TWI547999B - 微波退火半導體材料的系統及方法 - Google Patents
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Description
本非臨時專利申請案係關於並主張於2006年11月13日申請、申請案號11/559,315、名稱為「熱處理系統、組件、及方法」之早期申請非臨時專利申請案，以及於2007年9月17日申請、序號60/972,898、名稱為「微波退火半導體材料的系統及方法」之早期申請臨時專利申請案的優先權。該等經證明之早期申請案以參考的方式將其全文併入本申請案。
本發明廣義地係關於一種處理，即退火，半導體材料的系統及方法。尤其，本發明係關於使用微波輻射活化摻雜物，和修復半導體材料的晶體結構在雜質離子佈植進入材料期間所造成的損傷之系統和方法。
半導體元件小型化的發展導致終端用戶有較佳的性能並且增加儲存量。半導體元件在製造中涉及許多製程步驟。其中之一步驟係半導體基板的摻雜，以形成源極/汲極接面。藉由將特定摻雜物雜質植入半導體晶圓表面之離子佈植係被用以修正半導體基板的電特性。常用之摻雜物有硼、砷、和磷；也可以使用其他的摻雜物而且也一直被研究。至於離子佈植的使用，後退火處理被期望可以完成活化製程，及修復佈植區的任何相關損傷。後退火處理能依佈植劑量(佈植在表面之原子的數量)和佈植能量(原子進入晶圓表面的深度)而有所不同。大於約~5keV和劑量大於約
4E15原子/cm3之佈植會形成使用後退火製程而再成長之非晶質層，而且會有範圍終端(end of range,EOR)缺陷或未修復的損傷。小於約~5keV之佈植不會形成非晶質層，而且被視為超淺接面(Ultra Shallow Junction,USJ)佈植，其也可以利用後退火製程以電性活化摻雜物。不幸地，由於摻雜物擴散、損傷恢復百分比及熱預算(thermal budget)的限制，對次世代半導體元件而言後佈植退火變得更有挑戰性。能符合操作要求之後退火處理設備的發展已經是困難的。
退火技術包含爐管處理，快速熱處理(RTP)，快速熱退火(RTA)，其中包含快閃式退火(Flash Annealing)，及各種型式的雷射退火。不幸地，這些方法的每一個都有某些問題與缺點。例如，快速熱處理係高溫製程，如800度C到1100度C，此會造成半導體材料性能的退化，而且會使摻雜物不期望的擴散進入周圍的材料之中。同樣地，快閃式和雷射退火法皆主要受阻於由於複數層的”圖案效應(Pattern effect)”所造成之製程整合課題。
還有一種使用微波能量之退火技術，例如，參見美國專利第4,303,455號。在本文中，常用之”微波”一詞係相當寬鬆地意指毫米波長之電磁輻射、微波和射頻頻譜。微波退火可以從半導體材料的內部向外(相反於從表面向內)將整個體積更均勻地加熱。介電損失材料之微波加熱的體積吸收已被用在一些不同的應用，包含陶瓷材料的熱處理；但是，應用到半導體材料係一種相當新的應用，而且也有所限制。使用結合磁控管和磁旋管源(magnetron and
gyrotron sources)之多模式處理腔體之實驗已企圖執行。達成約100度C/sec之加熱速率和約1000度C之製程溫度超過幾秒鐘，但是尚未展現可以改善整個RTP技術。主要係由於快速升溫速率和高微波功率場的使用，使晶圓的溫度超過800度C，造成晶圓中的熱輻射變成主要的，於是使微波加熱相關的優點減到最小。
在目前所使用的方法中，因為在退火製程時使用較高的溫度，所以加熱時間必須嚴格減少到最小，以限制熱預算的增加(在給定的升溫操作期間轉移到晶圓之熱能的總量)。
由於習知技術有這些和其他的問題與缺點，所以退火半導體材料需要有改良的系統和方法。
使用可以與半導體材料的受損晶格結構反應之微波能量退火，而且在這樣做時，可以促進其修復，即其可以回復到期望的結構，藉由提供這樣的系統和方法，本發明可以克服上述的和其他的問題與缺點。
本發明允許熱預算保持在期望的範圍之內，儘管有較長的加熱時間，也可以防止摻雜物擴散。
在一實施例中，可以使用多重微波輻射源。在本實施例中，可以使用高達約十個個別的來源提供微波處理。在一實施例中，至少有一個微波源可為磁控管源。
在一實施例中，使用承載板以產生用於晶圓之大致均勻的微波能量場，和保持期望的溫度準位。在一實施例中
，承載板被定位於半導體晶圓之下。在另一實施例中，承載板被定位於半導體晶圓上方及下方；換言之，在半導體的相對側上。在任一實施例中，承載板可以由矽，碳化矽，熔凝石英，或任何其他適合的材料所製成。在另一實施例中，在承載板下方可以加上水冷卻板，並且與其接觸。
在一實施例中，承載物的厚度約為1mm到6mm，而且具有至少稍大於處理晶圓之外徑，例如大約6mm，但是並不限制相同的半導體晶圓尺寸。承載物可以為各種不同的尺寸和形狀，而非只是簡單的碟盤。例如，在一實施例中，承載物係一具有裁切輪廓(cut out profile)(如甜甜圈形狀)之碟盤(disc)。
溫度感測裝置可被用以監視腔體中晶圓的溫度，並且保持溫度在或低於期望的溫度。在一實施例中，溫度感測包含紅外線測溫計或其他非接觸式溫度感測方法。
在一實施例中，本發明能容納許多晶圓，即批量處理。雖然此種執行典型係利用多重微波功率源，但是批量處理允許增加晶圓產出，因此可以降低每片晶圓的處理成本。
在另一實施例中，系統串聯結合一次或多次處理。在一實施例中，第一次處理係在約500度C下處理約300秒，而第二次處理係在約800度C下處理約100秒。在本實施例中，損傷恢復百分比增加超過單次處理。雖然第二次處理的溫度可以高於或低於800度C，但是藉由在第二次處理之前進行第一次處理，所以摻雜物擴散極少，其中摻
