1. 概要
熱処理とも呼ばれる加熱は、通常はアルミニウムの融点よりも高い高温で行われる製造手順を指します。
加熱工程は通常高温炉で行われ、酸化、不純物拡散、結晶欠陥修復のためのアニールなど半導体製造における主要な工程が含まれます。
酸化：シリコンウェーハを酸素や水蒸気などの酸化剤雰囲気中に置いて高温熱処理し、シリコンウェーハの表面に化学反応を起こして酸化膜を形成する工程です。
不純物拡散：高温条件下での熱拡散原理を利用して、プロセス要件に従って不純物元素をシリコン基板に導入し、特定の濃度分布を持たせ、それによってシリコン材料の電気的特性を変化させることを指します。
アニーリングとは、イオン注入後にシリコンウェーハを加熱して、イオン注入によって生じた格子欠陥を修復するプロセスを指します。
酸化/拡散/アニーリングに使用される装置には、次の 3 つの基本的なタイプがあります。
- 横型炉;
- 縦型炉;
- 急速加熱炉：急速熱処理装置
従来の熱処理プロセスは、イオン注入によるダメージを除去するために長時間の高温処理が主でしたが、欠陥の除去が不完全であったり、注入した不純物の活性化効率が低いという欠点がありました。
さらに、アニール温度が高く、アニール時間が長いため、不純物の再分布が起こりやすく、多量の不純物が拡散し、浅い接合と狭い不純物分布の要件を満たせなくなります。
RTP（Rapid Thermal Processing）装置を用いたイオン注入ウェーハの急速熱アニールは、ウェーハ全体を非常に短時間で一定の温度（通常400～1300℃）まで加熱する熱処理方法です。
炉加熱アニールと比較して、サーマルバジェットが少なく、ドーピング領域内の不純物の移動範囲が小さく、汚染が少なく、処理時間が短いという利点があります。
高速熱アニール プロセスではさまざまなエネルギー源を使用でき、アニール時間の範囲は非常に広いです (ランプ アニール、レーザー アニールなど、100 ～ 10-9 秒)。不純物の再分布を効果的に抑制しながら、不純物を完全に活性化できます。現在、ウェーハ直径が 200mm を超えるハイエンド集積回路の製造プロセスで広く使用されています。
2.第2加熱工程
2.1 酸化プロセス
集積回路の製造プロセスにおいて、シリコン酸化膜を形成する方法には、熱酸化法と蒸着法があります。
酸化工程とは、熱酸化によりシリコンウェーハの表面にSiO2を形成する工程を指します。熱酸化により形成されるSiO2膜は、その優れた電気絶縁性とプロセス実行可能性により、集積回路の製造プロセスに広く使用されています。
その最も重要な用途は次のとおりです。
- デバイスを傷や汚れから守ります。
- 帯電キャリアのフィールド絶縁を制限する (表面パッシベーション)。
- ゲート酸化物または記憶セル構造内の誘電体材料。
- ドーピングにおけるインプラントマスキング。
- 金属導電層間の誘電体層。
(1)デバイスの保護と隔離
ウェーハ (シリコンウェーハ) の表面に成長した SiO2 は、シリコン内の敏感なデバイスを隔離して保護するための効果的なバリア層として機能します。
SiO2 は硬くて非多孔質 (緻密な) 材料であるため、シリコン表面上のアクティブ デバイスを効果的に分離するために使用できます。硬い SiO2 層は、製造プロセス中に発生する可能性のある傷や損傷からシリコン ウェーハを保護します。
(2)表面不動態化
表面パッシベーション 熱成長した SiO2 の主な利点は、表面パッシベーションとして知られる効果であるダングリング ボンドを抑制することでシリコンの表面状態密度を低減できることです。
電気的劣化を防ぎ、湿気、イオン、その他の外部汚染物質によって引き起こされる漏れ電流の経路を減らします。硬い SiO2 層は、ポストプロダクション中に発生する可能性のある傷やプロセス損傷から Si を保護します。
