DE4223133C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die schnelle thermische
Behandlung empfindlicher Bauelemente, insbesondere für Bauele
mente der Halbleiterindustrie, bei welchem durch Heizen in einer
Reaktionskammer durch mindestens eine von einer Heizungsregelung
gesteuerten Heizquelle die Temperatur der Bauelemente verändert
wird und eine Vorrichtung für die schnelle thermische Behandlung
empfindlicher Bauelemente, insbesondere für die Behandlung von
Bauelementen der Halbleiterindustrie, mit mindestens einer in
einer Reaktionskammer angeordneten, durch eine Heizungsregelung
zur Veränderung der Temperatur der Bauelemente gesteuerten Heiz
quelle.
Das Schnellheizverfahren ist eine sehr vielseitige optische
Heizmethode. Es findet Einsatzmöglichkeiten vor allem auf dem
Gebiet der Halbleitertechnologie. Immer mehr werden aber auch
Anwendungen auf anderen Gebieten der Bauelementherstellung in
der Mikroelektronik erforscht. Solche Gebiete sind zum Beispiel
die Supraleitertechnologie, die Herstellung neuer Arten von
Solarzellen oder Anwendungsgebiete in der Keramikindustrie.
Schnellheizanlagen, welche auch als RTP-Anlagen bezeichnet wer
den ("Rapid Thermal Processing"-Anlagen), ermöglichen für ver
schiedene Materialbehandlungen kontrollierte, schlagartige Änderungen
der Temperatur und der Spülgasatmosphäre. Durch diese
Methode kann die thermische Gesamtbelastung einer Temperaturbe
handlung reduziert werden.
Viele RTP-Anlagen bieten Möglichkeiten zur thermischen Behand
lung unstrukturierter, homogener scheibenförmiger Materialien,
zum Beispiel von Halbleiterscheiben, an. Solche Scheiben, welche
unterschiedliche Materialien oder Beschichtungen in einer geo
metrisch oder chemisch strukturierten Form aufweisen, wie Pro
zeßscheiben in der Halbleiterfertigung, reagieren auf die
schnelle und kurze Temperaturänderung oft mit unzulässig großer
Defektbildung in ihrer Struktur.
Diese Defekte werden beschrieben in "Rapid Thermal Annealing -
Theory and Practise" C. Hill, S. Jones and D. Boys, NATO Summer
School: Reduced Thermal Processing for ULSI, Boca Raton Florida,
20 June to 1 July 1988, sowie in "Impact of Patterned Layers on
Temperature Non-Uniformity During Rapid Thermal Processing For
VLSI-Applications", P. Vandenabeele, K. Maex, R. De Keersmaek
ker, 1989 Spring Meeting of the Materials Research Society, San
Diego, Symposium B.: RTA/CVD and integrated processing, April
25-28, 1989 sowie in "Temperature Problems with Rapid Thermal
Processing for VLSI-Applications", Dr. R. Kakoschke, Nuclear In
struments and Methods in Physics Research, B 37/38 (1989) Seiten
753-759.
Unstrukturierte Scheiben oder Scheiben nur mit winzig kleinen
ähnlichen Strukturen können die herkömmlichen Temperturschwan
kungen relativ gut ertragen, wenn sie nicht besonders empfind
lich sind. Moderne Bauelemente sind aber empfindlicher und in
der Substratscheibe in der Regel nicht gleichförmig struktu
riert. Eine Beschränkung der neuen Einsatzmöglichkeiten der RTP-
Anlage besteht darin, daß Schnellheizprozesse in den herkömmli
chen RTP-Systemen zu viele Defekte erzeugen.
Als physikalische Gründe für bei dem RTP-Prozeß auftretende
Temperatur-Inhomogenitäten werden derzeit die nachstehenden
Hardware-Effekte angegeben:
- 1. Hardware-Effekte
a) Mögliche Bestrahlungsarten in der RTP-Kammer sind z. B.:- Bestrahlung von einer Seite,
- Bestrahlung von zwei oder mehreren Seiten,
- Bestrahlung mit homogenem Energiefluß,
- Bestrahlung mit inhomogenem Energiefluß,
- Bestrahlung mit normalen Einfallswinkel,
- isotrope oder quasi isotrope Bestrahlung,
- Bestrahlung mit einem breiten Energiespektrum (z. B. Wolf ram-Halogenlampen: 0,4-4 µm Wellenlänge), oder
- Bestrahlung mit Schwarzkörperstrahlung, welche auch mit Linienspektren gemischt sein kann.b) Mögliche Ausbildung der Reflektoren um die Reaktionskammer:- alle Wände der umgebenden Oberflächen sind hochreflektiv (diese Konstruktion wird als "Photon Box" bezeichnet),
- die Wände weisen unterschiedliche Reflexionen auf.