雜物擴散係在800度C的溫度下進行單次處理時會發生之典型問題。
此外，本發明之用以退火半導體材料之系統包含：腔體；複數個微波能量源，其環繞腔體，而且可操作以提供微波能量到腔體，並使半導體材料曝露在微波能量下；位在腔體內之管(tube)，其可操作而接收材料；升降器，其可操作上升和降下材料，以進出管；棚架，其可操作支撐管內之材料；和溫度感測裝置，其可操作以監視材料的溫度和控制複數個微波能量源，以保持材料的溫度在或低於約800度C的最高溫度；微波能量的功率準位保持在約低於10W/cm2；及材料曝露在微波能量下的時間至少約1秒。其中管和棚架至少一部分包含熔凝石英，而每一個微波能量源包含磁控管，其可操作而提供頻率約在2.45GHz和50GHz之間的微波能量。
本發明的這些和其他的特徵將在實施方式中做更詳細的說明。
此處將參考圖式，根據本發明各種不同的實施例，包含一個或多個較佳實施例，說明，圖示，及其它方式的揭露系統及方法。
大體上，參考第1圖，本發明係關於一種利用微波能量退火和活化離子佈植晶圓之設備及方法。藉由控制時間，微波功率密度，晶圓邊界條件，氛圍條件，及溫度(包含升溫速率)，其可以修復在將雜質離子植入材料期間可能發
生的半導體材料之晶體結構之局部的損傷晶格，電性活化佈植的摻雜物，及大致上可以最小化摻雜物進一步擴散進入矽。其也可以調整條件，以微波功率密度和承載物的組態控制矽中摻雜物輪廓活化百分比(dopant profile activation percentage)及損傷恢復。
更特別地，本發明係關於一種降低活化和修復溫度之方法，其強烈對比於其他方法所使用者。在標準的習知處理之特定範例中，事先使用典型超過800度C的溫度以約100秒的製程時間。本發明可以在約500度C的較低溫度下，以約300秒的製程時間達到相同的活化和損傷修復結果。根據本發明所達成之較低製程溫度，允許晶片製造廠在半導體元件中使用如金屬(Al、Ni)之材料，而這些材料可以增加性能，其以前係因為活化溫度高於800度C會損傷金屬線而不能使用。低於500度C之活化溫度不會造成如此的損傷。
本發明另外更特別的方向係關於一種使摻雜物擴散進入矽最小化之方法。超淺接面(USJ)佈植係一種在縮短元件幾何時被晶片製造廠使用之方法，而且在後處理時佈植區沒有什麼擴散，而避免接面性能的劣化。將晶圓加熱超過800度C的方法會對摻雜物佈植(如高移動原子之硼)具有不利的熱輻射效應，並且使摻雜物擴散進入半導體晶圓。由於本發明獨特的和有效的微波交互作用法，使本發明保持晶圓在低的溫度，幾乎沒有摻雜物擴散進入矽(第4圖圖示USJ佈植大致沒有擴散)，而仍然保持可相提並論的活化結
果。此允許元件製造廠增強次世代較小幾何元件之這些接面的性能。
本發明另外更特別的方向係串聯使用兩次本發明處理。第一次處理係在約500度C下進行約300秒，達到特定的活化百分比和特定的損傷恢復百分比。然後將半導體晶圓施以第二次處理，此次在約800度C的較高溫度下進行約100秒，以進一步修復佈植區的損傷。(須要第一次處理來限制第二次處理在較高溫度下的擴散)。與在800度C下進行100秒之一次處理相較，使用此種方法將具有完全的較高損傷恢復百分比。第二次處理並不限定為800度C之溫度，可以為更低或更高的溫度。比較上，此種方法之使用可以達成等於高溫(>1000度C)之損傷恢復百分比，但是具有最少的摻雜物擴散。此種方法對於預先非晶質佈植(pre-amorphous implant,PAI)最有利。
一般操作
本發明係使用適合的微波能量與半導體材料的受損晶格結構反應以完成退火，而在如此執行時，可以幫助半導體材料修復，即回到其期望的結構和狀態。參考第1圖和第2圖，本發明保持半導體晶圓在相當低的溫度，以均勻活化摻雜物和最少化摻雜物擴散，然而習知技術卻使用相當高的溫度，此會鈍化摻雜物而且會造成摻雜物擴散。在高於800度C的溫度下，單獨的熱輻射能量將不利於體積微波加熱。因此，在微波退火處理期間，本發明保持晶圓的溫度約低於800度C一段設定的時間週期。無擴散活化
可以改善驅動力效應(drivability effect)和減少最終半導體元件的短通道效應。再者，本發明使用控制的升溫速率，及，更一般性地，控制的微波功率密度之連續功率，然而習知技術卻使用相當高準位之脈衝功率，即快速加熱和快速冷卻，此會引發不期望的結果。此外，本發明聚焦在相當低溫之晶圓高損傷摻雜區的處理，然而高溫製程技術係將整個製程區域加熱，於是會增加被處理元件的熱預算，此會造成整體良率和元件性能的退化。本發明提供這些和其他的優點，而可以大致達成和其他製程技術相同的活化程度。
微波輻射的穿透深度取決於輻射的頻率和被處理材料的損失因子。因為在加熱期間會造成導電性改變，所以很難計算矽在退火製程期間的皮膚深度(skin depth)。此導致微波源所使用之頻率要選擇。其中微波輻射之頻率範圍為約900MHz到約150GHz，施加微波輻射係在整個退火處理期間大致連續，施加控制的微波輻射包含施加控制的微波輻射約在1秒和60分鐘之間，且可操作頻率變化為50MHz。
因為矽具有相當高的導熱係數，所以熱能會很快地轉移到整片晶圓的厚度。因此，晶圓的溫度，包含在其表面，都保持約低於800度C，以避免摻雜物因熱輻射效應而擴散。對於摻雜矽，佈植區的電阻率在退火之前相當高。低於約800度C的直接熱加熱(thermal heating)(非微波)將不會有效活化未退火區及修復佈植晶圓的局部損傷。透過
