DE4437361C2 - Verfahren und Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, und dient der Reduktion der thermischen Inhomogenitäten, wenn die Materialien verschiedene Strukturen mit verschiedenen optischen Eigenschaften haben.

Das Schnellheizverfahren ist eine sehr vielseitige optische Heizmethode. Es findet Einsatzmöglichkeiten vor allem auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie. Als Heizquellen werden meistens Wolfram-Halogen oder andere Lampen eingesetzt. So erfolgt das Aufheizen der Bauelemente durch Bestrahlung mit sichtbarem und infrarotem Licht.

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 Temperaturbehandlung reduziert werden.

Viele RTP-Anlagen bieten Möglichkeiten zur thermischen Behandlung unstrukturierter, homogener, scheibenförmiger Materialien, z. B. Halbleiter­ scheiben an. Weisen solche Scheiben unterschiedliche Materialien oder Beschichtungen in einer geometrisch 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.

Aus der DE 42 23 133 C2 ist eine Methode für die defektarme, schnelle thermische Behandlung empfindlicher Bauelemente bekannt. Die Anforderungen der "subhalbmikrometer"-integrierten Schaltkreisentechnologie 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 den wachsenden Anforderungen reduziert werden. Diese Maßnahmen bestanden z. B. in der unabhängigen Kontrolle der einzelnen Lampen, der zirkularen Lampenanordnung, 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 Scheibenober­ fläche können einen Teil der Strahlungsenergie zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz führen und dadurch strukturbestimmte Temperatur-Inhomogenitäten 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.

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 den Anlagen, in denen die Scheiben gleichzeitig von oben und von unten geheizt werden können. Solche Methoden sind auch in dem oben erwähnten Patent DE 42 23 133 C2 beschrieben.

Die Entstehung und Reduktion der Struktureffekte in Schnellheiz­ systemen scheint komplizierter zu sein, als es bisher in der entsprechenden Fachliteratur beschrieben ist. Darüberhinaus hat die Reduktion der Struktureffekte in konventionellen Schnellheizsystemen physikalische Grenzen.

Um schnelle Aufheizraten und eine hohe Substrattemperatur gewähr­ leisten 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 großer Unterschied zwischen dem 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. Silizid-Prozesse oder Oxidation) und die physikalischen Struktur-Umwandlungen (z. B. "implant anneal"), die in Verbindung mit den Schnellheizprozessen ablaufen, sind meistens exothermische Prozesse. Manche allotropische 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" Temperaturschritt). Multistep Temperierungen 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 transienten 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" Temperaturschrittes. Innerhalb der nächsten 1-100 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. Noch wichtiger ist, daß durch die Festkörperreaktion an der Oberfläche neue chemische Verbindungen oder andere alltropische Modifikationen zustande kommen, wodurch sich das lokale Absorptionsvermögen plötzlich sehr stark ändern kann. 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.

Aus der JP 60-211 947 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die optische Schnellheizung empfindlicher Bauelemente bekannt, wobei eine Halbleiterscheibe indirekt geheizt wird. Dabei wird eine Graphitplatte durch eine Lampenanordnung von einer Seite geheizt und vermittelt damit indirekt die Heizung der auf der anderen Seite der Graphitplatte beabstandet angeordneten Halbleiterscheibe. Der Abstand zwischen der Graphitplatte und der Halbleiterscheibe ist nicht näher definiert, und die Graphitplatte ist wesentlich größer als das Strahlungsfeld der Lampenanordnung. Daher ist eine homogene Temperaturverteilung weder entlang der Graphitplatte noch in der Halbleiterscheibe möglich. Im Falle von nur einseitiger Heizung kann die von der Technologie vorgeschriebene Aufheizgeschwindigkeit und die wirtschaftliche Kapazitätserforderung der Fertigung nicht erfüllt werden.

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 empfindlichen Bauelemente sind in der Halbleiterindustrie meistens integrierten Schaltkreisen (Chips) auf Halbleiterscheiben, meistens auf Silizium- Scheiben. In einer modernen, integrierten Schaltkreisenfabrik (Chip-Fertigung) das Grundmaterial ist ein 200 mm große Silizium Scheibe.

Die strukturbedingten thermischen Inhomogenitäten werden erfindungsgemäß dadurch reduziert, daß in die Heizkammer unter oder über der Scheibe eine dünne, lichtabsorbierende Platte gelegt wird. Diese Platte ist so groß wie die Scheiben oder im Durchmesser 1-2 mm größer. Die einzelnen Halbleiterscheiben werden immer nacheinander entweder über oder unter diesen Platten aufgeheizt. Die Platten arbeiten als "Licht-Transformator."

Die Verwendung einer "Licht-Transformator"-Platte unter der Halbleiterscheibe löst das Problem der Temperaturkontrolle von rückseitenbeschichteten Scheiben. Ein monochromatisches Pyrometer läßt sich erfolgreich einsetzen. Die Halbleiterscheibe soll nicht mit der zusätzlichen Platte in Kontakt kommen. Die bekannte Substrat-Holder Platte, die in Kontakt mit der Scheibe verwendet wird, ist kein Gegenstand dieser Erfindung. Die Platte ist in der Nähe der Scheibe in einer Entfernung von 1-10 mm, vorzugsweise 5-6 mm angebracht.

Die "Licht-Transformator"-Platte behält ihre Emissivitäts- und Reflektivität konstant im Laufe der Produktion und die Temperatur der Halbleiterscheibe folgt der kontrollierten Temperatur der Platte.