Unterschiedliche Konstruktionen der RTP-Kammern verursachen
verschiedene Temperatur-Inhomogenitäten in den Transienten- und
"steady state"-Phasen der RTP-Prozesse. Transientphasen in dem
Temperungsprozeß sind Schritte, bei denen eine bestimmte Änderung
der Bauelementetemperatur innerhalb einer bestimmten Zeit
programmiert wird.
Zur genauen Interpretation dieser Zusammenhänge ist es wichtig,
zwischen Heizquellen ("Primär-Energiefluß") und der von den
Bauelementen, insbesondere von den Wafern, selbst emittierten
und reflektierten Energie ("Sekundär-Energiefluß") zu unter
scheiden.
Während der Aufheizphase überwiegt der primäre Energiefluß, d. h.
mehrfach reflektierte Strahlen treffen in größerer Zahl den Rand
der Scheibe, da sich diese gegen die Mitte selbst abschattet.
Das Ergebnis ist, daß das Randgebiet der Scheiben während der
Aufheizung wärmer als die Mitte ist ("Photon-Box-Effekt").
Weiterhin werden in bezug auf das Substrat die nachstehenden
Effekte diskutiert.
- 2. Randeffekt
Der sekundäre Energiefluß, also die Energieausstrahlung der Scheiben, hat am Scheibenrand eine Divergenz. Das Ergebnis in der Temperaturverteilung ist, daß im stationären Zustand das Randgebiet der Scheibe kälter ist. - 3. Struktureffekt
Geometrisch strukturierte optische Dünnschichten auf der Scheibenoberfläche können in einem Teil der Strahlungsener gie zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz führen und dadurch strukturbestimmte Temperatur-Inhomogeniäten hervorrufen.
Eine geometrische oder chemische Strukturierung der ver schiedenen, optisch nicht durchsichtigen Beschichtungen der Scheibe kann auch zu Temperatur-Inhomogenitäten führen, wenn sie in ihren Elektronenkonfigurationen große Unter schiede aufweisen, d. h. unterschiedlich absorbieren.
Alle vorstehend erwähnten Effekte können in einem RTP-Prozeß
auch superponiert auftreten.
Zur Lösung der auftretenden Probleme bestehen bereits Patente
auf dem Gebiet der Kammer- und Reflektor-Konstruktion oder Tem
peraturmessung in derartigen Anlagen, dies sind die US-PS
46 80 447 von Glenns Incorp., die US-PS 45 81 520 von M. Haond,
die US-PS 45 50 245 von der Fa. Ushio Denki, die US-PS 44 36 985
von GCA Corp., die US-PS 43 56 384 von A.G. Associates, die US-
PS 41 01 759 von General Electric Co., die US-PS 38 62 397 von
Applied Materials, die EP 02 90 692 A1 von A.G. Associates
und die US-PS 48 36 138 von Epsilon Technology.
In diesen Patenten werden zwar verschiedene Konstruktionen und
Anordnungen der radiativen Beheizung verschiedener Halbleiter
materialien beschrieben, aber keine der vorstehend erwähnten
Patentschriften befaßt sich mit den Problemen des zeitlichen
Lampensignal-Ablaufs und mit deren Anpassung an verschiedene
Substratmaterialien und Prozesse.
Weiterhin werden optische Meßmethoden für RTP-Systeme in den
nachfolgenden Patenten beschrieben, in der US-PS 49 79 134 von
Minolta, in der JP 60-2 53 939 (A) von Fujitsu und in der JP
60-1 31 430 (A) von Dainihon Screens. Dabei wird versucht, größere
Aufheizgeschwindigkeiten von verschiedenen Substraten zu gewähr
leisten und/oder auch Systeme mit schnelleren Reaktionszeiten
der Lampen herzustellen.
Es besteht die Vermutung, daß die thermischen Inhomogenitäten im
Substratmaterial relativ schnell zu einem Ausgleich kommen, wo
Unterschiede schon nicht mehr gefährlich für die verschiedenen
Strukturen sind. Es wird dabei vernachlässigt, daß Prozesse im
Zusammenhang mit der Absorption der Photonen in absoluter Koin
zidenz mit der Änderung der Lampensignale ablaufen, vertikale
und vor allem horizontale Temperaturunterschiede im Substrat aber
durch Wärmeleitung (insbesondere Phononen-Diffusion) in der
Größenordnung von Millisekunden (vertikal) bis zu mehreren Se
kunden (horizontal) dauern und somit wesentlich länger sein können
als die Reaktionszeiten der Lampen.
Das Ergebnis ist, daß dünne strukturierte Schichten an der Ober
fläche des Substrats kurzzeitig sehr stark und in verschiedenem
Maß gestreßt werden, wenn größere Änderungen in der Lampenlei
stung auftreten.