根據微波頻率之間的共振、微波功率準位及溫度和聲子的頻率之有效微波反應，本發明能有效耦合微波能量到高摻雜區域和受損晶格，及能有效地將晶圓表面退火。所述之全部製程變數都特別適合藉由直接根據活化和損傷修復需求，及其它與佈植區無關之元件製程需求的元件製造所決定之每一種應用。
系統構件
再次參考第1圖，系統可以廣義地包含腔體3；內製程管2；升降器或晶圓入口6；晶圓保持棚架11；溫度感測裝置8；複數個微波能量源1；氣體注入方法10；及承載板4。
腔體3界定微波製程區域，而且可以由鋁和/或其他適合微波反射之材料(導電表面)構成，且在腔體內可同時引入在1和25片之間的半導體晶圓，而該半導體晶圓已被鈍化。內製程管2係位於腔體之內，而且進一步界定處理區域，其中氛圍條件9係由注入的氣體控制，而且可以由熔凝石英和/或其他適合微波穿透之材料構成，其中製程管內的壓力係大氣壓或真空。藉由使用將矽晶圓升起移入或移出腔體之升降器6，或將晶圓放入固定的晶圓保持棚架11之晶圓入口的使用，可以將半導體晶圓放入製程腔體之中。承載板4可在矽晶圓之上、之下或同時在矽晶圓之上方及下方。在一實施例中，承載板由矽、碳化矽、或熔凝石英或任何其他適合的材料所製成。
溫度感測裝置8監視腔體內之晶圓的溫度，並控制複
數個微波能量源1，以保持溫度在或低於期望的溫度。溫度感測裝置可以包含紅外線測溫計或其他非接觸式溫度感測方法。
複數個微波能量源1提供微波能量到製程區域。如圖所示，可以有超過一個之大致相等地圍繞製程區域排列之微波源。每一個微波源都可以包含磁控管、波導、隔離裝置及微波功率量測裝置，其可操作而提供頻率約在2.45GHz和50GHz之間的微波能量。
對於較大片的晶圓，如直徑約大於300mm，複數個來源，即〝多模式〞腔體3係理想的。由於形成的模式，即微波能量的高和低濃度區域，使得多模式腔體典型會有製程區域內微波能量不均勻分佈的問題。在此區域內之晶圓將經歷一些位置溫度和頻率係正確的，而其他位置係錯誤的，使得會導致不均勻的活化和可能的過加熱。在多模式系統內產生均勻性微波的一方法揭露在2006年11月13日申請之美國專利公報第2007/0167029號，系列編號第11/559,315號，此處係完全納入參考。
如上所述，一個以上之微波能量源1，或輻射產生器，可以為磁控管源。此種特別的能量源具有可以量產之優點，其大致上降低建立系統所需之成本、複雜度、和時間。一個以上之微波能量源可以係行進波導管放大器(Traveling Wave Tube Amplifier,TWTA)、磁旋管或調速管(Klystron)源，其可以達成類似的結果，但是成本較高。
一個以上之微波能量源1可以提供頻率約在915MHz
和50GHz之間的微波能量，其取決於任何特別的應用之需求。例如，在一較佳實施例中，一個以上之微波能量源提供頻率約5.8GHz之微波能量。
直接進入製程區域之微波功率透過藉由腔體3的腔壁和晶圓的吸收而消散。對於某些應用，前者可以忽略，而且其可以假設任何的損失主要都是由於在晶圓中因入射微波能量所引發的電流所造成，即歐姆損失。
承載板4有助於達成整片晶圓具有均勻的微波場和均勻保持晶圓溫度係在或低於期望的最大溫度。熔凝石英係特別適合的承載物材料，因為其對微波能量大致透明，即不會被吸收，因此大部分或所有的能量都作用在晶圓上。此允許使用較低的功率準位以達成要求的反應，而較低的功率準位最小化不期望的弧光放電(arcing)和加熱之風險。石英也是特別適合的材料，因為其具有相當低的導熱係數。
為了在半導體晶圓表面有不同的微波功率管理結果，本發明承載物材料的另一個方向係也可以使用非常接近半導體晶圓之材料。矽(或類似於半導體基板之材料)將藉由微波以和目標半導體晶圓相同的速率加熱。與可以穿透微波之承載物相較，在相似的溫度下，此允許較小的微波功率密度非常接近半導體晶圓。
在一實施例中，承載物材料係碳化矽。碳化矽晶圓將會吸收更多的微波能量，然後變得比半導體晶圓更熱。此種方法可以具有混合加熱之特徵，其中藉由碳化矽承載物
所產生的熱直接加熱半導體晶圓。此允許在半導體晶圓表面有最小的微波功率密度。在其他實施例中，承載物材料可以為矽、熔凝石英或任何其他根據活化和損傷修復需求之適合的材料。
晶圓到承載物之間距或間隔距離係根據活化和損傷修復需求的需求決定。間距一般為，但不限於，1mm到30mm或直接接觸，此取決於應用。所有的承載物都可在管理微波腔體3內之半導體晶圓附近的微波場操作。
參考第2圖，位於微波能量場內之晶圓的邊緣可能會過熱。藉由將承載物12賦予裁切輪廓，或凹槽，用以緊密地接受晶圓，使得承載物材料緊密地圍繞且自晶圓邊緣吸收多餘的熱，則能將效應最小化。其中承載物12以氣體或水冷卻。
為了進一步降低活化的溫度，相鄰的水冷卻板可以加在承載板的下方，並且與其接觸。再次，修復受損晶格之退火製程取決於微波能量頻率和功率準位，而非溫度；溫度增加係由於有歐姆損失所造成之微波加熱的副產品。使用冷卻板移除熱對於具有相當低熔點之基板材料如SiGe的應用特別有用。
本發明能適合容納單片晶圓處理或多片晶圓，即批次處理。本發明之製程適合使用添加物，如硼，砷，和磷，及混合物，如BF2，之活化的應用。特定的應用可能需要單片晶圓處理。更特別地，批次處理可能明顯需要更大的功率，以保持活化整片晶圓表面所需之W/cm2，而且可以
使用多重微波功率源。雖然如此，批次處理允許增加晶圓產出，因此可以降低每片晶圓之製程成本。
