半導體多片晶圓微波退火技術開發
摘要
半導體晶圓微波退火最大特色就是可較低溫完成退火目的[1-3]，這低熱預算(thermal budge)的退火製程對半導體製造是一大優勢。半導體在前段、後段或封裝製造製程裡，對摻質活化、缺陷修補或高分子固化等需作加熱退火改質。然而半導體製程隨著摩爾定律的演進，為避免摻質擴散或對材料結構的破壞，退火可容許的溫度較過去越來越低。半導體材料的成分鍵結可對微波能量直接吸收，進而產生振動或轉動達到低溫的退火目的。微波波長長穿透性高，很適合進行多片晶圓同時退火處理的開發，以達到提升產能的功效。
The most important feature of microwave annealing for semiconductor wafers is that they can complete the annealing at lower temperature. This low thermal budge annealing process is a great advantage for semiconductor manufacturing. Semiconductors are manufactured in the front-end, back-end, or packaging processes, and their dopant activation, defect repair, or polymer curing requires thermal annealing to do modification. However, with the evolution of Moore's Law, in order to avoid dopant diffusion or damaging material structure, the allowable temperature for annealing is getting lower and lower than in the past. The component bonding of the semiconductor material can directly absorb microwave energy, thereby generating vibration or rotation to achieve low-temperature annealing. The long wavelength of microwave has high permeability, which is very suitable for the development of simultaneous annealing of multiple wafers to achieve the effect of increasing productivity.
關鍵詞(Keywords)
微波、退火、半導體
Microwave, Annealing, Semiconductor
前言
中華民國半導體製造技術引領全球，隨著摩爾定律的演進，現已至五奈米世代，展望未來隨著閘極線寬的縮減，製程的熱預算(thermal budge)將較過去更為降低。因此，半導體低溫製程技術的開發將日益受到重視。
半導體製程特別在前段製程(FEOL)之淺接面(shallow junction)摻質活化(dopant activation)上，過去無論是使用快速升溫退火爐(RTA)或雷射(Laser)退火，都是用光學退火的高溫(>900℃)手段，達到摻質活化的目的。現階段五奈米製程摻質活化採用雷射退火，摻質容易受高溫擴散，因此退火時間必須能控制在微秒以下，而且雷射掃瞄路徑必須非常精準及避免重疊，以避免擴散現象的發生。未來在三奈米以下的製程，退火時間將可能縮至奈秒，製程參數調控將更形複雜。現階段微波退火時間雖然較長，然而微波頻段波長較長，電磁波穿透性較高，可達到多片晶圓同時退火之目的。
為增加晶圓微波退火的效果，若在晶圓上下使用高介電常數材料作為襯片(susceptor wafers)，因電磁波自高介電常數區進入低介電常數區的折射角大，很容易產生全反射的現象，故使用高介電常數材料達侷限並增強微波的功效，可提升晶圓吸收微波的效益。此外，高介電常數材料之微波吸收係數必須要低，以避免自身消耗掉微波的能量。微波退火腔體裡，可設計放置多組高介電常數材料/矽晶圓/高介電常數材料於石英支架上，達到多片晶圓同時退火之目的。
本文使用ANSYS及CST軟體進行襯片對晶圓退火影響分析，並探討不同高介電常數材料及矽晶圓間距對矽晶圓退火效益的影響，並使用四點探針以及二次離子質譜儀對矽晶圓退火成效進行評估。
高介電常數襯片
電磁波在不同介質的傳遞可藉由古典光學之斯涅爾定律(Snell’s law)解釋之:當光線由介電質1入射介電質2時，在介面上滿足斯涅爾定律[1]，反之亦然。
n1sinθi = n2sinθt (1)
or (εr1)1/2sinθi = (εr2)1/2sinθt (2)
其中θi 與θt分別為入射角與穿射角，θr為反射角; n1=εr11/2, n2=εr21/2； 值得注意的是當光線由光密介質(εr =εr2)入射光疏介質(εr =εr1)時，又當入射角θi＞臨界角θc時，會出現內全反射(total inner reflection) 的現象[1]，光線在密介質內傳遞類似光纖的傳遞，如圖一(a)所示，其中E為入射光線(電磁波)方向，Er為反射光線(電磁波)方向。當晶圓使用微波做退火時，電磁波自空氣介質進入介電常數材料時，若電磁波的θi＞θc(臨界角)，則電磁波會在介電常數材料內傳遞，如圖1(b)所示，若介電常數越高則θc越小，則被介電材料侷限住的電磁波電場強度就越大，越有利於感應驅動矽晶圓裡不規則排列原子移動至規則排列原子之位置上，亦即達到晶圓活化或修補晶圓缺陷的功能。
(a) (b)
圖1 (a)光線入射角>臨界角造成全反射的示意圖，(b)電磁波被高介電常數材料侷限現象的示意圖。
本研究使用之微波退火設備是一圓柱形腔體，圖二顯示使用ANSYS軟體進行不同介電常數材料，在2.45 GHz微波橫向電場環境下對微波吸收的模擬結果，其中藍色表示電場最弱，紅色表最強，強弱相差約1000倍。由圖二知介電常數越高對，則對微波的電場侷限性就越佳。
圖2 ANSYS模擬軟體模擬對不同介電常數之模擬結果
1.不同介電常數材料對微波退火的影響
表1顯示使用石英、碳化矽及氧化鋁等不同介電材料作為襯片的實驗結果，碳化矽材料介電常數雖較石英高，然其損耗因子亦較高，間接降低微波電場之侷限及增強的效果，故其對十二吋砷摻雜矽晶圓退火效果與石英相較其實差不多。氧化鋁材料介電常數(εr)高，但其損耗因子小，固氧化鋁材料對微波電場侷限及增強的效果較佳，故其對矽晶圓退火時間相較石英及碳化矽節省了23%，且砷活化效果提升了16%。
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