半導体発熱体について

熱処理は半導体プロセスにおいて欠かせない重要な工程の一つです。熱プロセスとは、ウェーハを特定のガスが充満した環境に置き、酸化・拡散・アニールなどの熱エネルギーを与えるプロセスです。

熱処理装置は主に酸化、拡散、焼鈍、合金の4種類のプロセスに使用されます。

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、ウェーハ表面に化学反応を起こして酸化膜を形成するプロセスであり、集積回路プロセスで最も広く使用されている基本プロセスの1つです。酸化膜の用途は幅広く、イオン注入の阻止層や注入貫通層（ダメージバッファ層）、表面パッシベーション、絶縁ゲート材料、デバイスの保護層、絶縁層、デバイス構造の誘電体層などとして使用できます。

拡散高温条件下では、プロセス要件に応じた不純物元素の熱拡散原理を利用して、特定の濃度分布を持つようにシリコン基板にドープされ、材料の電気的特性を変化させ、半導体デバイス構造を形成します。シリコン集積回路プロセスでは、抵抗、容量、配線、ダイオード、トランジスタなどのPN接合や集積回路を構成するために拡散プロセスが使用されます。

アニール熱アニーリング、集積回路プロセスとも呼ばれる、窒素およびその他の不活性雰囲気中での熱処理プロセスはすべてアニーリングと呼ばれます。その役割は主に格子欠陥を除去し、シリコン構造への格子損傷を除去することです。

合金これは、金属 (Al および Cu) とシリコン基板の良好なベースを形成するだけでなく、Cu 配線の結晶構造を安定化し、不純物を除去して配線の信頼性を向上させるために、シリコンウェハーを不活性ガスまたはアルゴン雰囲気に置くために通常必要とされる低温熱処理です。

熱処理装置は設備形態により縦型炉、横型炉、急速熱処理炉（Rapid Thermal Processing、RTP）に分けられます。

縦型炉:縦型炉の主な制御システムは、炉心管、ウエハ搬送システム、ガス分配システム、排気システム、制御システムの 5 つの部分に分かれています。ファーネスチューブはシリコンウェーハを加熱する場所であり、垂直石英ベローズ、マルチゾーン加熱抵抗線、加熱チューブスリーブで構成されています。ウェハ搬送システムの主な機能は、炉心管内でウェハをロードおよびアンロードすることです。ウェーハのロードとアンロードは、ウェーハ ラック テーブル、炉テーブル、ウェーハ ローディング テーブル、冷却テーブルの間を移動する自動機械によって行われます。ガス分配システムは、適切なガス流を炉管に送り、炉内の雰囲気を維持します。排ガス システムは炉管の一端の貫通穴に設置されており、ガスとその副生成物を完全に除去するために使用されます。制御システム (マイクロコントローラー) は、処理時間と温度の制御、一連の処理ステップ、ガスの種類、ガス流量、温度の上昇と下降の速度、ウェーハのロードとアンロードなどを含むすべての炉の動作を制御します。各マイクロコントローラーはホスト コンピューターとインターフェイスします。横型炉と比較して、縦型炉は設置面積を削減し、より優れた温度制御と均一性を可能にします。

横型炉:その石英管は水平に置かれ、シリコンウェーハを配置して加熱します。主要な制御システムは縦型炉と同様に 5 つのセクションに分かれています。

急速熱処理炉（RTP）: 急速昇温炉 (RTP) は、ハロゲン赤外線ランプを熱源として利用してウェーハ温度を処理温度まで急速に上昇させる小型の急速加熱システムで、プロセスの安定化に必要な時間を短縮し、プロセス終了時にウェーハを急速に冷却します。従来の縦型炉と比較して、RTP は温度制御がより高度であり、主な違いは急速加熱コンポーネント、特別なウェーハローディングデバイス、強制空冷、および優れた温度コントローラです。特別なウェーハローディングデバイスはウェーハ間のギャップを増加させ、ウェーハ間のより均一な加熱または冷却を可能にします。従来の縦型炉は温度測定と制御に熱電対を使用しますが、急速温度処理 (RTP) 炉はモジュール式の温度制御を使用し、ウェーハの個別の加熱と冷却を制御できます。さらに、大量のウェハ (150 ～ 200 枚のウェハ) とランプ レートの間にはトレードオフがあり、RTP は、同時に処理されるウェハの数が少なくなり、この小さなバッチ サイズによりプロセス内の局所的なエアフローも改善されるため、ランプ レートを高めるための小さなバッチ (50 ～ 100 枚のウェハ) に適しています。

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