Alle Hardware-bestimmten Effekte, vor allem der Photon-Box-Ef
fekt, verstärken diese Änderungen dadurch, daß die Inhomogeni
täten des effektiven primären Energieflusses und dessen Schwan
kungen auch in Koinzidenz mit auf den Struktureffekt superpo
niert werden.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen thermischen Behand
lung empfindlicher Bauelemente, insbesondere von Bauelementen
der Halbleiterindustrie, bereitzustellen, mit welchem und mit
welcher durch Temperatur-Inhomogenitäten verursachte Defekte
verringert werden können.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren dazu vorgesehen, daß die
maximale von der Heizquelle oder den Heizquellen in einem
Zeitabschnitt abgegebene Heizleistung für im wesentlichen be
liebig kleine aufeinanderfolgende Zeitabschnitte unterschiedlich
progammierbar ist und unabhängig von den Regelparametern der
Heizungsregelung begrenzt wird, wobei Sprünge der Heizleistung
vermieden werden.
Die Aufgabe wird ebenfalls dadurch gelöst, daß die von der Heiz
quelle oder den Heizquellen emittierte Energiedichte in aufein
anderfolgenden, im wesentlichen beliebig kurzen Zeitspannen
progammierbar auf limitierte oder auf verschiedene vorgebbare
Werte eingestellt wird, so daß in der Reaktionskammer der Unter
schied zwischen der von der oder von den Heizquellen emittierten
Energiedichte und der von dem Bauelement emittierten Energiedichte
bei vorgegebenen Rampensteilheiten des zeitlichen Verlaufes der
Heizleistung während der gesamten thermischen Behandlung mit ge
ringer Schwankung kontinuierlich in etwa auf dem erreichbaren
Minimum gehalten wird.
Die Vorrichtung löst die Aufgabe dadurch, daß die maximale von
der Heizquelle oder den Heizquellen in einem Zeitabschnitt abge
gebene Heizleistung für im wesentlichen beliebig kleine aufein
anderfolgende Zeitabschnitte unterschiedlich programmierbar und
unabhängig von den Regelparametern der Heizungsregelung begrenz
bar ist, wobei Sprünge der Heizleistung vermieden sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Auf
gabe dadurch gelöst, daß die von der Heizquelle oder von den
Heizquellen emittierte Energiedichte in aufeinanderfolgenden, im
wesentlichen beliebig kurzen Zeitspannen programmierbar auf
limitierte oder auf verschiedene vorgebbare Werte derart ein
stellbar ist, daß in der Reaktionskammer der Unterschied zwi
schen der von dem oder von den Heizquellen emittierten Energie
dichte und der von den Bauelementen emittierten Energiedichte bei
vorgegebenen Rampensteilheiten des zeitlichen Verlaufes der
Heizleistung während der gesamten thermischen Behandlung mit
geringer Schwankung kontinuierlich in etwa auf dem erreichbaren
Minimum gehalten ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft gelungen, Lampensignale zu optimie
ren, indem die Temperatur-Inhomogenitäten bei beibehaltenen
Rampensteilheiten reduziert werden konnten. Gleichzeitig ist
dabei die slipfreie Prozeßführung mit stark reduzierter Defekt
bildung ermöglicht. Die Slips der Gleitlinien sind besonders
gefährliche Dislocationsgruppen in den verschiedenen Halblei
tercrystallen. Sie entstehen durch thermomechanische Belastungen
und reduzieren die Ausbeute der Chipproduktion.
Wichtig ist dabei, daß die Reaktionszeit der Heizquelle und die
Temperaturerfassung bzw. Temperaturkontrolle der Anlage an die
Reaktionszeit der Scheiben angepaßt sind.
Wolfram-Halogen-Lampen in Verbindung mit einer Pyrometrie von
50 ms Reaktionszeit stellen eine gute Wahl für die Behandlung
von herkömmlichen Halbleiterscheiben dar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in günstiger Weise so auf
gebaut, daß Meßwerte der Substrattemperatur und die Stellwerte
der Heizung in derselben Zeit gespeichert werden können, um
Prozesse verschiedener Substrate optimieren zu können. Lei
stungsspitzen der Heizquellen können unabhängig von den Regel
parametern begrenzt werden, und zwar so, daß in unterschied
lichen programmierbaren Grenzen für beliebig kleine aufeinander
folgende Zeitabschnitte Leistungssprünge vermieden werden.
Dabei handelt es sich nicht um eine Begrenzung der Anstiegs
geschwindigkeit der Heizleistung, die allein durch Veränderung der
Regelparatmeter erreicht werden kann, sondern um eine Begrenzung
des maximalen Stellwertes und parallele Anpassung des Regel
bereiches auf den begrenzten Stellbereich, so daß die Regel
geschwindigkeit nicht verringert wird.
