Proces i sprzęt półprzewodnikowy (3/7) - Proces i sprzęt grzewczy

1. Przegląd

Ogrzewanie, znane również jako obróbka termiczna, odnosi się do procesów produkcyjnych, które działają w wysokich temperaturach, zwykle wyższych niż temperatura topnienia aluminium.

Proces ogrzewania zwykle przeprowadza się w piecu wysokotemperaturowym i obejmuje główne procesy, takie jak utlenianie, dyfuzja zanieczyszczeń i wyżarzanie w celu naprawy defektów kryształu w produkcji półprzewodników.

Utlenianie: Jest to proces, podczas którego płytkę krzemową umieszcza się w atmosferze utleniaczy, takich jak tlen lub para wodna, w celu obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze, powodując reakcję chemiczną na powierzchni płytki krzemowej, w wyniku której tworzy się warstwa tlenku.

Dyfuzja zanieczyszczeń: odnosi się do stosowania zasad dyfuzji termicznej w warunkach wysokiej temperatury w celu wprowadzenia elementów zanieczyszczeń do podłoża krzemowego zgodnie z wymaganiami procesu, tak aby miał on określony rozkład stężeń, zmieniając w ten sposób właściwości elektryczne materiału krzemowego.

Wyżarzanie odnosi się do procesu podgrzewania płytki krzemowej po implantacji jonów w celu naprawy defektów sieci spowodowanych implantacją jonów.

Istnieją trzy podstawowe typy sprzętu stosowanego do utleniania/dyfuzji/wyżarzania:

• Piec poziomy;
• Piec pionowy;
• Piec do szybkiego ogrzewania: sprzęt do szybkiej obróbki cieplnej

Tradycyjne procesy obróbki cieplnej wykorzystują głównie długoterminową obróbkę wysokotemperaturową w celu wyeliminowania uszkodzeń spowodowanych implantacją jonów, jednak jej wadą jest niepełne usunięcie defektów i niska skuteczność aktywacji wszczepionych zanieczyszczeń.

Ponadto, ze względu na wysoką temperaturę wyżarzania i długi czas, prawdopodobne jest wystąpienie redystrybucji zanieczyszczeń, powodując dyfuzję dużej ilości zanieczyszczeń i niespełniającej wymagań dotyczących płytkich złączy i wąskiego rozkładu zanieczyszczeń.

Szybkie wyżarzanie termiczne płytek z implantem jonowym przy użyciu sprzętu do szybkiego przetwarzania termicznego (RTP) to metoda obróbki cieplnej, która podgrzewa całą płytkę do określonej temperatury (zwykle 400–1300°C) w bardzo krótkim czasie.

W porównaniu z wyżarzaniem w piecu ma zalety mniejszego budżetu cieplnego, mniejszego zakresu ruchu zanieczyszczeń w obszarze domieszkowania, mniejszych zanieczyszczeń i krótszego czasu przetwarzania.

W procesie szybkiego wyżarzania termicznego można wykorzystywać różne źródła energii, a zakres czasu wyżarzania jest bardzo szeroki (od 100 do 10-9 s, np. wyżarzanie lampowe, wyżarzanie laserowe itp.). Może całkowicie aktywować zanieczyszczenia, jednocześnie skutecznie tłumiąc redystrybucję zanieczyszczeń. Jest obecnie szeroko stosowany w wysokiej klasy procesach produkcji układów scalonych o średnicy płytek większej niż 200 mm.

2. Drugi proces ogrzewania

2.1 Proces utleniania

W procesie produkcji układów scalonych istnieją dwie metody tworzenia warstw tlenku krzemu: utlenianie termiczne i osadzanie.

Proces utleniania odnosi się do procesu tworzenia SiO2 na powierzchni płytek krzemowych w wyniku utleniania termicznego. Warstwa SiO2 utworzona w wyniku utleniania termicznego jest szeroko stosowana w procesie produkcji układów scalonych ze względu na doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i wykonalność procesu.

Do jego najważniejszych zastosowań należą:

• Chroń urządzenia przed zarysowaniami i zanieczyszczeniami;
• Ograniczenie izolacji polowej nośników naładowanych (pasywacja powierzchniowa);
• Materiały dielektryczne w strukturach tlenków bramek lub ogniw magazynujących;
• Maskowanie implantów w dopingu;
• Warstwa dielektryczna pomiędzy metalowymi warstwami przewodzącymi.

(1)Ochrona i izolacja urządzenia

SiO2 wyhodowany na powierzchni płytki (płytki krzemowej) może służyć jako skuteczna warstwa barierowa izolująca i chroniąca wrażliwe urządzenia w krzemie.

Ponieważ SiO2 jest materiałem twardym i nieporowatym (gęstym), można go stosować do skutecznej izolacji urządzeń aktywnych na powierzchni krzemu. Twarda warstwa SiO2 zabezpieczy płytkę krzemową przed zarysowaniami i uszkodzeniami, które mogą wystąpić w procesie produkcyjnym.

