半导体制造中的快速热处理

本文讨论了快速热处理（RTP）在半导体制造过程中的作用。

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什么是RTP？

RTP是一种半导体制造技术^oC使用激光或高强度灯几秒钟。在晶圆冷却过程中，晶圆温度以逐渐降低的方式降低，以防止由于热休克而导致的晶圆破裂和位错。

RTP比常规炉退火更有效，因为它会产生上硅和氧化物，并降低温度和时间的热预算/积分。RTP的其他优点包括降低制造成本，易于过程开发，高通量和过程统一性。

An RTP system is typically used to process silicon wafers to fabricate semiconductors for high-speed computing applications and computing devices. Single wafer processing produces the best uniformity, specifically for large wafer sizes.

RTP systems perform thermal-related fabrication steps, such as chemical vapor deposition, thin dielectric film formation, and annealing. Annealing is used to add impurities to the semiconductor through thermally-activated diffusion.

有效的RTP系统在半导体制造中的重要性

在退火过程的瞬态和稳态情况下，必须在晶圆上保持几乎均匀的温度分布，以在整个晶圆中获得均匀的电阻率和电导率。此外，必须针对不同的工作条件（包括不同的气体，压力和加工温度）实现均匀的温度分布。

RTP系统必须能够将辐射到晶圆的空间能通量分布更改，以在不同的处理条件下保持温度均匀性，因为晶圆温度均匀性的必要性随工作条件的函数而变化。

具有独立控制的灯的几个同心圆环的RTP系统，例如Stanford Rapid Tymeral多处理器（RTM），可用于满足此要求。

在Stanford RTM中，使用自动控制策略来控制三个灯带中的每个灯区的功率，以在瞬态和稳态条件下在晶圆上达到均匀的温度。控制策略使用多点传感器读数来实时提供温度分布测量。

在发表的论文中快速热和集成处理的SPIE会议记录，研究人员得出了半导体晶圆的RTP的第一原理，并在一个托尔压力和一系列工作温度下实验验证了该模型的400^oC to 900^oc在惰性氮环境中。

Researchers also developed an automatic multivariable controller for multi-point sensor and multi-zone lamp RTP systems and applied it to the RTM. In the real-time multivariable controller, a feedforward mechanism was used to predict the temperature transients and a feedback mechanism was utilized to correct the errors in the prediction.

实时实施和识别在温度控制和实时信号处理中的预测应用是低阶模型的主要优势，而不是详细模型。证明了温度的非线性效应以验证模型。

成功应用控制器以实现20^oC to 900^oC，45^oC/秒小于15^oC nonuniformity during the ramp and less than 1^oC average nonuniformity during the hold at 900^oC for five min.

在存在几个挑战的情况下，控制器性能令人满意，包括系统非线性，传感器噪声，饱和执行器，缓慢的干扰和大量时间延迟。因此，研究结果表明，自动多变量控制器可以帮助在RTP系统中的不同处理条件上实现晶圆温度均匀性。

In another study published in the数学案例研究杂志，，，，研究人员得出了一种使用形状因子理论在轴向对称RTP室内发生的辐射传热模型，并使用该模型来预测腔室材料和几何形状对硅晶片温度均匀性的影响。欧洲杯足球竞彩

进行了一系列数值实验，以预测淋浴喷头，腔室高度和防护环对晶片上温度均匀性的影响。

The results displayed an improvement in the wafer temperature uniformity when the radius of the showerhead was the same or larger than that of the outer radius of the guard ring. However, the chamber size must be less than 300 mm in diameter to ensure that the showerhead radius is below the chamber radius.

Similarly, the temperature uniformity over the wafer increased with the increasing radius of the guard ring, indicating the effectiveness of the larger rings in achieving uniform temperature. However, the guard rings must be less than 2.5 cm in width for practical purposes as larger rings require more power to remain hot, making the process expensive.

较低的反射率导致晶圆上更均匀的温度。但是，某些反射率对于最大程度地减少了灯温度峰值温度所需的功率量很有用。在最小的腔室高度中实现了最佳温度均匀性。

快速热退火（RTA）的最佳控制用于制造微电器设备中所需的超弹头连接。在发表在过程控制杂志研究人员设计了一个尖峰退火程序，可以通过限制板电阻来优化连接深度。

该研究表明，最佳RTA程序可以最大程度地减少瞬态增强扩散（TED），同时达到所需的板电阻，包括快速线性冷却和加热曲线。

The model-based optimal control directly computed the maximum annealing temperature and avoided the commonly used heuristics and trial-and-error approach, which reduced the cost to identify the optimal annealing program and the number of experimentations.

对最佳连接深度的最坏情况分析的观察结果表明，有必要改善现有的RTA控制器和计量，以最大程度地减少控制实现的不准确性。

RTP的局限性

RTP中的非热平衡条件使建模和预测难度，而绝对温度仍然未知。此外，与传统的炉加工相比，由于导致压力的高坡度速率，均匀的加热在RTP中至关重要。

最近涉及RTP的研究

在《杂志》上发表的一项研究中Advanced Functional Materials，研究人员展示了一种制造kusachiite的新方法（cubi₂o₄）光电子具有增强的光电化学稳定性和电荷分离。

三氧化物二氧化物（BI）₂o₃）and copper oxide (CuO) layers were sequentially deposited on fluorine-doped tin oxide (FTO) substrates using pulsed laser deposition (PLD), followed by RTP for 10 min at 650^oc获得高度结晶的相位库₂o₄电影。

合并的PLD和RTP方法启用了出色的BI：CU化学计量控制，导致Cubi的合成₂o₄与通过喷雾热解获得的光电子相比，具有出色电子特性的光电子。

合成的未涂层的CUBI₂o₄photoelectrodes displayed only a 26% reduction in photocurrent after five h, which represented the highest stability of this material reported until now. The findings demonstrated that the RTP/PLD fabrication approach offered new possibilities to fabricate highly-crystalline complex metal oxide photoelectrodes with good electronic properties at higher temperatures.

总而言之，RTP在满足生产和设备需求的情况下在半导体制造中变得必不可少，并且该技术将有助于微电子技术的未来进步。

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参考和进一步阅读

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Gottesman, R., Song, A., Levine, I., Krause, M., Islam, A. T. M. N., Abou-Ras, D., Dittrich, T., van de Krol, R., Chemseddine, A. (2020）。纯净的库里₂o₄Photoelectrodes with Increased Stability by Rapid Thermal Processing of Bi₂o₃/通过脉冲激光沉积生长的CU。Advanced Functional Materials。https://doi.org/10.1002/adfm.201910832

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