雖然本發明已參考一個以上之特定實施例說明，但應瞭解的是等效技術可以被熟悉此項技術之人士所採用，並且取代，這明顯並不脫離本發明之範圍。
1‧‧‧微波能量源
2‧‧‧熔凝石英管坩堝：用以保持清潔的環境並允許真空處理
3‧‧‧多模式微波腔體圍場
4‧‧‧承載板
5‧‧‧出入門：可以從下面、上面或側面出入
6‧‧‧載入升降器：一範例係將半導體晶圓插入腔體或自腔
體移出半導體晶圓
7‧‧‧一般支撐架
8‧‧‧紅外線測溫計：非接觸式溫度量測
9‧‧‧控制的氛圍
10‧‧‧氣體注入：控制氛圍
11‧‧‧晶圓保持棚架
12‧‧‧水冷卻板
13‧‧‧半導體晶圓
14‧‧‧承載盤
15‧‧‧裁切輪廓
本發明係參考下列圖式說明，其中圖式只是強調清楚，而非尺寸：
第1圖為系統之一實施例的橫截面圖。
第2圖為系統之承載板組件之實施例圖。
第3圖為佈植、預微波處理、和後微波處理之二次離子質譜(SIMS)輪廓圖，其中與習知技術之處理(RTA)相較，顯示佈植區無摻雜物擴散之效應。
第4圖為超淺接面(USJ)佈植、預微波處理和後微波處理之SIMS輪廓圖，其中顯示佈植區無摻雜物擴散之效應。
第5(a)圖和第5(b)圖為穿透式電子顯微鏡圖(TEM)，其中顯示本發明之處理、預處理和後處理的損傷恢復。
1‧‧‧微波能量源
2‧‧‧熔凝石英管坩堝：用以保持清潔的環境並允許真空處理
3‧‧‧多模式微波腔體圍場
4‧‧‧承載板
5‧‧‧出入門：可以從下面、上面或側面出入
6‧‧‧載入升降器：一範例係將半導體晶圓插入腔體或自腔體移出半導體晶圓
7‧‧‧一般支撐架
8‧‧‧紅外線測溫計：非接觸式溫度量測
9‧‧‧控制的氛圍
10‧‧‧氣體注入：控制氛圍
11‧‧‧晶圓保持棚架
12‧‧‧水冷卻板
Claims (29)
- 一種半導體晶圓的退火處理之方法，包含下列步驟：a.將半導體晶圓引入微波空腔(cavity)之內；b.以晶圓棚架(wafer rack)支持至少一片半導體晶圓接近至少一承載物(susceptor)；c.從至少一個來源施加控制的微波輻射到微波空腔；及d.冷卻承載物和定位該承載物與半導體晶圓接觸，以提供較大的熱梯度(thermal gradient)通過晶圓的厚度。
- 一種半導體晶圓的退火處理之方法，包含下列步驟：a.將半導體晶圓引入微波空腔(cavity)之內；b.以晶圓棚架(wafer rack)支持至少一片半導體晶圓接近至少一承載物(susceptor)；c.從至少一個來源施加控制的微波輻射到微波空腔；及d.第二次施加受控制的微波輻射，並將該半導體晶圓加熱到大於約800℃之溫度。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中半導體晶圓具有包含植入摻雜物離子之佈植區，及施加微波輻射大致移動摻雜物離子到取代位置。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中施加微波輻射移動摻雜物離子到取代位置，然後電性活化摻雜物離子。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中摻雜物離子具有濃度輪廓(concentration profile)，而且在退火處理期間施加微波輻射大致不會改變濃度輪廓。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中該半導體晶圓具有由於摻雜物離子的佈植所造成之晶格損傷區，於是施加微波輻射修復該晶格損傷缺陷。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中微波輻射之頻率範圍為約900MHz到約150GHz。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，還包含將承載物定位在半導體晶圓下方，而且其中承載物和半導體晶圓之間的間距係在1mm和30mm之間。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中承載物材料包含熔凝石英(fused quartz)。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中承載物材料包含一種選自矽及碳化矽之材料。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，還包含藉由選擇承載物材料和調整承載物間距，在半導體晶圓附近產生控制的微波場。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，還包含以氣體或水冷卻承載物。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中施加控制的微波輻射包含將半導體晶圓加熱到約在500℃和800℃之間的溫度。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，還包含藉由將氣體注入到製程管，控制該微波空腔內的氛圍條件(ambient condition)。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中製程管內的壓力係大氣壓。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中製程管內的壓力係真空。