Si 表面上に成長した SiO2 層は、Si 表面上の電気的に活性な汚染物質 (可動イオン汚染) と結合する可能性があります。パッシベーションは、接合デバイスのリーク電流を制御し、安定したゲート酸化物を成長させるためにも重要です。
高品質のパッシベーション層として、酸化層には均一な厚さ、ピンホールやボイドがないなどの品質要件があります。
酸化物層を Si 表面パッシベーション層として使用する場合のもう 1 つの要因は、酸化物層の厚さです。酸化物層は、シリコン表面への電荷の蓄積による金属層の帯電を防ぐのに十分な厚さでなければなりません。これは、通常のコンデンサの電荷蓄積および破壊特性と同様です。
SiO2 も Si と非常によく似た熱膨張係数を持っています。シリコンウェーハは高温プロセス中に膨張し、冷却中に収縮します。
SiO2 は Si の速度に非常に近い速度で膨張または収縮するため、熱プロセス中のシリコン ウェーハの反りが最小限に抑えられます。これにより、膜応力によるシリコン表面からの酸化膜の剥離も回避されます。
(3)ゲート酸化膜誘電体
MOS テクノロジーで最も一般的に使用され、重要なゲート酸化物構造では、非常に薄い酸化物層が誘電体材料として使用されます。ゲート酸化層とその下のSiは高品質で安定しているという特徴があるため、ゲート酸化層は熱成長によって得られるのが一般的です。
SiO2 は高い絶縁耐力 (107V/m) と高い抵抗率 (約 1017Ω・cm) を持っています。
MOS デバイスの信頼性の鍵は、ゲート酸化層の完全性です。 MOS デバイスのゲート構造は、電流の流れを制御します。この酸化物が電界効果技術によるマイクロチップの機能の基礎となるため、
したがって、高品質、優れた膜厚均一性、不純物を含まないことが基本条件となります。ゲート酸化膜構造の機能を低下させる可能性のある汚染は厳密に管理する必要があります。
(4)ドーピングバリア
SiO2 は、シリコン表面の選択的ドーピングのための効果的なマスキング層として使用できます。シリコン表面に酸化物層が形成されると、マスクの透明部分の SiO2 がエッチングされて窓が形成され、そこからドーピング材料がシリコン ウェーハに侵入します。
窓がない場合、酸化物がシリコン表面を保護し、不純物の拡散を防ぐことができるため、選択的な不純物の注入が可能になります。
SiO2 では Si に比べてドーパントの移動が遅いため、ドーパントをブロックするには薄い酸化物層だけが必要です (この速度は温度に依存することに注意してください)。
イオン注入が必要な領域に薄い酸化物層（例えば厚さ１５０Å）を使用することもでき、これを使用してシリコン表面への損傷を最小限に抑えることができる。
また、チャネリング効果を低減することで、不純物注入中の接合深さのより適切な制御も可能になります。注入後、酸化物をフッ化水素酸で選択的に除去し、シリコン表面を再び平坦にすることができます。
(5)金属層間の誘電体層
SiO2 は通常の状態では電気を通さないため、マイクロチップ内の金属層間の効果的な絶縁体として機能します。ワイヤ上の絶縁体が短絡を防ぐのと同じように、SiO2 は上部金属層と下部金属層の間の短絡を防ぐことができます。
酸化物の品質要件は、ピンホールやボイドがないことです。より効果的な流動性を得るためにドープされることが多く、これにより汚染の拡散を最小限に抑えることができます。通常、熱成長ではなく化学蒸着によって得られます。
反応ガスに応じて、酸化プロセスは通常次のように分けられます。
- ドライ酸素酸化：Si + O2→SiO2。
- 湿式酸素酸化: 2H2O (水蒸気) + Si→SiO2 + 2H2;
- 塩素ドープ酸化: 塩化水素 (HCl)、ジクロロエチレン DCE (C2H2Cl2) またはその誘導体などの塩素ガスを酸素に添加して、酸化速度と酸化層の品質を向上させます。
(1)ドライ酸素酸化プロセス: 反応ガス中の酸素分子は、すでに形成されている酸化層を通って拡散し、SiO2 と Si の界面に到達し、Si と反応して SiO2 層を形成します。