(2)Pasywacja powierzchni

Pasywacja powierzchni Główną zaletą termicznie hodowanego SiO2 jest to, że może on zmniejszyć gęstość stanu powierzchniowego krzemu poprzez ograniczenie jego zwisających wiązań, co jest efektem znanym jako pasywacja powierzchni.

Zapobiega degradacji elektrycznej i zmniejsza drogę prądu upływowego spowodowanego wilgocią, jonami lub innymi zanieczyszczeniami zewnętrznymi. Twarda warstwa SiO2 chroni Si przed zarysowaniami i uszkodzeniami procesowymi, które mogą wystąpić w trakcie postprodukcji.

Warstwa SiO2 wyhodowana na powierzchni Si może wiązać elektrycznie aktywne zanieczyszczenia (zanieczyszczenie jonami ruchomymi) na powierzchni Si. Pasywacja jest również ważna dla kontrolowania prądu upływowego urządzeń złączowych i wzrostu stabilnych tlenków bramek.

Jako wysokiej jakości warstwa pasywacyjna warstwa tlenkowa ma wymagania jakościowe, takie jak jednolita grubość, brak dziur i pustych przestrzeni.

Innym czynnikiem związanym ze stosowaniem warstwy tlenku jako warstwy pasywacji powierzchniowej Si jest grubość warstwy tlenku. Warstwa tlenku musi być wystarczająco gruba, aby zapobiec ładowaniu się warstwy metalu w wyniku gromadzenia się ładunku na powierzchni krzemu, co jest podobne do właściwości przechowywania ładunku i rozkładu zwykłych kondensatorów.

SiO2 ma również bardzo podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej do Si. Płytki krzemowe rozszerzają się podczas procesów wysokotemperaturowych i kurczą się podczas chłodzenia.

SiO2 rozszerza się lub kurczy w tempie bardzo zbliżonym do Si, co minimalizuje wypaczenie płytki krzemowej podczas procesu termicznego. Pozwala to również uniknąć oddzielenia się warstwy tlenku od powierzchni krzemu w wyniku naprężenia warstwy.

(3)Dielektryk tlenkowy bramki

W przypadku najczęściej stosowanej i najważniejszej struktury tlenku bramki w technologii MOS jako materiał dielektryczny stosowana jest niezwykle cienka warstwa tlenku. Ponieważ warstwa tlenku bramki i znajdujący się pod nią Si charakteryzują się wysoką jakością i stabilnością, warstwę tlenku bramki uzyskuje się zazwyczaj poprzez wzrost termiczny.

SiO2 ma wysoką wytrzymałość dielektryczną (107 V/m) i wysoką rezystywność (około 1017 Ω·cm).

Kluczem do niezawodności urządzeń MOS jest integralność warstwy tlenku bramki. Struktura bramki w urządzeniach MOS steruje przepływem prądu. Ponieważ tlenek ten jest podstawą funkcjonowania mikrochipów opartych na technologii efektu polowego,

Dlatego też wysoka jakość, doskonała jednorodność grubości powłoki i brak zanieczyszczeń to jej podstawowe wymagania. Wszelkie zanieczyszczenia, które mogą pogorszyć działanie struktury tlenkowej bramki, muszą być ściśle kontrolowane.

(4)Bariera dopingowa

SiO2 może być stosowany jako skuteczna warstwa maskująca do selektywnego domieszkowania powierzchni krzemu. Po utworzeniu warstwy tlenku na powierzchni krzemu SiO2 w przezroczystej części maski jest trawiony w celu utworzenia okna, przez które materiał domieszkujący może przedostać się do płytki krzemowej.

Tam, gdzie nie ma okien, tlenek może chronić powierzchnię krzemu i zapobiegać dyfuzji zanieczyszczeń, umożliwiając w ten sposób selektywną implantację zanieczyszczeń.

Domieszki poruszają się powoli w SiO2 w porównaniu z Si, więc do zablokowania domieszek potrzebna jest tylko cienka warstwa tlenku (należy pamiętać, że szybkość ta zależy od temperatury).

W obszarach, w których wymagana jest implantacja jonów, można również zastosować cienką warstwę tlenku (np. o grubości 150 Å), co można zastosować w celu zminimalizowania uszkodzeń powierzchni krzemu.

Pozwala także na lepszą kontrolę głębokości połączenia podczas implantacji zanieczyszczeń poprzez zmniejszenie efektu kanałowania. Po implantacji tlenek można selektywnie usunąć kwasem fluorowodorowym, aby powierzchnia krzemu ponownie była płaska.