- 如申請專利範圍第1項之方法，還包含第二次施加控制的微波輻射，並將半導體晶圓加熱到大於約800℃之溫度。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中施加受控制的微波輻射包含施加控制的微波輻射約在1秒和60分鐘之間。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中施加微波輻射係在整個退火處理期間大致連續。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，還包含在腔體(chamber)內同時引入在1和25片之間的半導體晶圓。
- 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中半導體晶圓已被鈍化(deactivated)。
- 一種用以退火半導體材料之系統，該系統包含：腔體；複數個微波能量源，其排列在腔體附近，而且可操作以提供微波能量到腔體，並使半導體材料曝露在微波能量下；位在腔體內之管(tube)，其可操作而接收材料；升降器，其可操作上升和降下材料，以進出管；棚架，其可操作支撐管內之材料；和溫度感測裝置，其可操作以監視材料的溫度和控制複數個微波能量源，以保持材料的 溫度在或低於約800℃的最高溫度；該微波能量的功率準位保持在約低於10W/cm2；及材料曝露在微波能量下的時間至少約1秒。
- 如申請專利範圍第22項之系統，其中管和棚架至少一部分包含熔凝石英。
- 如申請專利範圍第22項之系統，其中溫度感測裝置包含紅外線測溫計。
- 如申請專利範圍第22項之系統，其中溫度感測裝置包含非接觸式溫度感測裝置。
- 如申請專利範圍第22項之系統，其中每一個微波能量源包含磁控管，其可操作而提供頻率約在2.45GHz和50GHz之間的微波能量。
- 如申請專利範圍第22項之系統，還包含承載板，其可操作有助於達成整片材料有均勻的微波場和保持材料溫度在或低於期望的最高溫度。
- 如申請專利範圍第27項之系統，其中承載板包含凹槽，用以緊密地接受半導體材料，使得承載板緊密地圍繞且自半導體材料邊緣吸收多餘的熱。
- 如申請專利範圍第27項之系統，還包含位在承載板下方並與其接觸之水冷卻板。
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|---|---|---|---|---|
| US9136569B2 (en) | 2008-05-21 | 2015-09-15 | Applied Materials, Inc. | Microwave rapid thermal processing of electrochemical devices |
| US7985617B2 (en) * | 2008-09-11 | 2011-07-26 | Micron Technology, Inc. | Methods utilizing microwave radiation during formation of semiconductor constructions |
| US20100084583A1 (en) * | 2008-10-06 | 2010-04-08 | Hatem Christopher R | Reduced implant voltage during ion implantation |
| TWI384556B (zh) * | 2008-11-12 | 2013-02-01 | Nat Applied Res Laboratoires | Microwave activation annealing process |
| US20100213643A1 (en) * | 2009-02-26 | 2010-08-26 | Gadgil Prasad N | Rapid synthesis of polycrystalline silicon sheets for photo-voltaic solar cell manufacturing |
| JP2011134836A (ja) * | 2009-12-24 | 2011-07-07 | Toshiba Corp | 裏面照射型撮像素子の製造方法 |
| EP2437020B1 (de) | 2010-10-01 | 2015-08-12 | Ivoclar Vivadent AG | Mikrowellenofen |
| US20120196453A1 (en) * | 2011-02-01 | 2012-08-02 | Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University | Systems and Methods for Susceptor Assisted Microwave Annealing |
| JP5717598B2 (ja) * | 2011-09-27 | 2015-05-13 | 株式会社東芝 | 半導体製造装置および半導体製造方法 |
| JP5490087B2 (ja) * | 2011-12-28 | 2014-05-14 | 東京エレクトロン株式会社 | マイクロ波加熱処理装置および処理方法 |
| US20130189838A1 (en) * | 2012-01-20 | 2013-07-25 | Makoto Honda | Semiconductor manufacturing apparatus and method of manufacturing semiconductor device |