ドライ酸素酸化によって調製された SiO2 は、緻密な構造、均一な厚さ、注入および拡散に対する強力なマスキング能力、および高いプロセス再現性を備えています。デメリットは成長速度が遅いことです。
この方法は一般に、ゲート誘電体酸化や薄いバッファ層の酸化などの高品質の酸化、または厚いバッファ層の酸化中の酸化の開始と終了に使用されます。
(2)湿式酸素酸化プロセス: 水蒸気は酸素に直接運ばれることもあれば、水素と酸素の反応によって得られることもあります。酸化速度は、水素または水蒸気と酸素の分圧比を調整することで変えることができます。
安全性を確保するために、水素と酸素の比率は 1.88:1 を超えないよう注意してください。湿式酸素酸化は、反応ガス中に酸素と水蒸気の両方が存在することに起因し、水蒸気は高温で酸化水素 (H2O) に分解します。
酸化シリコン中の酸化水素の拡散速度は酸素の拡散速度よりもはるかに速いため、ウェット酸素の酸化速度はドライ酸素の酸化速度よりも約 1 桁速くなります。
(3)塩素ドープ酸化プロセス: 従来のドライ酸素酸化とウェット酸素酸化に加えて、塩化水素 (HCl)、ジクロロエチレン DCE (C2H2Cl2) またはその誘導体などの塩素ガスを酸素に添加して、酸化速度と酸化層の品質を向上させることができます。 。
酸化速度の増加の主な理由は、酸化のために塩素を添加すると、反応物中に酸化を促進する水蒸気が含まれるだけでなく、塩素が Si と SiO2 の界面付近に蓄積することです。酸素が存在すると、クロロシリコン化合物は酸化を触媒する酸化シリコンに容易に変換されます。
酸化物層の品質が向上する主な理由は、酸化物層内の塩素原子がナトリウムイオンの活性を浄化し、それによって装置やプロセス原材料のナトリウムイオン汚染によってもたらされる酸化欠陥を減らすことができるためです。したがって、塩素ドーピングは、ほとんどのドライ酸素酸化プロセスに関与します。
2.2 拡散プロセス
従来の拡散とは、物質が均一に分布するまで、高濃度の領域から低濃度の領域へ物質を移動させることを指します。拡散プロセスはフィックの法則に従います。拡散は 2 つ以上の物質間で発生する可能性があり、異なる領域間の濃度と温度の違いにより、物質の分布は均一な平衡状態になります。
半導体材料の最も重要な特性の 1 つは、さまざまな種類または濃度のドーパントを追加することで導電率を調整できることです。集積回路の製造では、このプロセスは通常、ドーピングまたは拡散プロセスを通じて実現されます。
設計目標に応じて、シリコン、ゲルマニウム、III-V 族化合物などの半導体材料は、ドナー不純物またはアクセプター不純物をドーピングすることで、N 型または P 型の 2 つの異なる半導体特性を得ることができます。
半導体ドーピングは主に拡散またはイオン注入の 2 つの方法で実行され、それぞれに独自の特徴があります。
拡散ドーピングは安価ですが、ドーピング材料の濃度と深さを正確に制御できません。
イオン注入は比較的高価ですが、ドーパント濃度プロファイルを正確に制御できます。
1970 年代以前は、集積回路グラフィックスのフィーチャー サイズは 10μm 程度であり、ドーピングには従来の熱拡散技術が一般的に使用されていました。
拡散プロセスは主に半導体材料を改質するために使用されます。さまざまな物質を半導体材料に拡散させることにより、その導電性やその他の物理的特性を変化させることができます。
たとえば、3価の元素であるホウ素をシリコンに拡散させると、P型半導体が形成されます。五価元素のリンまたはヒ素をドープすると、N型半導体が形成されます。より多くの正孔を有する P 型半導体がより多くの電子を有する N 型半導体と接触すると、PN 接合が形成されます。
フィーチャ サイズが縮小すると、等方性拡散プロセスによりドーパントがシールド酸化層の反対側に拡散し、隣接する領域間に短絡が生じる可能性があります。