Durch dieses Verfahren wird ein "sanftes" Aufheizen erreicht und
so insbesondere bei dünnschichtigen Materialien horizontaler und
vertikaler Temperaturstreß ohne wesentlichen Zeitverzug und ohne
Verringerung der Regelgenauigkeit stark reduziert.
Ein defektarmer RTP-Prozeß wird dabei so ausgeführt, daß die
primäre Energiedichte der Heizung in aufeinanderfolgenden be
liebig kurzen Zeitspannen programmierbar auf limitierte oder auf
verschiedene Fixwerte, welche im vorhinein einstellbare Festwerte
darstellen, so eingestellt wird, daß in der Reaktionskammer
der Unterschied zwischen der primären und sekundären Energie
dichte bei vorgegebenen Rampensteilheiten während des ganzen
Temperaturverlaufs mit geringster Schwankung kontinuierlich auf
dem möglichen Minimum gehalten wird.
Als primäre Energiedichte wird hierbei die Energiedichte des
Energieflusses bezeichnet, welcher von der oder den Heizquellen
zu dem Bauelement besteht, und als sekundäre Energiedichte wird
der Energiefluß bezeichnet, welcher von den Bauelementen selbst
emittiert und reflektiert wird.
Dieser Unterschied zwischen der primären und sekundären Energie
dichte muß während eines zeitlich veränderlichen Verlaufes unter
Umständen eine monotone Funktion in Abhängigkeit von der Zeit
darstellen.
Dieser Aufbau der Vorrichtung bietet gleichzeitig die Möglich
keit, nach Erstellung optimaler Heizprogramme das Verfahren
unabhängig von dem gemessenen Pyrometersignal nur mit den ge
speicherten Stellwerten der Heizung auszuführen.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Figuren im einzelnen
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 den zeitlichen Verlauf eines Schnellheizprogramms für
die defektarme Beheizung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der stufenweise limitierten
Heizleistung PH in Prozent und des aktuellen zeitlichen
Verlaufes der Pyrometermessungen;
Fig. 3 ein konventionelles Schnellheizprogramm ohne limi
tierte Leistungsstufen;
Fig. 4 den zeitabhängigen Verlauf der gemessenen Pyrometer
werte bei einem konventionellen Schnellheizprogramm
sowie den zeitlichen Verlauf der Lampenleistung;
Fig. 5 einen Vergleich der zeitabhängigen Leistungssignale
bei der konventionellen und der defektarmen Methode;
Fig. 6 einen Vergleich der Aufheizraten bei der konventionel
len und bei der defektarmen Methode; und
Fig. 7 den gespeicherten Temperaturverlauf bei einem
Schnellheizprogramm mit großer Auflösung.
Bei dem Verfahren für die defektarme thermische Behandlung emp
findlicher Bauelemente, bei welchem durch Heizen in einer Reak
tionskammer durch mindestens eine von einer Heizungsregelung
unter Verwendung von Regelparametern gesteuerten Heizquelle die
Temperatur der Bauelemente verändert wird, ist die maximal von
der Heizquelle oder den Heizquellen in einem Zeitabschnitt abge
gebene Heizleistung für im wesentlichen beliebig kleine aufein
anderfolgende Zeitabschnitte unterschiedlich programmiert, so
weit dies für den Verlauf des Heizungsprogrammes notwendig ist,
und ist unabhängig von den Regelparametern der Heizungsregelung
begrenzt, wobei Sprünge der Heizleistung vermieden werden.
Alternativ wird die von der Heizquelle oder den Heizquellen
emittierte Energiedichte in aufeinanderfolgenden, im wesentli
chen beliebig kurzen Zeitspannen programmierbar auf limitierte
oder auf verschiedene vorgebbare Werte so eingestellt, daß in
der Reaktionskammer der Unterschied zwischen der von der oder
von den Heizquellen emittierten Energiedichte und der von dem
Bauelement emittierten Energiedichte bei vorgegebenen Rampen
steilheiten des zeitlichen Verlaufes der Heizleistung während
der gesamten thermischen Behandlung mit geringer Schwankung
kontinuierlich auf dem erreichbaren Minimum gehalten wird.
Die Anforderungen an einen defektarmen RTP-Prozeß können gut
erfüllt werden, wenn sowohl das Temperatur-Zeit-Programm als
auch die Lampenleistungs-Zeit-Funktion Schritt für Schritt
entweder linear oder auch nach bestimmten mathematischen Funk
tionen vorgegeben werden können. Die Funktionen können z. B. die
sin (t), sin2 (t), et, t2, √ oder andere sein, wobei t die Zeit
darstellt. Diese Verfahrensführung ist besonders bei wenig do
tierten Halbleiterscheiben interessant, bei welchen der Emis
sionsfaktor im Bereich von Raumtemperatur bis 600°-800°C sehr
stark (und nicht linear) von der Temperatur abhängt.
