DE4437361A1 - Verfahren und Vorrichtung für Transiente Schnellheizprozesse - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für Transiente SchnellheizprozesseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die schnelle
thermische Behandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente und dient der
Reduktion der strukturbedingten thermischen Inhomogenitäten. Das Schnellheiz
verfahren ist eine sehr vielseitige optische Heizmethode. Es findet Einsatz
möglichkeiten vor allem auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie. Als Heizquellen
werden meistens Wolfram-Halogen- oder andere Lampen eingesetzt.
Schnellheizanlagen, welche auch als RTP-Anlagen bezeichnet werden ("Rapid
Thermal Processing"-Anlagen), ermöglichen für verschiedene Materialbehandlungen
kontrollierte, schlagartige Änderungen der Temperatur und der Spülgasatmosphäre.
Durch diese Methode kann die thermische Gesamtbelastung einer Temperatur
behandlung reduziert werden.
Viele RTP-Anlagen bieten Möglichkeiten zur thermischen Behandlung
unstruktrierter, homogener scheibenförmiger Materialien, z. B. Halbleiterscheiben an.
Weisen solche Scheiben unterschiedliche Materialien oder Beschichtungen in einer
glometrisch oder chemisch strukturierten Form auf, wie z. B. Prozeßscheiben in der
Halbleitertechnologie, reagieren sie auf die schnelle radiative Heizung mit relativ
großen strukturinduzierten thermischen Inhomogenitäten.
Wir beziehen uns hier auf unser früheres Patent: DE 42 23 133 C2 in dem wir
eine Methode für die defektarme schnelle thermische Behandlung empfindlicher
Bauelemente entwickelt haben. Die Anforderungen der "subhalbmikrometer" -
integrierten Schaltkreisetechnologie sind seitdem sprunghaft größer geworden. Hier
reicht die defektarme Schnellheizmethode nicht aus. Strukturbedingte thermische
Inhomogenitäten müssen bis zur physikalisch möglichen Grenze reduziert werden.
Anlagenbedingte thermische Inhomogenitäten konnten in den letzten Jahren
durch verschiedene Maßnahmen entsprechend der wachsenden Anforderungen
reduziert werden. Diese Maßnahmen bestanden z. B. in der unabhängigen Kontrolle
der einzelnen Lampen, der zirkularen Lampen-Anordnung, der von den
Kontrollparametern unabhängigen Leistungskontrolle und der Rotation der Scheiben.
Bei der Reduktion der Struktureffekte gibt es mehr Schwierigkeiten.
Geometrisch strukturierte optische Dünnschichten auf der Scheibenoberfläche können
einen Teil der Strahlungsenergie zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz
führen und dadurch strukturbedingte Temperaturinhomogenitäten hervorrufen.
Eine geometrische oder chemische Strukturierung der verschiedenen, optisch
nicht durchsichtigen Beschichtungen der Scheibe kann auch zu Temperatur-
Inhomogenitäten führen, wenn sie in ihren Elektronenkonfigurationen große
Unterschiede aufweisen, d. h. unterschiedlich absorbieren.
Diese Effekte 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
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Spring Meeting of the Materials Research Society, San Diego, Symposium B.:
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Knarr, J. Electrochem. Soc., Vol. 140, Nr. 6, June (1993) Seiten 1728-1733.
Bekannte Methoden für die Reduktion der Strukturbedingten thermischen
Inhomogenitäten sind die unabhängige Kontrolle der Lampenleistung sowie die
unabhängige Kontrolle der oberen und der unteren Lampenbänke bei der Anlagen, in
denen die Scheiben gleichzeitig von oben und von unten geheizt werden können.
Solche Methoden sind auch beschrieben in dem oben erwähnten Patent DE
42 23 133 C2 (US-PS 53 59 693).
Andere Patente, wie das EP 02 90 692 A1 von A. G. Associates, oder das US-
PS 48 91 499 von Texas Instruments geben nur Vorschläge, die die thermische
Homogenität der Gesamtscheibe zwar verbessern, die strukturbedingten
Inhomogenitäten selbst aber nicht reduzieren.
Die Entstehung und Reduktion der Struktureffekte in Schnellheizsystemen
scheint komplizierter zu sein, als es bisher in der entsprechenden Fachliteratur
beschrieben. Darüberhinaus hat die Reduktion der Struktureffekte in konventionellen
Schnellheizsystemen physikalische Grenzen.