一部の特殊な用途（均一に分布した高耐圧領域を形成するための長期拡散など）を除いて、拡散プロセスは徐々にイオン注入に置き換えられてきました。
しかし、10nm以下の世代の技術では、三次元フィン型電界効果トランジスタ(FinFET)デバイスのフィンのサイズが非常に小さいため、イオン注入によりその微細な構造が損傷してしまいます。固体ソース拡散プロセスを使用すると、この問題が解決される可能性があります。
2.3 劣化過程
アニーリングプロセスは、熱アニーリングとも呼ばれます。シリコンウェーハを高温環境に一定時間放置し、シリコンウェーハの表面または内部の微細構造を変化させ、特定のプロセス目的を達成するプロセスです。
アニーリングプロセスで最も重要なパラメータは温度と時間です。温度が高く、時間が長いほど、熱バジェットは大きくなります。
実際の集積回路の製造プロセスでは、熱収支は厳密に制御されます。プロセス フローに複数のアニーリング プロセスがある場合、サーマル バジェットは複数の熱処理の重ね合わせとして表すことができます。
しかし、プロセスノードの微細化に伴い、プロセス全体で許容できるサーマルバジェットはますます小さくなり、高温熱プロセスの温度は低くなり、時間は短くなります。
通常、アニーリングプロセスは、イオン注入、薄膜堆積、金属シリサイド形成などのプロセスと組み合わされます。最も一般的なのは、イオン注入後の熱アニールです。
イオン注入は基板原子に衝撃を与え、原子を元の格子構造から切り離し、基板格子に損傷を与えます。熱アニーリングは、イオン注入によって生じた格子損傷を修復することができ、注入された不純物原子を格子ギャップから格子サイトに移動させて活性化することもできます。
格子損傷の修復に必要な温度は約500℃、不純物の活性化に必要な温度は約950℃です。理論的には、アニール時間が長くなり、温度が高くなるほど、不純物の活性化率は高くなりますが、サーマルバジェットが高すぎると不純物の過剰な拡散が生じ、プロセスが制御不能になり、最終的にはデバイスや回路の性能低下を引き起こします。
したがって、製造技術の発展に伴い、従来の長時間炉アニーリングは徐々に急速熱アニーリング (RTA) に置き換えられてきました。
製造プロセスでは、一部の特定の膜は、膜の特定の物理的または化学的特性を変更するために、堆積後に熱アニール プロセスを受ける必要があります。たとえば、緩んだ膜は緻密になり、そのドライまたはウェット エッチング速度が変化します。
もう 1 つの一般的に使用されるアニール プロセスは、金属シリサイドの形成中に発生します。コバルト、ニッケル、チタンなどの金属膜がシリコンウェーハの表面にスパッタリングされ、比較的低温で急速熱アニールした後、金属とシリコンは合金を形成します。
特定の金属は、異なる温度条件下で異なる合金相を形成します。一般に、プロセス中に接触抵抗とボディ抵抗が低い合金相を形成することが望まれます。
さまざまな熱バジェット要件に従って、アニーリングプロセスは高温炉アニーリングと急速熱アニーリングに分けられます。
- 炉心管高温焼鈍:
これは、高温、長いアニーリング時間、そして高予算を必要とする伝統的なアニーリング方法です。
SOI基板を準備するための酸素注入絶縁技術や深井戸拡散プロセスなど、一部の特殊なプロセスで広く使用されています。このようなプロセスでは、一般に、完全な格子または均一な不純物分布を得るために、より高い熱バジェットが必要となります。
- 急速熱アニール:
これは、非常に急速な加熱/冷却と目標温度での短時間の滞留によってシリコン ウェーハを処理するプロセスであり、急速熱処理 (RTP) とも呼ばれます。
超浅接合の形成プロセスにおいて、急速熱アニールは格子欠陥の修復、不純物の活性化、不純物拡散の最小化の間の妥協点の最適化を達成し、先端技術ノードの製造プロセスでは不可欠です。
温度の上昇/下降プロセスと目標温度での短時間の滞在が合わせて、高速熱アニーリングのサーマル バジェットを構成します。