| WO2014004518A1 (en) | 2012-06-26 | 2014-01-03 | Applied Materials, Inc. | Microwave rapid thermal processing of electrochemical devices |
| JP2014033003A (ja) * | 2012-08-01 | 2014-02-20 | Tokyo Electron Ltd | 被処理体の処理方法 |
| WO2014039194A1 (en) * | 2012-09-07 | 2014-03-13 | Applied Materials, Inc. | Integrated processing of porous dielectric, polymer-coated substrates and epoxy within a multi-chamber vacuum system confirmation |
| JP5738814B2 (ja) * | 2012-09-12 | 2015-06-24 | 株式会社東芝 | マイクロ波アニール装置及び半導体装置の製造方法 |
| US20140094023A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | National Applied Research Laboratories | Fabricating method of semiconductor chip |
| TWI587422B (zh) * | 2012-11-30 | 2017-06-11 | 財團法人國家實驗研究院 | 晶圓微波退火之晶圓承載結構及其應用 |
| US9076730B2 (en) * | 2012-12-12 | 2015-07-07 | Fudan University | Metal silicide thin film, ultra-shallow junctions, semiconductor device and method of making |
| WO2014089780A1 (zh) * | 2012-12-12 | 2014-06-19 | 复旦大学 | 超浅结半导体场效应晶体管及其制备方法 |
| CN103021865B (zh) * | 2012-12-12 | 2016-08-03 | 复旦大学 | 金属硅化物薄膜和超浅结的制作方法 |
| CN103035533B (zh) * | 2012-12-12 | 2016-07-06 | 复旦大学 | 超浅结半导体场效应晶体管的制备方法 |
| US20140199822A1 (en) * | 2013-01-15 | 2014-07-17 | Micron Technology, Inc. | Methods of forming semiconductor device structures including an insulative material on a semiconductive material, and related semiconductor device structures and semiconductor devices |
| US9293534B2 (en) | 2014-03-21 | 2016-03-22 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Formation of dislocations in source and drain regions of FinFET devices |
| US9012315B2 (en) * | 2013-08-09 | 2015-04-21 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Methods and systems for dopant activation using microwave radiation |
| US9064797B2 (en) * | 2013-08-22 | 2015-06-23 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Systems and methods for dopant activation using pre-amorphization implantation and microwave radiation |
| US9142404B2 (en) * | 2013-10-16 | 2015-09-22 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Systems and methods for annealing semiconductor device structures using microwave radiation |
| US9129918B2 (en) | 2013-10-30 | 2015-09-08 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Systems and methods for annealing semiconductor structures |