Weiterhin wird in der Reaktionskammer das Bauelement von einer
oder mehreren Seiten aus bestrahlt und die Strahlung an den Wän
den der Reaktionskammer durch deren reflektierende Ausbildung im
wesentlichen vollständig reflektiert.
Die auf das Bauelement von oben und von unten einwirkende
Energiedichte ist in verschiedenen Verfahrensschritten in im
wesentlichen beliebig wählbaren Verhältnissen separat limi
tierbar und wird separat kontrolliert und gesteuert.
Die Heizleistung der Lampen in der oder in den Heizquellen wird
zur Verbesserung der horizontalen Temperaturhomogenität einzeln
geregelt. Der zeitliche Verlauf der Heizleistung der Lampen
und/oder der zeitliche Verlauf der Substrattemperatur in allen
Verfahrensschritten kann gespeichert werden und beliebige Lam
penleistungs-Zeit-Werte können in entsprechender zeitlicher
Reihenfolge bei späteren Anwendungen des Verfahrens als defi
niertes Heizungsprogramm zur Lampenkontrolle verwendet werden.
Bei beliebigen Schritten des zeitlichen Anstiegs der Heizlei
stung können auch zusätzlich Verfahrensschritte mit gleichblei
bender Heizleistung programmiert werden, um die horizontalen und
vertikalen Temperatur-Inhomogenitäten innerhalb des Bauelementes
zu jeder Zeit auszugleichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird um das Bauelement
in der Reaktionskammer ein Ring oder ein Rahmen aus einem dem
Material des Bauelements ähnlichen Material und mit einer ähn
lichen Dicke wie das Bauelement konzentrisch angeordnet, um
dadurch lokale Inhomogenitäten der Temperatur des Bauelementes,
insbesonders in Randbereichen, zu reduzieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Aufheizung des Randgebiets
des Bauelementes, insbesondere bei verschiedenen Substratmate
rialien, mit Hilfe von Blenden, verstellbaren Reflektoren
oder zusätzlichen Lampen, die separat geregelt und/oder gesteu
ert werden, kontrolliert werden.
Für die Lampen der Heizquellen können Wolfram-Halogen Lampen in
Verbindung mit einer Pyrometrie von etwa 50 ms Reaktionszeit für
die Behandlung von herkömmlichen Halbleiterscheiben verwendet
werden.
Die Kalibration der optischen Temperaturerfassung der Anlage ist
auch unter Prozeßbedingungen ausführbar. Dabei erfolgt die Kali
bration automatisch im ganzen erwünschten Temperaturbereich mit
hoher Auflösung (mindestens 0,5°C).
Zur Temperaturregelung und vorteilhaft für die Regelung der
Gasspülung in der Reaktionskammer sind beliebige zeitliche Ver
läufe von ansteigenden Funktionen und abfallenden Funktionen
"ramp up" und "ramp down" programmierbar.
Bei einem ersten Beispiel der Vorrichtung für die defektarme
thermische Behandlung empfindlicher Bauelemente mit mindestens
einer in einer Reaktionskammer angeordneten, durch eine Hei
zungsregelung unter Verwendung von Regelparametern gesteuerten
Heizquelle zur Veränderung der Temperatur der Bauelemente sind
die Leistungsänderungen der Heizquelle oder der Heizquellen in
beliebig kleinen aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten unter
schiedlich programmierbar und unabhängig von den Regelparame
tern der Heizungsregelung begrenzbar. Hierbei können die Meßwer
te der Substrattemperatur und die Stellwerte der Heizung simul
tan gespeichert und beliebige Lampenleistungs-Zeit-Funktionen
für spätere Anwendungen als definiertes Heizungsprogramm auch
unabhängig von dem Pyrometersignal zur Heizungskontrolle ver
wendet werden.
Bei einem zweiten Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann die von der Heizquelle oder den Heizquellen emittierte
Energiedichte in aufeinanderfolgenden, im wesentlichen beliebig
kurzen Zeitspannen programmierbar auf limitierte oder auf ver
schieden vorgebbare Werte derart eingestellt werden, daß in der
Reaktionskammer der Unterschied zwischen der von der oder von
den Heizquellen emittierten Energiedichte und der von dem Bau
element emittierten Energiedichte bei vorgegebenen Rampensteil
heiten des zeitlichen Verlaufes der Heizungsleistung während der
gesamten thermischen Behandlung mit geringer Schwankung kontinu
ierlich auf dem erreichbaren Minimum gehalten wird.