Um schnelle Aufheizraten und eine hohe Substrattemperatur gewährleisten zu
können, muß die Farbtemperatur der Lampen wesentlich größer sein als die
einzustellende Scheibentemperatur. Zudem ist die genannte, emittierende Oberfläche
der heißen Wolframspiralen der Lampen kleiner als die Oberfläche der Reflektoren der
Heizkammer in der die Strahlung durch mehrfache Reflexionen verteilt wird.
Dadurch wird auch eine größere Lampenleistung, d. h. auch eine größere
Farbtemperatur der Lampen benötigt. Ein Nachteil der bedeutend höheren
Farbtemperatur der Lampen besteht darin, daß das Absorptionsspektrum und das
Emissionsspektrum einer Halbleiterscheibe in der optischen Heizkammer nicht
übereinstimmt. Da während der optischen Heizung der radiative Energietransfer
dominiert, wird ein großes Offset zwischen den Absorptionsspektrum und dem
Emissionsspektrum der Scheiben, bzw. der verschiedenen Strukturen auf der Scheibe,
immer zu strukturbedingten thermischen Inhomogenitäten führen.
Identische vertikale Dünnschicht-Strukturen mit verschiedenen lateralen
Abmessungen werden vor allem deshalb andere transiente Temperaturwerte aufweisen,
weil die thermische Kapazität der direkten Umgebung von der Größe der
Oberflächenstruktur abhängig ist.
So entstehen "passive" strukturbedingte thermische Inhomogenitäten, die in
der Fachliteratur bekannt sind, bei kleineren Strukturen jedoch vernachlässigt werden.
Die chemischen Festkörperreaktionen (z. B. Silizide-Prozeße oder Oxidation)
und die physikalischen Struktur-Umwandlungen (z. B. implant anneal) die in
Verbindung mit den Schnellheizprozessen ablaufen, sind meistens exothermische
Prozesse. Manche allotropischen Umwandlungen sind endotherm.
Diese Reaktionen sind entsprechend der Strukturierung lokalisiert. So
entstehen "aktive" Strukturinduzierte thermische Inhomogenitäten. Die lokale
Temperatur wird zudem noch von der Geschwindigkeit der Festkörper-Umwandlung
beeinflußt, die wiederum von der Strukturgröße abhängt. Über diese Effekte haben wir
in der RTP-Literatur keine Hinweise gefunden.
Bei den konventionellen thermischen Prozessen, in denen der konvektive (oder
konduktive) Energie-Transfer dominiert, und in denen die Aufheizrate der Scheiben
klein (1-10°C/Minute) ist, können keine bedeutenden Strukturbedingten thermische
Inhomogenitäten auftreten, da hier genug Zeit zur Erholung vorhanden ist. Bei den
herkömmlichen Schnellheizprozessen werden Aufheizraten von 10-100°C/s gewählt.
Ist die gewünschte Reaktionstemperatur erreicht, wird die Temperatur konstant
gehalten ("steady state" Temperaturschrift). Multistep Temperungen werden ähnlich
ausgeführt. Mit großer Sorgfalt wird darauf geachtet, daß Testprozesse mit
unstrukturierten Scheiben während der ganzen Heizperiode eine homogene
Temperaturverteilung ergeben. Es wird weniger darauf geachtet, wie stark die
transiente Struktureffekte auftreten und wie sie reduziert werden können.
Die thermischen Reaktionen, die bei den konventionellen Schnellheizprozessen
ausgeführt werden, haben oft ihre größte Reaktionsgeschwindigkeit am Anfang des
"steady state" Temperaturschritts. Innerhalb der nächsten 10-100 s erreichen sie eine
Sättigung. Gute Beispiele hierfür sind die Ti- oder Co-silizide Prozeße. Ein großer Teil
der Reaktionswärme entwickelt sich in den ersten Sekunden. Unter solchen
Bedingungen können lokale Temperaturunterschiede verstärkt werden.
Festkörperreaktionen werden bei verschiedenen Strukturgrößen mit verschiedener
Geschwindigkeit ablaufen und unter Umständen bei den kleinsten Strukturen nicht in
gewünschtem Maß ablaufen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur schnellen thermischen Behandlung empfindlicher Bauelemente,
insbesondere von Bauelementen der Halbleiterindustrie bereitzustellen, mit welchem
und mit welcher aktive und passive strukturbedingte thermische Inhomogenitäten
verringert werden können.