| US9338834B2 (en) | 2014-01-17 | 2016-05-10 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Systems and methods for microwave-radiation annealing |
| US10044028B1 (en) * | 2014-01-29 | 2018-08-07 | Itn Energy Systems, Inc. | Composite cathode solid state battery |
| US9299587B2 (en) * | 2014-04-10 | 2016-03-29 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Microwave anneal (MWA) for defect recovery |
| US10667340B2 (en) * | 2015-01-29 | 2020-05-26 | Dsgi Technologies, Inc. | Microwave assisted parallel plate E-field applicator |
| US10945313B2 (en) * | 2015-05-27 | 2021-03-09 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for a microwave batch curing process |
| JP2016225573A (ja) * | 2015-06-03 | 2016-12-28 | 株式会社東芝 | 基板処理装置および基板処理方法 |
| CN105185733B (zh) * | 2015-08-26 | 2019-07-05 | 上海海事大学 | 一种微波退火装置 |
| JP6596285B2 (ja) | 2015-09-24 | 2019-10-23 | 東芝メモリ株式会社 | マイクロ波照射装置および基板処理方法 |
| US10692742B2 (en) | 2015-11-05 | 2020-06-23 | Industrial Technology Research Institute | Operating method of microwave heating device and microwave annealing process using the same |
| TWI568316B (zh) | 2015-11-05 | 2017-01-21 | 財團法人工業技術研究院 | 多重模態微波加熱裝置 |
| JP6791880B2 (ja) * | 2016-01-28 | 2020-11-25 | ディーエスジー テクノロジーズ | マイクロ波を用いた平行板電場の印加装置 |
| CN105590887B (zh) * | 2016-02-25 | 2018-02-02 | 郑州大学 | 修复InP基HEMT器件质子辐照损伤的微波退火装置及方法 |
| US10453688B2 (en) * | 2016-08-31 | 2019-10-22 | National Chiao Tung University | Method of manufacturing a semiconductor device including a ternary alloy layer formed by a microwafe anneal process |
| US10677830B2 (en) * | 2017-07-13 | 2020-06-09 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for detecting microwave fields in a cavity |
| US11295962B2 (en) | 2018-07-10 | 2022-04-05 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Low temperature process for diode termination of fully depleted high resistivity silicon radiation detectors that can be used for shallow entrance windows and thinned sensors |
| US12018374B2 (en) * | 2019-03-08 | 2024-06-25 | Dsgi Technologies, Inc. | System and method of low temperature thin film deposition and in-situ annealing |
| US20220317002A1 (en) * | 2021-03-31 | 2022-10-06 | The Research Foundation For The State University Of New York | Systems and methods for annealing samples |