従来の急速熱アニールの温度は約 1000°C で、数秒かかります。近年、急速熱アニールの要件はますます厳しくなり、フラッシュアニール、スパイクアニール、レーザーアニールが徐々に発展し、アニール時間はミリ秒に達し、マイクロ秒やサブマイクロ秒にまで発展する傾向さえあります。
３． 3つの加熱処理装置
3.1 拡散酸化装置
拡散プロセスは、主に高温（通常900～1200℃）条件下での熱拡散の原理を利用して、シリコン基板に不純物元素を必要な深さで取り込み、特定の濃度分布を与え、シリコン基板の電気的特性を変化させます。材料を使用して半導体デバイス構造を形成します。
シリコン集積回路技術では、拡散プロセスは、集積回路内の PN 接合または抵抗器、コンデンサ、相互接続配線、ダイオード、トランジスタなどのコンポーネントを作成するために使用され、またコンポーネント間の絶縁にも使用されます。
ドーピング濃度の分布を正確に制御できないため、ウェーハ直径が 200 mm 以上の集積回路の製造では、拡散プロセスがイオン注入ドーピング プロセスに徐々に置き換えられてきましたが、重金属の場合には依然として少量が使用されています。ドーピングプロセス。
従来の拡散装置は横型拡散炉が主流で、少数ですが縦型拡散炉もあります。
横型拡散炉:
ウエハ径200mm以下の集積回路の拡散工程で広く使用されている熱処理装置です。特徴としては、加熱炉本体、反応管、ウエハを搭載した石英ボートが全て水平に配置されているため、ウエハ間の均一性が良いプロセス特性を有しています。
集積回路生産ラインの重要なフロントエンド装置の1つであるだけでなく、ディスクリートデバイス、パワーエレクトロニクスデバイス、光電子デバイス、光ファイバーなどの業界の拡散、酸化、アニーリング、合金化およびその他のプロセスでも広く使用されています。 。
縦型拡散炉:
一般に、集積回路プロセスで直径200mmや300mmのウエハを処理する際に使用されるバッチ式熱処理装置のことを指し、通称縦型炉と呼ばれています。
縦型拡散炉の構造上の特徴は、加熱炉本体、反応管、ウェハを搭載した石英ボートがすべて垂直に配置され、ウェハは水平に配置されることです。ウェーハ内での均一性が良く、高度な自動化、安定したシステムパフォーマンスという特徴があり、大規模集積回路生産ラインのニーズを満たすことができます。
縦型拡散炉は半導体集積回路の製造ラインにおける重要な装置の一つであり、パワーエレクトロニクスデバイス（IGBT）分野などの関連プロセスでもよく使われています。
縦型拡散炉は、ドライ酸素酸化、水素酸素合成酸化、酸窒化シリコン酸化などの酸化プロセスや、二酸化シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン（Si3N4）、原子層堆積などの薄膜成長プロセスに適用できます。
また、高温アニール、銅アニール、合金化プロセスでもよく使用されます。拡散プロセスに関しては、高濃度ドーピングプロセスでも縦型拡散炉が使用されることがあります。
3.2 急速焼鈍装置
急速熱処理（RTP）装置は、ウェハの温度をプロセスに必要な温度（200～1300℃）まで急速に上昇させ、急速に冷却することができる枚葉式熱処理装置です。加熱・冷却速度は通常20～250℃/秒です。
幅広いエネルギー源とアニーリング時間に加えて、RTP 装置は、優れたサーマルバジェット制御と優れた表面均一性 (特に大型ウェーハの場合)、イオン注入によって引き起こされたウェーハの損傷の修復など、他の優れたプロセス性能も備えています。複数のチャンバーで異なるプロセスステップを同時に実行できます。
さらに、RTP装置はプロセスガスを柔軟かつ迅速に変換および調整できるため、複数の熱処理プロセスを同じ熱処理プロセスで完了できます。
RTP 装置は、急速熱アニーリング (RTA) で最も一般的に使用されます。イオン注入後、イオン注入によって生じた損傷を修復し、ドープされたプロトンを活性化し、不純物の拡散を効果的に抑制するために、RTP 装置が必要です。