Die passiven strukturbedingten thermischen Inhomogenitäten werden laut der
Erfindung grundsätzlich dadurch reduziert, daß in die Heizkammer unter und über die
Scheibe je eine dünne, lichtabsorbierende Platte gelegt wird. Diese Platten sind
mindestens so groß wie die Scheiben. Die einzelnen Produktionsscheiben werden
immer nacheinander zwischen diesen Platten aufgeheizt. Die Platten arbeiten als
"Licht-Transformator".
Die Strahlung der Lampen wird durch die Platten absorbiert, und die größere
Farbtemperatur der Lampen wird auf eine kleinere Farbtemperatur der Platten
umgesetzt, die gleichzeitig eine homogene Flächenemission gewährleistet. Die Platten
sind in der Nähe der Scheibe in einer Entfernung von 1-10 mm angebracht. Je kleiner
diese Entfernung ist, desto stärker nähert sich die Aufheizrate der Produktionsscheibe
an die Aufheizrate der Platten an. So wird der radiative primäre Energiefluß nicht nur
auf kleinere Farbtemperaturen transformiert, sondern auch zum Teil in einen
konvektiven Energietransport umgewandelt. Dadurch können die strahlungsbedingten
strukturinduzierten Temperaturinhomogenitäten erheblich reduziert werden. Die
Platten können z. B. aus Si, SiC, SiC beschichtetem Graphite oder aus BN hergestellt
werden.
Das kleinere Volumen des Quarzreaktors, das für eine schnelle Kontrolle der
Spülgasatmosphäre wichtig ist, und die Reinheitsvorteile der "Warmwand"- Reaktoren
gegenüber der "Heißwand-Reaktoren" werden beibehalten.
Die Verwendung einer "Licht-Transformator"-Platte unter der
Produktionsscheibe löst gleichzeitig das Problem der Temperaturkontrolle von
rückseitenbeschichteten Scheiben. Ein monochromatisches Pyrometer läßt sich
erfolgreich einsetzen. Je nach Empfindlichkeit der Strukturen oder Anforderung der
Prozeßführung reicht es aus nur unter der Produktionsscheibe oder nur über der
Produktionsscheibe eine Platte zu verwenden. Die Produktionsscheibe soll nicht mit
der zusätzlichen Platte in Kontakt kommen. Die bekannte Substrat-Holder Platte, die
im Kontakt mit der Scheibe verwendet wird, ist kein Gegenstand dieser Erfindung. Die
Verwendung der "Licht-Transformator-Platten" ergeben bei kurzen Prozessen immer ein
asymptotisches Erreichen der steady state Temperatur, das natürlich durch eine
entsprechende Änderung des Heizprogrammes geändert werden kann. Die
Prozeßführung ist in solchen Fällen ständig transient. Ein retardiertes Erreichen der
steaty state Temperatur oder noch besser ein an die gewünschte Festkörperreaktion
angepaßte transienter Schnellheizprozeß ist immer wünschenswert, wenn
strukturbedingte thermische Inhomogenitäten reduziert werden müssen. In solchen
Fällen ist es vorteilhaft mit der relativ schnellen Aufheizrate kurz vor der
Einsatztemperatur der Festkörperreaktion aufzuhören und den weiteren Temperatur-
oder Heizleistungsverlauf an die gegebene Reaktionskinetik anzupassen.
Festkörperreaktionen sind meistens diffusionslimitierte Reaktionen. In solchen
Fällen wird anstatt des ganzen steady state Prozeßschritts oder anstatt des ersten Teils
des steady state Prozeßschritt z. B. ein T=√ d. h. ein zur Quadratwurzel der Zeit
proportionales Temperaturprofil programmiert. So geben wir bei Strukturen, bei denen
die Reaktion wegen der größeren lokalen transienten Temperatur früher einsetzt schon
dann Zeit zur Relaxation, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit noch kleiner ist.
