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.
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