金的角度看，瞬間加熱是不可能的事。

  10. 爐管和RTP的比較

  11. 爐管與RTP的熱預算─溫度分佈

  12. 爐管RTP (furnace RTP) ◆ 針對爐管和RTP，最近有最新動向，稱為爐管RTP的熱處理裝置。 ◆ 為了配合晶圓的大口徑化，熱處理有不少問題產生。為了抑制加熱產生的變形，走向低溫化，為了縮減熱預算，朝高速升降溫的特性改良，但同時必須面對維持生產率等矛盾。 ◆ 爐管RTP可說是為了解決以上的問題，是經妥協後製造出來的產物。 ◆ 將一枚枚晶圓放進盒型，或說巨蛋型的小型爐管內，處理完畢後再進行下個步驟。也就是說，只用一枚晶圓的爐管，不是以燈進行照射，但晶圓加熱可達到isothermal。 ◆ 雖然無法達到瞬間升降溫的效果，但因為是小型的爐管，熱量較低，即使無法達到RTP的水準，但以時間來說，也算是相當短，如果再提高處理速度的話，與普通的爐管相比，熱預算可急速地降低。 ◆ 此一方式除了使用於熱氧化，但也適用於所有以爐管進行的製程。可是，爐管RTP還沒有建立所謂的標準方式，故往後的技術累積，以及生產線上的實際成果都非常重要。

  13. 爐管RTP ─ 爐管和RTP的中間概念

  14. 今後的展望 ◆ 所謂爐管對RTP，以及因大口徑，產生所謂批次對單一晶圓的技術問題，今後將持續存在。然而，也不能忽視“製程品質”的問題。因此，不可將批次方式或是爐管一概否定。一批50枚、100枚，這樣的生產率依然算是很有吸引力的。只不過以批次方式進行，本來就有發生停電等意外時，短期內損失大量晶圓的風險。 ◆ 複合製程內，將退火處理作為整合的其中一部份。但配合各製程的目的，要如何進行退火處理，則又必須針對熱處理技術，進行全盤的考量。所以熱處理不單只是要考慮溫度、時間、環境等處理條件。 ◆ 十幾年前曾有人預言：總有一天，爐管會從半導體工廠消失，被RTP取代，但短期內應該還不會實現吧。

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