Die kontrollierte Scheibentemperatur erreicht ihren maximalen Wert nur dann,
wenn die strukturbedingten lokalen transienten Temperaturunterschiede bereits
teilweise abklingen. Dieser maximale Temperaturwert kann jetzt für eine kürzere Zeit
größer werden, als er bei linearen Temperaturprofil und konstanten "steady state"
gewählt werden könnte. Eine höhere Maximaltemperatur ist oft wichtig, um bei der
kleinsten Strukturen die gewünschte Reaktion zu vervollständigen. Per Software ist es
relativ einfach das Temperaturprofil oder das Heizleistungsprofil entsprechend einer
gewünschten mathematischen Funktion zu programmieren. So können z. B. auch
lineare, logarithmische, exponentielle, sin2, oder andere Funktionen programmiert
werden.
Das Verfahren eine programmierbare transiente Schnelltemperung mit oder
ohne zusätzlichem "steady state" Temperschritt, kann sowohl mit, als auch ohne
"Licht-Transformator" Platten eingesetzt werden. Diese Möglichkeiten dienen der
Reduktion der strukturbedingten Prozeßinhomogenitäten bei Schnellheizverfahren. Je
nach Sensitivität der Schaltkreise oder der Kapazitätsanforderungen der Anlage
können sie einzeln oder in Kombination verwendet werden. Wichtig ist dabei, daß die
Aufheizrate der Scheibe in dem Temperaturbereich, wo die gewünschten thermisch
bedingten Umwandlungen ablaufen, d. h. im "aktiven" Temperaturbereich der Kinetik
der Umwandlung angepaßt wird.
Die Produktionskapazität einer solchen Anlage kann u. U. auch dadurch erhöht
werden, daß eine reduzierte Heizung der zusätzlichen Platten auch während der
Handlingszeit aufrecht erhalten wird.
Die Schnellheizanlage ist im Sinne der Erfindung so zu konstruieren, daß in
jedem Schritt des Rezeptes der Temperung die Temperatur-Zeit Funktion und/oder die
Heizleistung-Zeit Funktion nach beliebigen selektierbaren vorprogrammierten
mathematischer Funktion ausgeführt werden kann.
Solche Temperatur-/Leistungsprofile können rezeptgesteuert (schrittweise
Ablaufsteuerung) programmiert werden, u.z. als nichtlinearer Rampentyp. Dazu wird
für jeden Rampentyp eine Tabelle geladen, die vorherberechnet wurde und deren
Werte zur Laufzeit interpoliert werden. Damit können Prozeßvariablen in beliebigen
vordefinierten Kurvenverläufen verändert werden, so daß Temperaturprozesse
ermöglicht werden, die mit linear vorgegebenem Stellwert nicht oder nur sehr
umständlich erzeugt werden können.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für den Einsatz von "Licht-Transformator" Platten
angegeben. Die Platten sind vorzugsweise größer als die Produktionsscheibe. So ist für
die Scheiben-Positionierung eine wesentlich größere Toleranz zu erlauben. Es ist aber
darauf zu achten, daß die vertikale (lokale) Wärmekapazität der ganzen Anordnung
überall gleich ist. So ist um die Scheibe ein Schutzring einzusetzen. Dicke und
Material des Rings sind an die Produktionsscheibe anzupassen. Ein Abstand von 3 mm
zwischen dem Rand der Produktionsscheibe und dem inneren Perimeter des Ringes ist
angemessen. In Fig. 1 ist mit "A" die Produktionsscheibe (Halbleiterscheibe)
bezeichnet. "B" ist die untere "Licht-Transformator" Platte, z. B. aus Silizium oder aus
Siliziumkarbid. Der Abstand zwischen der Produktionsscheibe und der unteren Platte
ist z. B. 5 mm, um ein einfaches Handling der Scheibe gewährleisten zu können. "C" ist
die obere "Licht-Transformator" Platte, hergestellt aus Si oder SiC. "D" ist ein
Schutzring aus Si für die Kompensation des größeren Energieverlustes am Randgebiet
der Produktionsscheibe. "E" ist ein Trägerrahmen aus Quarz. "F" ist der Quarzreaktor.
"G" sind die Lampen für die Heizung. "H" ist die hochreflektierende Heizkammer mit
Löcher für eine Preßluftkühlung. I ist die Tür des Reactors.