Die Heizquelle oder die Heizquellen und deren Lampen sind in der
Reaktionskammer derart angeordnet, daß das Bauelement von mehr
als einer Seite aus bestrahlbar ist, und die Wände der Reak
tionskammer sind für die Heizstrahlung im wesentlichen vollstän
dig reflektierend ausgebildet.
Die auf das Bauelement von oben und von unten einwirkende Ener
giedichte ist in verschiedenen Verfahrensschritten durch die
Heizungsregelung in beliebig wählbaren Verhältnissen separat
limitierbar und ist separat kontrollierbar und steuerbar.
Die Lampen, welche in einer Heizquelle jeweils angeordnet sind,
sind zur Verbesserung der horizontalen Temeratur-Homogenität
durch die Heizungsregelung einzeln in ihrer Heizleistung regel
bar.
Der zeitliche Verlauf der Lampenleistung der Lampen und/oder der
zeitliche Verlauf der Substrattemperatur aller Verfahrensschrit
te ist in der Vorrichtung speicherbar und beliebige Lampenlei
stungs-Zeit-Werte sind in entsprechender zeitlicher Reihenfolge
als definiertes Heizungsprogramm zur Lampenkontrolle und/oder
Lampensteuerung später weiterhin verwendbar.
Bei beliebigen Schritten des zeitlichen Anstiegs der Lampenlei
stung ist zusätzlich auch eine gleichbleibende Lampenleistung
programmierbar, um die horizontalen und vertikalen Temperatur-Inho
mogenitäten innerhalb des Bauelementes zu jeder Zeit auszuglei
chen.
In der Reaktionskammer der Vorrichtung sind in weiterer Ausge
staltung der Erfindung ein Ring oder ein Rahmen aus einem dem
Bauelementmaterial ähnlichen Material mit einer ähnlichen Dicke
wie das Bauelement konzentrisch angeordnet, um somit lokale
Inhomogenitäten der Temperatur des Bauelementes, insbesondere in
Randbereichen, zu reduzieren.
Innerhalb der Bestrahlungskammer sind weiterhin Blenden,
verstellbare Reflektoren oder dedizierte Lampen angeordnet,
welche separat regelbar und/oder steuerbar sind und das Randge
biet des Bauelementes, insbesondere bei verschiedenen Substrat
materialien dadurch lokal stärker oder weniger beheizen.
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer Temperaturführung bei Verwen
dung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Mit A ist die
Kurve des zeitlichen Temperaturverlaufs bezeichnet. Im wesentli
chen werden bei der verfahrensgemäßen Temperaturführung während
der ersten 11 s die Temperaturwerte auf 1050°C angehoben, wobei
dann über 45 s eine Temperung und während der nächsten 8 s eine
zweistufige Temperaturabsenkung durchgeführt wird. Die Verhält
niswerte der einzelnen aufeinanderfolgenden Leistungsstufen
stellen sich dabei wie folgt dar:
R1|150 : 1000 | |
R2 | 200 : 1000 |
R3 | 250 : 1000 |
R4 | 350 : 1000 |
R5 | 500 : 1000 |
R6 | 600 : 1000 |
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf gespeicherter tatsächlicher
Temperaturwerte angegeben, welche in Kurve B dargestellt sind.
Die Kurve C zeigt den zeitlichen Verlauf der limitierten Heiz
leistung. Als Probe wurde eine Siliziumscheibe mit 150 mm Durch
messer verwendet.
In Fig. 3 ist ein konventionelles Schnellheizprogramm ohne
limitierten Leistungsstufen dargestellt.
Fig. 4 zeigt den zu Fig. 3 gehörigen zeitlichen Verlauf (Kurve
E) der Scheibentemperatur sowie den zeitlichen Verlauf (Kurve F)
der nicht limitierten Heizleistung bzw. der Lampenleistung im
Bereich des Temperaturanstiegs der Siliziumscheibe.
In Fig. 5 werden die Leistungssignale des konventionellen und
des defektarmen erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hier
bei wurden jeweils über 11 s eine Siliziumscheibe mit 150 mm
Durchmesser auf 1060°C aufgeheizt und danach über 45 s tempe
riert. Die mit G bezeichnete Kurve zeigt die Leistungsspitze der
Heizleistung der Lampen während der Aufheizphase, wobei in der
mit H bezeichneten Kurve das stufenweise Profil bei der Erhöhung
der Heizleistung zu erkennen ist.
In Fig. 6 werden die aktuellen Aufheizraten bei der konventio
nellen und bei der erfindungsgemäßen defektarmen Methode als
Funktion der Zeit dargestellt. Die mit K bezeichnete Kurve
stellt den zeitlichen Verlauf bei dem erfindungsgemäßen Verfah
ren und die mit L bezeichnete Kurve stellt den zeitlichen Ver
lauf des konventionellen Verfahrens dar.
