硅衬底材料优于其他半导体材料的一个方面在于硅有能力承受高温过程。硅芯片的制造过程涉及700℃~1200℃高温工艺,如扩散、氧化、沉积及退火处理。本章内容包括标准的高温炉加热和快速加热工艺(RTP)。

 

简介

 

硅的天然氧化物二氧化硅是一种非常稳定且坚固的电介质材料,并容易通过高温过程形成,这是硅成为IC产业主要半导体材料的重要原因之一。IC的制造过程通常由氧化工艺开始,这个过程需要生长一层二氧化硅保护硅的表面,下图的IC流程中,硅晶圆将经过多次高温炉和快速加热处理过程,下图说明了IC制造过程。

 

加热工艺的硬件设备

 

简介

 

加热过程在高温炉中进行,高温炉一般称为扩散炉(Diffusion Furnace,DF),这是因为高温炉在早期的半导体工业中广泛应用于扩散掺杂。高温炉分为水平式和直立式两种,由石英管和加热组件在系统内的位置决定。高温炉必须具有稳定性、均匀性、精确的温度控制、低微粒污染、高生产率和可靠性,以及低成本。

 

高温炉一般包含五个基本组件,控制系统、工艺炉管、气体输送系统、气体排放系统和装载系统。应用在低压化学气相沉积工艺中的高温炉需要多加一个真空系统。下图为水平式高温炉示意图。

 

直立式炉管有许多优于水平式炉管的方面,如占地面积小、微粒污染较低、能处理大量晶圆、均匀性好以及维修成本低。将炉管和晶圆装载系统垂直放置也可以节省空间,制造工具有较小的占地面积很重要,因为先进生产工艺间中的高级无尘室空间相当昂贵。当晶圆直立堆叠放置时,大的微粒只会落在最上面的晶圆表面。先进半导体生产一般都使用直立式炉管。

 

高温炉加热的大部分零件由熔融石英制成,如晶圆载舟、晶舟承载架和晶圆塔座。石英就是单晶二氧化硅,在高温时非常稳定,缺点是易碎并带有金属杂质。由于石英不能阻挡钠离子,因此少量的钠离子可能会穿过炉管污染晶圆上的元器件。当温度高于1200℃时,表层剥离碎片将造成微粒污染。

 

碳化硅是另一种高温炉使用的材料,与石英相比,碳化硅有较强的热稳定性及较好的移动离子隔绝能力,缺点是比较重而且昂贵。当元器件尺寸进一步缩小时,高温炉将用更多的碳化硅组件满足工艺的需要。

 

控制系统

 

控制系统由一部计算机连接几个微控制器组成。每个微控制器再连接一个系统控制界面控制工艺程序,如晶圆装载及晶圆卸载、每个工艺过程处理的时间、工艺温度和升温速率、工艺气体的流量和气体排出等。同时也负责收集和分析工艺资料,制定工艺程序,追踪批量号码。下图为高温炉控制系统的功能图。

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