半導體快速熱處理技術(shù)取得新進展

RTP是一種半導體制造技術(shù)，晶圓在1000℃以上的溫度下用激光或高強度燈加熱幾秒鐘。在晶圓冷卻過程中，溫度逐漸降低，以防止晶圓因熱沖擊而破裂和位錯。

RTP比傳統(tǒng)的爐膛退火效率更高，因為它可以產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的硅化物和氧化物，并降低溫度和時間的熱預算。RTP的其它優(yōu)點包括制造成本更低，易于工藝開發(fā)，高吞吐量和工藝均勻性。

RTP系統(tǒng)通常用于處理晶圓，以制造用于高速計算應用和計算設(shè)備的半導體芯片。單晶圓加工可產(chǎn)生最佳的均勻性，特別是對于大晶圓尺寸。

RTP系統(tǒng)執(zhí)行與熱相關(guān)的制造步驟，例如化學氣相沉積，薄電介質(zhì)膜形成和退火。退火用于通過熱活化擴散向半導體添加雜質(zhì)。

 RTP系統(tǒng)在半導體制造中的重要性

在退火過程的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下，必須在晶圓上保持接近均勻的溫度分布，以獲得整個晶圓的均勻電阻率和導電性。此外，對于不同的操作條件，包括不同的氣體、壓力和加工溫度，必須實現(xiàn)均勻的溫度分布。

RTP系統(tǒng)必須能夠改變輻射到晶圓的空間能量通量分布，以在不同的加工條件下保持溫度均勻性，因為晶圓溫度均勻性的必要條件隨操作條件而變化。

RTP系統(tǒng)具有幾個獨立控制的同心圓環(huán)燈環(huán)，例如斯坦?？焖贌岫嗵幚砥鳎≧TM），可用于滿足這一要求。

在斯坦福RTM中，使用自動控制策略來控制三個燈區(qū)中每個燈區(qū)的功率，以在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下實現(xiàn)晶圓上的均勻溫度?？刂撇呗允褂枚帱c傳感器讀數(shù)來實時提供溫度分布測量。

在SPIE《快速熱和集成處理論文集》上的一篇論文中，研究人員推導出了半導體晶圓RTP的第一性原理低階模型，并在一個torr壓力和400 ℃至 900 ℃工作溫度范圍內(nèi)實驗驗證了該模型（在惰性氮環(huán)境中）。

研究人員還為多點傳感器和多區(qū)域燈RTP系統(tǒng)開發(fā)了一種自動多變量控制器，并將其應用于RTM。在實時多變量控制器中，采用前饋機制對溫度瞬變進行預測，并利用反饋機制對預測中的誤差進行修正。

與詳細模型相比，低階模型在溫度控制和信號處理中的預測應用易于實現(xiàn)和實時識別是其主要優(yōu)勢。驗證了溫度的非線性效應，驗證了模型的有效性。

控制器性能在存在多個挑戰(zhàn)時令人滿意，包括系統(tǒng)非線性、傳感器噪聲、飽和致動器、慢速干擾和大量時間延遲。因此，研究結(jié)果表明，自動多變量控制器可以幫助在RTP系統(tǒng)中的不同加工條件下實現(xiàn)晶圓溫度均勻性。

發(fā)表在《工業(yè)數(shù)學案例研究雜志》上的另一項研究中，研究人員使用形狀因子理論推導出了在軸向?qū)ΨQRTP室中發(fā)生的輻射傳熱模型，并使用該模型來預測腔室材料和幾何形狀對晶圓溫度均勻性的影響。

通過一系列數(shù)值實驗，預測了噴淋頭的反射率和尺寸、腔室高度和防護環(huán)對晶圓上溫度均勻性的影響。

結(jié)果表明，當噴淋頭的半徑等于或大于保護環(huán)的外半徑時，晶圓溫度均勻性有所改善。但是，腔室尺寸的直徑必須小于300 mm，以確保噴淋頭半徑低于腔室半徑。

同樣，晶圓上的溫度均勻性隨著保護環(huán)半徑的增加而增加，表明較大的環(huán)在實現(xiàn)均勻溫度方面的有效性。但是，為了實際目的，保護環(huán)的寬度必須小于2.5cm，因為較大的環(huán)需要更多的功率來保持溫度，這使得該過程變得昂貴。

較低的反射率導致晶圓上的溫度更均勻。然而，一些反射率對于最大限度地減少燈達到峰值溫度所需的功率是有用的。在最小的腔室高度內(nèi)實現(xiàn)了最佳的溫度均勻性。

快速熱退火（RTA）的優(yōu)化控制用于制造微電子器件所需的超淺結(jié)。在發(fā)表在《過程控制雜志》上的一項研究中，研究人員設(shè)計了一種尖峰退火程序，可以通過限制薄層電阻來優(yōu)化結(jié)深。

該研究表明，最佳RTA程序可以最大限度地減少瞬態(tài)增強擴散（TED），同時實現(xiàn)由快速線性冷卻和加熱曲線組成的所需薄層電阻。

基于模型的最優(yōu)控制直接計算了最大退火溫度，避免了常用的啟發(fā)式和試錯法，降低了確定最優(yōu)退火方案的成本和實驗次數(shù)。

對最佳結(jié)深的最壞情況分析的觀察表明，需要改進現(xiàn)有的RTA控制器和計量學，以最大限度地減少控制實現(xiàn)的不準確性。

 RTP 的局限性

RTP中的非熱平衡條件使得建模和預測變得困難，而絕對溫度仍然未知。此外，與傳統(tǒng)爐子加工相比，由于高升降溫率會導致應力，因此在RTP中均勻加熱至關(guān)重要。

 涉及RTP的最新研究

在發(fā)表在《先進功能材料》雜志上的一項研究中，研究人員展示了一種制造kusachiite（CuBi2O4）的新方法：具有增強的光電化學穩(wěn)定性和電荷分離的光電極。

三氧化二鉍（Bi2O3）和氧化銅（CuO）層使用脈沖激光沉積（PLD）依次沉積在氟摻雜的氧化錫（FTO）基板上，然后在650 ℃下RTP放置10分鐘得到高結(jié)晶、相純的CuBi2O4薄膜。

PLD和RTP方法相結(jié)合，實現(xiàn)了出色的Bi：Cu化學計量控制，從而合成了CuBi2O4與通過噴霧熱解獲得的光電極相比，光電電極具有優(yōu)異的電子性能。

合成的無涂層銅與光電極相比，在5小時后光電流僅降低了26%，這是迄今為止報道的這種材料的最高穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，RTP/PLD制造方法為在較高溫度下制造具有良好電子性能的高結(jié)晶復合金屬氧化物光電極提供了新的可能性。

總而言之，RTP在半導體制造中已成為不可或缺的，因為它既滿足了生產(chǎn)和器件要求，而且該技術(shù)有助于微電子技術(shù)的未來發(fā)展。