Klar zu erkennen ist, daß die Abweichungen im Bereich des Tem
peraturanstieges sehr gering sind, und daß bei der Temperatur
absenkung eine programmgesteuerte zweistufige Absenkung für eine
weitere Defektreduzierung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgenommen wird. Auch diese Messung wurde mit einem Silizium
substrat eines Durchmessers von 150 mm durchgeführt.
In Fig. 7 ist das Schnellheizverfahren mit hoher zeitlicher
Auflösung dargestellt, die Kurve M gibt hierbei die zeitlichen
Pyrometerwerte wieder, während die Kurve H das zeitlich stufen
weise erhöhte und limitierte Lampenleistungsdiagramm darstellt.
Die Erfindung ermöglicht somit die schnelle und defektarme ther
mische Behandlung empfindlicher Bauelemente. Mit ihrer Hilfe
können Defekte reduziert werden, die durch Temperatur-Inhomoge
nitäten während schneller Temperaturbehandlung hervorgerufen
werden. Ein defektarmer RTP-Prozeß wird mit der entsprechenden
Anlage so durchgeführt, daß die Energiedichte der Heizung in
aufeinanderfolgenden, beliebig kurzen Zeitspannen auf die Rege
lung limitierende Werte oder auf Fixwerte so eingestellt wird,
daß in der Reaktionskammer der Unterschied zwischen der primären
und sekundären Energiedichte bei vorgegebenen Rampensteilheiten
während des ganzen Temperaturverfahrens kontinuierlich auf dem
möglichen Minimum gehalten wird.
Claims (18)
1. Verfahren für die schnelle thermische Behandlung empfind
licher Bauelemente, insbesondere für Bauelemente der Halb
leiterindustrie, bei welchem durch Heizen in einer Reak
tionskammer durch mindestens eine Heizquelle die Temperatur
der Bauelemente verändert wird, und bei welchem die maximal
von der Heizquelle oder den Heizquellen in einem Zeitabschnitt
abgegebene Heizleistung für im wesentlichen beliebig
kleine aufeinanderfolgende Zeitabschnitte unter
schiedlich programmierbar ist und unabhängig von den Regel
parametern der Heizungsregelung begrenzt wird, wobei Sprünge
in der Heizleistung vermieden werden.
2. Verfahren für die schnelle thermische Behandlung empfind
licher Bauelemente, insbesondere für Bauelemente der Halb
leiterindustrie, bei welchem durch Heizen in einer Reak
tionskammer durch mindestens eine Heizquelle die Temperatur
der Bauelemente verändert wird, die von der Heizquelle
oder den Heizquellen emittierte Energiedichte in aufein
anderfolgenden, im wesentlichen beliebig kurzen Zeitspannen
programmierbar auf limitierte oder auf verschiedene vor
gebbare Werte so eingestellt wird, daß in der Reaktions
kammer der Unterschied zwischen der von der oder von den
Heizquellen emittierten Energiedichte und der von dem Bau
element emittierten Energiedichte bei vorgegebenen Rampens
teilheiten des zeitlichen Verlaufes der Heizleistung während
der gesamten thermischen Behandlung mit geringer
Schwankung kontinuierlich in etwa auf dem erreichbaren
Minimum gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Reaktionskammer das Bauelement von mehr als
einer Seite aus bestrahlt und die Strahlung an den Wänden
der Reaktionskammer im wesentlichen vollständig reflektiert
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
auf das Bauelement von oben und von unten einwirkende Ener
giedichte in verschiedenen Verfahrensschritten in im we
sentlichen beliebig wählbaren Verhältnissen separat limi
tiert und separat kontrolliert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Heizleistung der Lampen in der oder
den Heizquellen zur Verbesserung der horizontalen Tempera
turhomogenität einzeln geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Heizleistung
der Lampen und/oder der zeitliche Verlauf der Substrattem
peratur in allen Verfahrensschritten gespeichert wird und
beliebige Lampenleistungs-Zeit-Werte in entsprechender
zeitlicher Reihenfolge bei späteren Anwendungen des Ver
fahrens als definiertes Heizungsprogramm zur Lampenkontrolle
verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei beliebigen Schritten des zeitlichen
Anstiegs der Heizleistung auch Verfahrensschritte mit
gleichbleibender Heizleistung programmiert werden, um die
horizontalen und vertikalen Temperaturinhomogenitäten inner
halb des Bauelementes zu jeder Zeit auszugleichen.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß um das Bauelement in der Reaktionskammer
ein Ring oder ein Rahmen aus einem dem Bauelementmaterial
ähnlichen Material und mit einer ähnlichen Dicke wie
das Bauelement konzentrisch angeordnet wird, um dadurch
lokale Inhomogenitäten der Temperatur des Bauelementes,
insbesondere in den Randbereichen des Bauelementes, zu
reduzieren.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Randgebietes des
Bauelementes, insbesondere bei verschiedenen Substratmate
rialien, mit Hilfe von Blenden, verstellbaren Reflektoren
oder zusätzlichen Lampen, die separat kontrolliert und/oder
gesteuert werden, beeinflußt wird.
