Qタイム（待ち時間の上限）とは

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Qタイムとは、ある工程を終えたウェーハが次の工程へ入るまでの待ち時間に、上限を設ける管理のことです。 この放置時間はqueue timeとも書かれ、GeやSiGeのエピタキシャル成長、シリサイド用のメタル成膜など多くの工程で大切だと認識されています¹。

工場では待ちが当たり前ですが、ある区間の待ちは時間そのものが加工になります。洗浄を終えた直後のウェーハでは、次の成膜までの待ち時間が、そのまま表面の状態を左右します。

待ちが加工になる区間に、上限の時計を当てる

装置が埋まっていれば、FOUPはクリーンストッカーで順番を待ちます。前工程の加工に要する時間がばらつくため、次の工程を待つウェハを格納したFOUPは、ストッカーへ一時保管されます²。ここまでの待ちは、ロットの到着が遅れるだけの話です。

ウェーハが大気に触れると、表面が大気中の酸素と結びついて10〜20nmの酸化膜ができます³。この膜には大気中の不純物も含まれるため、汚染の一つに数えられます。洗浄後に大気中へ放置すると酸化や有機物の付着が進むので、洗浄後はウェーハの保管環境を厳しく管理する必要があり、洗浄装置内の搬送雰囲気とFOUP内の雰囲気がその対象です。Qタイムは、この区間へ上限の時計を当てる管理です。

時計を当てる区間は、下地がむき出しになるところ

放置時間の問題になる工程は、GeやSiGeのエピタキシャル成長、シリサイド用のメタル成膜で、製造上の課題とされています。共通するのは、下地のシリコン面がむき出しのまま次の工程を待つ点です。2012年時点の報告書では、SiGeのエピタキシャル成長の前に、自然酸化膜とウォーターマークを除いたシリコン面が要るとされています。金属を付ける相手の面も、待った分だけ変化します。

同じ待ちでも、上限の付く区間があります

同じ待ちでも、装置の空きを待つ区間と、上限の時計が付く区間があります。洗浄を終えた面は大気に触れた時間の分だけ酸化と有機物の付着が進むため、この区間の長さが次の成膜の出来を左右します。

待つ場所の空気まで指定する

待つあいだに触れるものも、待ちの長さと同じくらい作用します。化学増幅系のフォトレジストは微量の水素イオンの触媒作用で感度を高めているため、10ppbほどの低い濃度の塩基でも水素イオンが中和され、感光が妨げられてポイズニングと呼ばれる現像不良が起きます。アミンを生じうる工程は、Low-k膜とバリア層の成膜、ビアのエッチング、レジストのアッシングです。同じ長さの待ちでも、そばに何があるかで結果が変わります。

そこで、待つ場所の雰囲気を作ります。ダイフクは、製造期間が長くなり微細化が進んだことを背景に、FOUP内へ酸化防止の窒素を充填する例が増えているとしています。SCREENは、洗浄後の乾燥でもウェーハが大気に触れて汚染されるのを防ぐため、窒素ガスの中で乾燥させる方法が普及しているとしています。

待ちを消す組み方には、それぞれ代償が付く

待ち時間を短くする最短の道は、待ちの区間そのものを装置の中へ入れることです。洗浄直後の界面の状態を成膜まで保つ必要から、1枚ずつ洗浄した直後の界面を保てる環境のまま成膜チャンバへ入れるクラスタ方式も検討されています。表面クリーニング室、急速な酸化と窒化の室、High-k膜の成長室、ゲート電極膜の成長室を、雰囲気を管理したロボット室でまとめたクラスタツールがその例です。

デュアルダマシンのLow-k向けのエッチング装置とアッシング装置には、3つの組み方があります。単一のチャンバで多数の連続工程を流す道では、チャンバの履歴が次のウェーハへ影響するため、堆積した膜をクリーニングする機能が要ります。複数のチャンバを1つのシステムへまとめる道では、個々のチャンバは比較的安定するものの、能力の一番小さいチャンバで律速します。1工程につき1システムと割り切る道では、加工と加工の間の待ち時間に生じるウェーハ上の変化の管理が難しく、待ち時間そのものの増大でウェーハのタクトタイムも増大します。

待ちを消すほど、装置の組み方が高くつきます

左へ行くほど工程のあいだの待ちが消え、右へ行くほど待ちが露出します。待ちを消す組み方はクリーニングの手間や律速というかたちで代償を求めるため、どの工程にQタイムを付けるかという選び方が問われます。

現場は、ロットの順番を入れ替えて上限を守る

Qタイムは、ロット単位の時計として回ります。2007年版の国際半導体技術ロードマップでは、トータルのサイクルタイムを、待ち時間、ホールド時間、正味のプロセス時間、搬送時間の合計とします⁴。Qタイムが上限を与えるのは、このうちの待ち時間の一部です。

上限の付いたロットは、順番の入れ替えで守ります。東芝のMeister MESには、装置ごとに次に着工するロットを引き当てる着工ディスパッチと、装置への搬送指示を行う搬送ディスパッチを合わせたダイナミックディスパッチ機能と、ロット進捗の機能があります⁵。上限の近いロットを先へ回せば、そのロットは間に合います。そのぶん、後ろの通常のロットが待ちます。これがQタイムの取引です。

よくある質問（FAQ）

Qタイムとは何ですか？

ある工程を終えたウェーハが次の工程へ入るまでの待ち時間へ、上限を設ける管理です。この放置時間はqueue timeとも書かれ、GeやSiGeのエピタキシャル成長、シリサイド用のメタル成膜など多くの工程で大切だと認識されています。

なぜ待つと問題が起きるのですか？

待つあいだにウェーハの表面が変化するためです。ウェーハが大気に触れると表面が酸素と結びついて10〜20nmの酸化膜ができ、この膜は大気中の不純物も含むため汚染の一つに数えられます。

どの工程で上限が付きますか？

下地のシリコン面がむき出しになる区間です。GeやSiGeのエピタキシャル成長、シリサイド用のメタル成膜が放置時間の問題になる工程で、SiGeのエピタキシャル成長の前には自然酸化膜とウォーターマークを除いたシリコン面が要ります。

待つ場所の空気も管理するのですか？

管理します。洗浄後の保管環境は厳しく管理する必要があり、洗浄装置内の搬送雰囲気とFOUP内の雰囲気が対象です。FOUP内へ酸化防止の窒素を充填する例も増えています。

待ち時間の長さだけの問題ですか？

待つあいだに触れるものも作用します。化学増幅系のフォトレジストは微量の水素イオンの触媒作用で感度を高めているため、10ppbほどの低い濃度の塩基でも水素イオンが中和され、感光が妨げられてポイズニングと呼ばれる現像不良が起きます。

待ちをなくす方法はありますか？

待ちの区間を装置の中へ入れる方法があります。表面クリーニング室、急速な酸化と窒化の室、High-k膜の成長室、ゲート電極膜の成長室を、雰囲気を管理したロボット室でまとめたクラスタツールがその例です。

Qタイムを守ると何を差し出しますか？

順番と装置の自由度です。上限の近いロットを先へ回せば、後ろの通常のロットが待ちます。1工程につき1システムと割り切る組み方では、加工と加工の間の待ち時間に生じるウェーハ上の変化の管理が難しく、待ち時間そのものの増大でタクトタイムも増大します。

比較・違いを学ぶ

ロットとは── Qタイムの時計を当てる相手がロットです
洗浄（半導体）とは── 上限の時計が始まる代表的な工程です
枚葉式洗浄（シングルウェハ洗浄）とは── 1枚ずつ洗って直後の面を保つ方式です

出典

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