一般的に、格子欠陥を修復する温度は約 500℃ですが、ドープされた原子を活性化するには 950℃が必要です。不純物の活性化は時間と温度に関係します。時間が長くなるほど、温度が高くなるほど、不純物は十分に活性化されますが、不純物の拡散を阻害することはできません。
RTP装置は昇温・降温が速く、時間が短いという特徴があるため、イオン注入後のアニール工程において、格子欠陥修復、不純物活性化、不純物拡散抑制などのパラメータを最適に選択することができます。
RTAは主に以下の4つに分類されます:
(1)スパイクアニーリング
急加熱・急冷のプロセスに重点を置き、基本的に保温プロセスを持たないのが特徴です。スパイク アニーリングは非常に短時間高温点に留まり、その主な機能はドーピング元素を活性化することです。
実際のアプリケーションでは、ウェーハは一定の安定したスタンバイ温度点から急速に加熱され始め、目標温度点に到達するとすぐに冷却されます。
目標温度点（つまり、ピーク温度点）での維持時間が非常に短いため、アニールプロセスは、良好な欠陥アニール修復特性を備えながら、不純物の活性化の程度を最大化し、不純物の拡散の程度を最小限に抑えることができ、結果として、より高い接合品質と漏れ電流の低減を実現します。
スパイクアニーリングは、65nm以降の極浅接合プロセスで広く使用されています。スパイクアニーリングのプロセスパラメータには、主にピーク温度、ピーク滞留時間、温度発散、プロセス後のウェーハ抵抗が含まれます。
ピーク滞留時間は短ければ短いほど良い。これは主に温度制御システムの加熱/冷却速度に依存しますが、選択したプロセスガス雰囲気も一定の影響を与える場合があります。
たとえば、ヘリウムは原子体積が小さく、拡散速度が速いため、迅速かつ均一な熱伝達が促進され、ピーク幅またはピーク滞留時間を短縮できます。したがって、加熱と冷却を補助するためにヘリウムが選択されることがあります。
(2)ランプアニーリング
ランプアニール技術は広く使用されています。ハロゲンランプは一般に急速アニールの熱源として使用されます。高い加熱/冷却速度と正確な温度制御により、65nm を超える製造プロセスの要件を満たすことができます。
しかし、45nmプロセスの厳しい要件を完全に満たすことはできません（45nmプロセス後、ロジックLSIのニッケルとシリコンの接触が発生すると、ウエハは数ミリ秒以内に200℃から1000℃以上まで急速に加熱される必要があり、したがって、通常はレーザーアニーリングが必要です)。
(3)レーザーアニーリング
レーザーアニーリングは、レーザーを直接使用して、シリコン結晶が溶けるのに十分な温度までウェーハ表面の温度を急速に上昇させ、シリコン結晶を高度に活性化するプロセスです。
レーザーアニーリングの利点は、極めて高速な加熱と高感度な制御です。フィラメントの加熱が不要で、温度遅れやフィラメント寿命も基本的に問題ありません。
ただし、技術的な観点から見ると、レーザーアニールにはリーク電流と残留欠陥の問題があり、デバイスの性能にも一定の影響を及ぼします。
(4)フラッシュアニーリング
フラッシュアニールは、高強度の放射線を使用して特定の予熱温度でウェーハにスパイクアニールを実行するアニール技術です。
ウェーハを600～800℃に予熱し、高強度の放射線を短時間パルス照射します。ウェーハのピーク温度が必要なアニール温度に達すると、放射線は直ちにオフになります。
RTP 装置は、高度な集積回路製造においてますます使用されています。
RTP 装置は、RTA プロセスで広く使用されているだけでなく、急速熱酸化、急速熱窒化、急速熱拡散、急速化学蒸着、金属シリサイドの生成やエピタキシャル プロセスでも使用され始めています。
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投稿日時: 2024 年 8 月 27 日