Die Verwendung einer "Licht-Transformator" Platte über der Halbleiterscheibe verhindert die direkte Bestrahlung der Frontseite der Scheiben. Die Strahlung der Lampen wird auch durch die Platte absorbiert, und die größere Farbtemperatur der Lampen wird auf eine kleinere Farbtemperatur der Platte umgesetzt, die gleichzeitig eine homogene Flächenemission gewährleistet. Die Platte ist 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 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 aus Si, SiC, SiC-beschichtetem Graphit 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.

Der Einsatz der zusätzlichen lichtabsorbierenden Platte ist für die Massenfertigung von integrierten Schaltkreisen in solchen Schnellheizsystemen vorteilhaft, wo die Halbleiterscheiben gleichzeitig von oben und von unten bestrahlt werden können. Vorteilhaft ist auch, wenn die obere und die untere Heizung unabhängig voneinander kontrollierbar sind.

Selbst die Verwendung von nur einer zusätzlichen Platte verringert ein wenig die Kapazität einer solchen Anlage. Diese Verringerung kann aber noch gut kompensiert werden, z. B. auch dadurch, daß eine reduzierte Heizung der zusätzlichen Platte auch während der Handlingszeit aufrecht erhalten wird.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für den Einsatz von einer "Licht-Transformator" Platte angegeben. Diese lichtabsorbierende Platte hat eine ähnliche Geometrie wie die aufzuheizende Produktionsscheibe.

Die Produktionsscheibe (Halbleiterscheibe) ist hier mit "A" bezeichnet. "B" ist die untere "Licht-Transformator" Platte, im Ausführungsbeispiel aus Silizium oder aus Siliziumkarbid. Der Abstand zwischen der Produktionsscheibe und der unteren Platte ist 5 mm, um ein einfaches Handling der Scheibe gewährleisten zu können. "C" ist ein Schutzring aus Silizium für die Kompensation des größeren Energieverlustes am Randgebiet der Produktionsscheibe. Es ist darauf zu achten, daß die vertikale (lokale) Wärmekapazität der ganzen Anordnung überall gleich ist. Wenn z. B. beide, die Produktionsscheibe und die lichtabsorbierende Platte gleich dicke Silizium­ scheiben sind, ist der Ring zweimal so dick wie die erwärmten Si-Scheiben. Ein Abstand von 3 mm zwischen dem Rand der Produktionsscheibe und dem inneren Perimeter des Ringes ist angemessen.

In Fig. 1 ist "D" ein Trägerrahmen aus Quarz, "E" ist der Quarzreaktor, "F" bezeichnet die Lampen für die Heizung, "G" ist die hochreflektierende Heizkammer mit Löchern für eine Preßluftkühlung und "H" bezeichnet die Tür des Reaktors.

Die Erfindung ermöglicht somit die Schnellheizbehandlung empfindlicher, elektronischer Bauelemente mit einer erheblichen Reduktion der thermischen Inhomogenitäten. Die Reproduzierbarkeit der Heizprozesse wird dadurch verbessert, daß unter der Produktionsscheibe eine thermisch stabile und in der Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte verwendet wird. Die Heizung der Halbleiterscheibe erfolgt dementsprechend von unten, durch die von unteren Lampen geheizte lichtabsorbierende Platte und von oben direkt durch die Lampen. Die lichtabsorbierende Platte ist thermisch stabil und behält ihre Emissivität konstant. Die enge Annäherung der Platte und der Scheibe resultiert in einer gemeinsamen, radiativen und konvektiven Energiekopplung zwischen den beiden. So eine genaue Temperaturkontrolle der stabilen Platte definiert die Temperatur der Halbleiterscheibe auch dann, wenn die monochromatische Emissivität der Halbleiterscheiben variiert wird.

Die strukturbedingten, lateral thermischen Inhomogenitäten - als alternative Lösung - werden dadurch reduziert, daß die lichtabsorbierende Platte über der Produktionsscheibe verwendet wird. Diese Lösung ist dann vorteilhaft, wenn die Produktionsscheiben identische Rückseiten-Emissivität haben und so die reproduzierbare Heizungskontrolle mit konventionellen Methoden gewährleistet werden kann.

Claims (5)

1. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, bei dem unter dem aufzuheizenden Bauelement (A) in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch stabile und in der Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte (B) verwendet wird und die Heizung des Bauelements von oben durch obere Lampen der Schnellheizanlage und von unten durch die von unteren Lampen geheizten lichtabsorbierende Platte erfolgt.

2. Verfahren für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, bei dem oberhalb des aufzuheizenden Bauelements in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch stabile und in der Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte verwendet wird und die Heizung des Bauelements von unten durch untere Lampen der Schnellheizanlage und von oben durch die von oberen Lampen geheizten lichtabsorbierenden Platte erfolgt.

3. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, bei der unter dem aufzuheizenden Bauelement in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch stabile und in der Geometrie ähnliche lichtabsorbierende Platte angeordnet ist und daß zur Heizung des Bauelements oberhalb von ihm obere Lampen der Schnellheizanlage und unterhalb von ihm die von unteren Lampen geheizten lichtabsorbierende Platte angeordnet sind.

4. Vorrichtung für die optische Schnellheizbehandlung empfindlicher elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, bei der oberhalb des aufzuheizenden Bauelements in einem Abstand von 1-10 mm eine thermisch stabile und in der Geometrie ähnlich lichtabsorbierende Platte angeordnet ist und daß zur Heizung des Bauelements unterhalb von ihm untere Lampen der Schnellheizanlage und oberhalb von ihm die von oberen Lampen geheizten lichtabsorbierende Platte angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzring (C) aus Silizium für die Kompensation des größeren Energieverlustes am Randgebiet des zu behandelnden Bauelements bzw. der lichtabsorbierenden Platte angeordnet ist.