半導体

【半導体の基礎】加熱プロセスと装置

今日は、半導体の加熱プロセスと装置についてまとめてみます。

半導体の主な工程の加熱方法

まずは、半導体の主な工程ごとの加熱方法です。

熱酸化膜形成工程での加熱

加熱方法

熱酸化膜形成とは、シリコンウェハの表面を水蒸気や酸素と化学反応させて、酸化膜である二酸化ケイ素を形成する工程です。

これには、熱酸化炉(ファーネス)を使用する方法と、赤外線ランプアニール装置を使用する方法とがあります。

①熱酸化炉(ファーネス)

炉(ファーネス)はバッチ式の装置で、複数枚のウェハを外側から加熱します。

高温の雰囲気中で、シリコンウェハに水蒸気(H2O)か酸素(O2)を加えて熱酸化膜を形成します。

②赤外線ランプアニール装置

赤外線ランプアニール装置は短時間で急速に温度を上げて加熱することを特徴とします。ウェハを1枚ずつ加熱する枚葉式の装置です。

また、このように「短時間で急速に温度を上げて加熱すること」をラピッドサーマルプロセスRTP、Rapid Thermal Processing)といいます。

熱酸化膜形成時の化学式

Si+O2=SiO2

エッチング工程での加熱

加熱方法

エッチング装置内にウェハを乗せるステージがあり、ステージで直接ウェハを加熱してエッチング処理を行います。このステージ式の加熱装置は、先ほどの熱酸化膜形成のバッチ式とは反対に、ウェハを1枚ずつ加熱する「枚葉式(シングルウェハ式)」の装置です。

CVD(化学気相成長)工程での加熱

加熱方法

化学反応により薄膜を形成するCVD(化学気相成長)工程では、「加熱」という観点から「ホットウォール式」と「コールドウォール式」の2種類に分類できます。

①ホットウォール式

ホットウォール式では、上述した熱酸化膜形成と同様に、炉(ファーネス)を使用して加熱し薄膜形成します。バッチ式です。

②コールドウォール式

コールドウォール式では、上述したエッチング工程と同様に、ステージにウェハを乗せて直接加熱し薄膜形成します。枚葉式(シングルウェハ式)です。

不純物導入工程での加熱

不純物導入方法は、イオン注入法と熱拡散法の2種類に分かれます。

イオン注入後の加熱

イオン注入後、不純物は格子点に並んでいない不活性な状態のため、熱処理により活性化し結晶構造を整えます。

不純物を活性化する方法には、主に炉(ファーネス)を使うバッチ式の方法と、ハロゲンランプを使う枚葉式のラピッドサーマルアニール(RTA、Rapid Thermal Anneal)の2種類があります。

熱拡散法での加熱

熱拡散法では、炉(ファーネス)を使用して、高温雰囲気中で不純物を熱的に拡散させます。

半導体の主な工程ごとの加熱方法は以上です。

加熱方式による分類

これまで工程ごとに説明した加熱方法を、今度は加熱方式から表にまとめてみます。

加熱方式 仕組み バッチ式/枚葉式 主な目的(工程)
ファーネス 複数枚のウェハを外側から加熱する。 バッチ式
  • 熱酸化膜形成
  • CVD(ホットウォール式)
  • 不純物の熱拡散
ステージ式 ウェハを乗せるステージがあり、1枚ずつ加熱する。 枚葉式
  • エッチング
  • CVD(コールドウォール式)
RTP、RTA 短時間で急速に温度を上げて加熱する。赤外線ランプやハロゲンランプなどを使用。 枚葉式
  • 熱酸化膜形成
  • 不純物の活性化

RTPとRTAの違い

名称がよく似ているラピッドサーマルプロセス(RTP、Rapid Thermal Processing)とラピッドサーマルアニール(RTA、Rapid Thermal Anneal)。「一体何が違うの?」と思い、サイト情報をあれこれ調べてみました。

調べて分かったのは、

  • 「短時間で急速に温度を上げて加熱すること」をラピッドサーマルプロセスといい、ラピッドサーマルアニールはラピッドサーマルプロセスのうちの1つであること。
  • ラピッドサーマルアニールは主に「イオン注入後の不純物活性化のための熱処理」のことを指す。

ということです。

感想

関連サイトや書籍で自分なりに調べてまとめた上で、この記事の作成を始めましたが、いざ書き始めると矛盾点や疑問点などがいくつも湧いてきて、「調べては修正し…」の繰り返しでした。

とことん調べて分かったつもりでしたが、まだまだだったのだと実感しました。アウトプットって本当に大切ですね。

今後も半導体の勉強を続ける中で、更に修正する箇所が出てくるかもしれませんが、加熱の勉強は一旦ここまでにしたいと思います。

最後までお読みくださりありがとうございました。

参考サイト、書籍

  • https://vanes.co.jp/scene/
  • https://www.screen.co.jp/spe/technical/guide/deposition
  • http://www.inte.sakura.ne.jp/test/raichi/timp/timp.html
  • https://rakudokusyo.com/annealing-after-ion-implantation/
  • https://rakudokusyo.com/annealing-after-ion-implantation/#3
  • https://semi-net.com/word/RTA%28%E9%AB%98%E6%B8%A9%E7%9F%AD%E6%99%82%E9%96%93%E3%82%A2%E3%83%8B%E3%83%BC%E3%83%AB%29
  • https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%83%94%E3%83%83%E3%83%89%E3%82%B5%E3%83%BC%E3%83%9E%E3%83%AB%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%BB%E3%82%B9
  • はじめての半導体製造装置

 

※加熱プロセスについての、これまでの学習記録は下記の記事に記載しています。

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