| TWI820537B (zh) * | 2021-04-26 | 2023-11-01 | 財團法人工業技術研究院 | 微波加熱方法與微波加熱裝置 |
| TWM644719U (zh) * | 2021-05-14 | 2023-08-11 | 日揚科技股份有限公司 | 非接觸式加工裝置 |
| CN115346891A (zh) | 2021-05-14 | 2022-11-15 | 日扬科技股份有限公司 | 整合雷射与微波的退火系统及退火方法 |
| US11621168B1 (en) | 2022-07-12 | 2023-04-04 | Gyrotron Technology, Inc. | Method and system for doping semiconductor materials |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6051481A (en) * | 1997-11-26 | 2000-04-18 | U.S. Philips Corporation | Method and device for bonding two plate-shaped objects |
| US20070167029A1 (en) * | 2005-11-11 | 2007-07-19 | Kowalski Jeffrey M | Thermal processing system, components, and methods |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4774992A (en) * | 1987-06-15 | 1988-10-04 | Pcc Airfoils, Inc. | Apparatus and method for use in casting a plurality of articles |
| CA2124093C (en) * | 1994-03-31 | 2001-04-17 | Prasad S. Apte | Microwave sintering process |
| US5820261A (en) | 1995-07-26 | 1998-10-13 | Applied Materials, Inc. | Method and apparatus for infrared pyrometer calibration in a rapid thermal processing system |
| US6051483A (en) * | 1996-11-12 | 2000-04-18 | International Business Machines Corporation | Formation of ultra-shallow semiconductor junction using microwave annealing |
| US7256375B2 (en) * | 2002-08-30 | 2007-08-14 | Asm International N.V. | Susceptor plate for high temperature heat treatment |
| US7589028B1 (en) * | 2005-11-15 | 2009-09-15 | Novellus Systems, Inc. | Hydroxyl bond removal and film densification method for oxide films using microwave post treatment |
-
2008
- 2008-09-16 TW TW097135445A patent/TWI547999B/zh active
- 2008-09-17 US US12/212,617 patent/US7928021B2/en active Active
- 2008-09-17 WO PCT/US2008/076738 patent/WO2009039220A1/en active Application Filing
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6051481A (en) * | 1997-11-26 | 2000-04-18 | U.S. Philips Corporation | Method and device for bonding two plate-shaped objects |
| US20070167029A1 (en) * | 2005-11-11 | 2007-07-19 | Kowalski Jeffrey M | Thermal processing system, components, and methods |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW200937531A (en) | 2009-09-01 |
| US20090184399A1 (en) | 2009-07-23 |
| US7928021B2 (en) | 2011-04-19 |
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