In Fig. 2 wird mit Kurve "A" der zeitliche Verlauf der tatsächlichen
Temperaturwerte der Produktionsscheibe gezeigt, wenn sie zwischen den Platten
getempert wird. Kurve "B" zeigt den kontrollierten Temperaturverlauf der unteren
Platte.
In Fig. 3 ist der zeitliche Temperaturverlauf einer Produktionsscheibe
dargestellt, die mit oder ohne zusätzliche Platten, aber mit programmierten transienten
Schnellheizverfahren getempert wird. Die Kurve zeigt die qualitative Darstellung eines
TiSi₂-Prozesses. Linie AB ist die Vorheizung mit beliebiger Heizrate. Linie BC ist
eine Vorstabilisierung bei der Einsatztemperatur der Festkörperreaktion (hier etwa
600°C). CD zeigt den aktiven Bereich der Schnellheiztemperung. Hier wird die
Temperatur von 600°C bis 720°C einer √ Funktion entsprechend erhöht, z. B. in einer
Zeitspanne von 30 s. DE ist eine kurze "steady state" Temperatur. EF ist eine
kontrolliert Abkühlung z. B. entsprechend der Cosinus Funktion für 10 s bis 650°C.
Hier wird die Heizung ausgeschaltet.
Die Erfindung ermöglicht somit die Schnellheizbehandlung empfindlicher
strukturierter Bauelemente mit einer erheblichen Reduktion der strukturbedingten
thermischen Inhomogenitäten. Ein Schnellheizprozeß wird mit der entsprechenden
Vorrichtung so ausgeführt, daß die Aufheizrate der Scheibe in dem Temperaturbereich,
wo die gewünschten thermisch bedingten Umwandlungen ablaufen, der Kinetik der
Umwandlung angepaßt wird. Dazu wird die Schnellheizanlage so konstruiert, daß die
Produktionsscheibe zwischen lichtabsorbierenden dünnen Platten aufgeheizt wird und
in jedem Schritt des Rezeptes der Temperung die Temperatur-Zeit Funktion und/oder
die Heizleistung-Zeit Funktion nach beliebigen selektierbaren vorprogrammierten
mathematischer Funktion ausgeführt werden kann.
Claims (6)
1. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher Bauelemente
dadurch gekennzeichnet, daß die Produktionsscheibe in der optischen
Schnellheizanlage zwischen zwei dünnen lichtabsorbierenden Platten
getempert wird und in dem aktiven Temperaturbereich der Behandlung eine
dem Kinetik der gewünschten thermischen Umwandlung angepaßte transiente
Heizung programmiert wird.
2. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher Bauelemente
dadurch gekennzeichnet, daß entweder unter oder über der Produktionsscheibe
in einem Abstand von 1-10 mm eine lichtabsorbierende Platte verwendet
wird.
3. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher Bauelemente
dadurch gekennzeichnet, daß mittels beliebig programmierbarer transienter
geregelter Temperatur- oder Leistungskurven eine Heizwirkung erreicht wird,
die der Kinetik der gewünschten thermischen Umwandlung von
empfindlichen Bauelementen angepaßt wird.
4. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher
Bauelemente dadurch gekennzeichnet, daß die Produktionsscheibe in der
optischen Schnellheizanlage zwischen zwei dünnen lichtabsorbierenden Platten
getempert wird und in dem aktiven Temperaturbereich der Behandlung eine
dem Kinetik der gewünschten thermischen Umwandlung angepaßte transiente
Heizung programmiert wird.
5. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher
Bauelemente dadurch gekennzeichnet, daß entweder unter oder über der
Produktionsscheibe in einem Abstand von 1-10 mm eine lichtabsorbierende
Platte verwendet wird.
6. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher
Bauelemente dadurch gekennzeichnet, daß mittels beliebig programmierbarer
transienter geregelter Temperatur- oder Leistungskurven eine Heizwirkung
erreicht wird, die der Kinetik der gewünschten thermischen Umwandlung von
empfindlichen Bauelementen angepaßt wird.
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DE19944437361 DE4437361C2 (de) | 1994-10-19 | 1994-10-19 | Verfahren und Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente |
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DE19944437361 DE4437361C2 (de) | 1994-10-19 | 1994-10-19 | Verfahren und Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente |
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DE4437361C2 DE4437361C2 (de) | 1997-05-15 |
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ID=6531167
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4437361C2 (de) | 1997-05-15 |
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