半導(dǎo)體快速熱處理技術(shù)取得新進展

RTP是一種半導(dǎo)體制造技術(shù)，晶圓在1000℃以上的溫度下用激光或高強度燈加熱幾秒鐘。在晶圓冷卻過程中，溫度逐漸降低，以防止晶圓因熱沖擊而破裂和位錯。

RTP比傳統(tǒng)的爐膛退火效率更高，因為它可以產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的硅化物和氧化物，并降低溫度和時間的熱預(yù)算。RTP的其它優(yōu)點包括制造成本更低，易于工藝開發(fā)，高吞吐量和工藝均勻性。

RTP系統(tǒng)通常用于處理晶圓，以制造用于高速計算應(yīng)用和計算設(shè)備的半導(dǎo)體芯片。單晶圓加工可產(chǎn)生最佳的均勻性，特別是對于大晶圓尺寸。

RTP系統(tǒng)執(zhí)行與熱相關(guān)的制造步驟，例如化學(xué)氣相沉積，薄電介質(zhì)膜形成和退火。退火用于通過熱活化擴散向半導(dǎo)體添加雜質(zhì)。

 RTP系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造中的重要性

在退火過程的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下，必須在晶圓上保持接近均勻的溫度分布，以獲得整個晶圓的均勻電阻率和導(dǎo)電性。此外，對于不同的操作條件，包括不同的氣體、壓力和加工溫度，必須實現(xiàn)均勻的溫度分布。

RTP系統(tǒng)必須能夠改變輻射到晶圓的空間能量通量分布，以在不同的加工條件下保持溫度均勻性，因為晶圓溫度均勻性的必要條件隨操作條件而變化。

RTP系統(tǒng)具有幾個獨立控制的同心圓環(huán)燈環(huán)，例如斯坦?？焖贌岫嗵幚砥鳎≧TM），可用于滿足這一要求。

在斯坦福RTM中，使用自動控制策略來控制三個燈區(qū)中每個燈區(qū)的功率，以在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下實現(xiàn)晶圓上的均勻溫度?？刂撇呗允褂枚帱c傳感器讀數(shù)來實時提供溫度分布測量。

在SPIE《快速熱和集成處理論文集》上的一篇論文中，研究人員推導(dǎo)出了半導(dǎo)體晶圓RTP的第一性原理低階模型，并在一個torr壓力和400 ℃至 900 ℃工作溫度范圍內(nèi)實驗驗證了該模型（在惰性氮環(huán)境中）。

研究人員還為多點傳感器和多區(qū)域燈RTP系統(tǒng)開發(fā)了一種自動多變量控制器，并將其應(yīng)用于RTM。在實時多變量控制器中，采用前饋機制對溫度瞬變進行預(yù)測，并利用反饋機制對預(yù)測中的誤差進行修正。

與詳細(xì)模型相比，低階模型在溫度控制和信號處理中的預(yù)測應(yīng)用易于實現(xiàn)和實時識別是其主要優(yōu)勢。驗證了溫度的非線性效應(yīng)，驗證了模型的有效性。

控制器性能在存在多個挑戰(zhàn)時令人滿意，包括系統(tǒng)非線性、傳感器噪聲、飽和致動器、慢速干擾和大量時間延遲。因此，研究結(jié)果表明，自動多變量控制器可以幫助在RTP系統(tǒng)中的不同加工條件下實現(xiàn)晶圓溫度均勻性。

發(fā)表在《工業(yè)數(shù)學(xué)案例研究雜志》上的另一項研究中，研究人員使用形狀因子理論推導(dǎo)出了在軸向?qū)ΨQRTP室中發(fā)生的輻射傳熱模型，并使用該模型來預(yù)測腔室材料和幾何形狀對晶圓溫度均勻性的影響。

通過一系列數(shù)值實驗，預(yù)測了噴淋頭的反射率和尺寸、腔室高度和防護環(huán)對晶圓上溫度均勻性的影響。

結(jié)果表明，當(dāng)噴淋頭的半徑等于或大于保護環(huán)的外半徑時，晶圓溫度均勻性有所改善。但是，腔室尺寸的直徑必須小于300 mm，以確保噴淋頭半徑低于腔室半徑。

同樣，晶圓上的溫度均勻性隨著保護環(huán)半徑的增加而增加，表明較大的環(huán)在實現(xiàn)均勻溫度方面的有效性。但是，為了實際目的，保護環(huán)的寬度必須小于2.5cm，因為較大的環(huán)需要更多的功率來保持溫度，這使得該過程變得昂貴。

較低的反射率導(dǎo)致晶圓上的溫度更均勻。然而，一些反射率對于最大限度地減少燈達(dá)到峰值溫度所需的功率是有用的。在最小的腔室高度內(nèi)實現(xiàn)了最佳的溫度均勻性。

快速熱退火（RTA）的優(yōu)化控制用于制造微電子器件所需的超淺結(jié)。在發(fā)表在《過程控制雜志》上的一項研究中，研究人員設(shè)計了一種尖峰退火程序，可以通過限制薄層電阻來優(yōu)化結(jié)深。

該研究表明，最佳RTA程序可以最大限度地減少瞬態(tài)增強擴散（TED），同時實現(xiàn)由快速線性冷卻和加熱曲線組成的所需薄層電阻。

基于模型的最優(yōu)控制直接計算了最大退火溫度，避免了常用的啟發(fā)式和試錯法，降低了確定最優(yōu)退火方案的成本和實驗次數(shù)。

對最佳結(jié)深的最壞情況分析的觀察表明，需要改進現(xiàn)有的RTA控制器和計量學(xué)，以最大限度地減少控制實現(xiàn)的不準(zhǔn)確性。

 RTP 的局限性

RTP中的非熱平衡條件使得建模和預(yù)測變得困難，而絕對溫度仍然未知。此外，與傳統(tǒng)爐子加工相比，由于高升降溫率會導(dǎo)致應(yīng)力，因此在RTP中均勻加熱至關(guān)重要。

 涉及RTP的最新研究

在發(fā)表在《先進功能材料》雜志上的一項研究中，研究人員展示了一種制造kusachiite（CuBi2O4）的新方法：具有增強的光電化學(xué)穩(wěn)定性和電荷分離的光電極。

三氧化二鉍（Bi2O3）和氧化銅（CuO）層使用脈沖激光沉積（PLD）依次沉積在氟摻雜的氧化錫（FTO）基板上，然后在650 ℃下RTP放置10分鐘得到高結(jié)晶、相純的CuBi2O4薄膜。

PLD和RTP方法相結(jié)合，實現(xiàn)了出色的Bi：Cu化學(xué)計量控制，從而合成了CuBi2O4與通過噴霧熱解獲得的光電極相比，光電電極具有優(yōu)異的電子性能。

合成的無涂層銅與光電極相比，在5小時后光電流僅降低了26%，這是迄今為止報道的這種材料的最高穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，RTP/PLD制造方法為在較高溫度下制造具有良好電子性能的高結(jié)晶復(fù)合金屬氧化物光電極提供了新的可能性。

總而言之，RTP在半導(dǎo)體制造中已成為不可或缺的，因為它既滿足了生產(chǎn)和器件要求，而且該技術(shù)有助于微電子技術(shù)的未來發(fā)展。