10. Vorrichtung für die schnelle thermische Behandlung empfind
licher Bauelemente, insbesondere für die Behandlung von
Bauelementen der Halbleiterindustrie, mit mindestens einer
in einer Reaktionskammer angeordneten, durch eine Heizungs
regelung zur Veränderung der Temperatur der Bauelemente
gesteuerten Heizquelle, bei der die maximale von der Heiz
quelle oder den Heizquellen in einem Zeitabschnitt abgege
bene Heizleistung für im wesentlichen beliebig kleine
aufeinanderfolgende Zeitabschnitte unterschiedlich program
mierbar ist und unabhängig von den Regelparametern der
Heizungsregelung begrenzbar ist, wobei Sprünge in der Heiz
leistung vermieden sind.
11. Vorrichtung für die schnelle thermische Behandlung empfind
licher Bauelemente, insbesondere für die Behandlung von
Bauelementen der Halbleiterindustrie, mit mindestens einer
in einer Reaktionskammer angeordneten, durch eine Heizungs
regelung zur Veränderung der Temperatur der Bauelemente
gesteuerten Heizquelle, bei der die von der Heizquelle
oder den Heizquellen emittierte Energiedichte in aufeinan
derfolgenden, im wesentlichen beliebig kurzen Zeitspannen
programmierbar auf limitierte oder auf verschiedene vor
gebbare Werte derart einstellbar ist, daß in der Reaktions
kammer der Unterschied zwischen der von der oder von den
Heizquellen emittierten Energiedichte und der von dem Bau
element emittierten Energiedichte bei vorgegebenen Rampens
teilheiten des zeitlichen Verlaufes der Heizleistung wäh
rend der gesamten thermischen Behandlung mit geringer
Schwankung kontinuierlich in etwa auf dem erreichbaren
Minimum gehalten ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizquelle oder die Heizquellen in der Reak
tionskammer derart angeordnet sind, daß das Bauelement von
mehr als einer Seite aus bestrahlbar ist und daß die Wände
der Reaktionskammer für die Heizstrahlung im wesentlichen
vollständig reflektierend sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die auf das Bauelement von oben und von
unten einwirkende Energiedichte in verschiedenen Verfah
rensschritten durch die Heizungsregelung in im wesentlichen
beliebig wählbaren Verhältnissen separat limitierbar ist
und separat kontrollierbar und/oder steuerbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lampen in einer Heizquelle zur
Verbesserung der horizontalen Temperaturhomogenität durch
die Heizungsregelung einzeln regelbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Lampenlei
stung der Lampen und/oder der zeitliche Verlauf der Sub
strattemperatur aller Verfahrensschritte speicherbar ist
und beliebige Lampenleistungs-Zeit-Werte in entsprechender
zeitlicher Reihenfolge als definiertes Heizungsprogramm zur
Lampenkontrolle und/oder Lampensteuerung verwendbar sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß bei beliebigen Schritten des zeitlichen
Anstiegs der Lampenleistung zusätzlich eine gleichbleibende
Lampenleistung programmierbar ist, um die horizontalen und
vertikalen Temperaturinhomogenitäten innerhalb des Bauele
mentes zu jeder Zeit auszugleichen.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß um das Bauelement in der Reaktionskammer
ein Ring oder einen Rahmen aus einem dem Bauelementmaterial
ähnlichen Material und mit einer ähnlichen Dicke wie
das Bauelement konzentrisch angeordnet ist, um somit lokale
Inhomogenitäten der Temperatur des Bauelementes, insbeson
dere in Randbereichen, zu reduzieren.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß innerhalb der Reaktionskammer separat
kontrollierbare und/oder steuerbare Blenden, verstellbare
Reflektoren oder zusätzliche Lampen angeordnet sind, mit
deren Hilfe die Temperatur des Randgebietes des Bauelementes,
insbesondere bei verschiedenen Substratmaterialien,
beeinflußbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4223133A DE4223133A1 (de) | 1991-07-15 | 1992-07-14 | Verfahren und vorrichtung fuer die schnelle thermische behandlung empfindlicher bauelemente |
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ID=25905469
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R071 | Expiry of right |