(5)Warstwa dielektryczna pomiędzy warstwami metalu

SiO2 w normalnych warunkach nie przewodzi prądu elektrycznego, dlatego jest skutecznym izolatorem pomiędzy warstwami metalu w mikrochipach. SiO2 może zapobiegać zwarciom pomiędzy górną a dolną warstwą metalu, podobnie jak izolator na przewodzie może zapobiegać zwarciom.

Wymaganiem jakościowym dla tlenku jest to, aby był on wolny od porów i pustek. Często jest domieszkowany w celu uzyskania bardziej efektywnej płynności, co może lepiej zminimalizować dyfuzję zanieczyszczeń. Zwykle uzyskuje się go przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej, a nie przez wzrost termiczny.

W zależności od gazu reakcyjnego proces utleniania dzieli się zwykle na:

• Utlenianie suchym tlenem: Si + O2 → SiO2;
• Utlenianie tlenem na mokro: 2H2O (para wodna) + Si → SiO2 + 2H2;
• Utlenianie domieszkowane chlorem: Gazowy chlor, taki jak chlorowodór (HCl), dichloroetylen DCE (C2H2Cl2) lub jego pochodne, dodaje się do tlenu w celu poprawy szybkości utleniania i jakości warstwy tlenku.

(1)Proces suchego utleniania tlenem: Cząsteczki tlenu w gazie reakcyjnym dyfundują przez już utworzoną warstwę tlenku, docierają do granicy między SiO2 i Si, reagują z Si, a następnie tworzą warstwę SiO2.

SiO2 przygotowany metodą utleniania suchym tlenem ma gęstą strukturę, jednolitą grubość, silną zdolność maskowania przy wtryskiwaniu i dyfuzji oraz wysoką powtarzalność procesu. Jego wadą jest powolne tempo wzrostu.

Metodę tę powszechnie stosuje się do utleniania wysokiej jakości, takiego jak utlenianie dielektryczne bramki, utlenianie cienkiej warstwy buforowej lub do rozpoczynania utleniania i kończenia utleniania podczas utleniania z grubą warstwą buforową.

(2)Proces mokrego utleniania tlenem: Para wodna może być przenoszona bezpośrednio w tlenie lub można ją otrzymać w reakcji wodoru z tlenem. Szybkość utleniania można zmienić, dostosowując stosunek ciśnienia cząstkowego wodoru lub pary wodnej do tlenu.

Należy pamiętać, że aby zapewnić bezpieczeństwo, stosunek wodoru do tlenu nie powinien przekraczać 1,88:1. Utlenianie na mokro tlenem wynika z obecności zarówno tlenu, jak i pary wodnej w gazie reakcyjnym, a para wodna rozkłada się na tlenek wodoru (H O) w wysokich temperaturach.

Szybkość dyfuzji tlenku wodoru w tlenku krzemu jest znacznie większa niż w tlenie, więc szybkość utleniania mokrego tlenu jest o około jeden rząd wielkości większa niż szybkość utleniania suchego tlenu.

(3)Proces utleniania z domieszką chloru: Oprócz tradycyjnego utleniania suchym tlenem i mokrego utleniania tlenem, do tlenu można dodać chlor gazowy, taki jak chlorowodór (HCl), dichloroetylen DCE (C2H2Cl2) lub jego pochodne, aby poprawić szybkość utleniania i jakość warstwy tlenku .

Główną przyczyną wzrostu szybkości utleniania jest to, że gdy w celu utleniania dodaje się chlor, reagent zawiera nie tylko parę wodną, ​​która może przyspieszyć utlenianie, ale także chlor gromadzi się w pobliżu granicy faz pomiędzy Si i SiO2. W obecności tlenu związki chlorokrzemu łatwo przekształcają się w tlenek krzemu, który może katalizować utlenianie.

Głównym powodem poprawy jakości warstwy tlenkowej jest to, że atomy chloru w warstwie tlenkowej mogą oczyszczać aktywność jonów sodu, zmniejszając w ten sposób defekty utleniania spowodowane zanieczyszczeniem sprzętu i surowców procesowych jonami sodu. Dlatego w większości procesów utleniania suchym tlenem bierze udział domieszkowanie chlorem.

2.2 Proces dyfuzji

Tradycyjna dyfuzja odnosi się do przenoszenia substancji z obszarów o wyższym stężeniu do obszarów o niższym stężeniu, aż do ich równomiernego rozprowadzenia. Proces dyfuzji przebiega zgodnie z prawem Ficka. Dyfuzja może zachodzić pomiędzy dwiema lub większą liczbą substancji, a różnice w stężeniu i temperaturze pomiędzy różnymi obszarami powodują rozkład substancji do jednolitego stanu równowagi.

Jedną z najważniejszych właściwości materiałów półprzewodnikowych jest to, że ich przewodność można regulować poprzez dodanie różnych typów lub stężeń domieszek. W produkcji układów scalonych proces ten zwykle osiąga się poprzez procesy domieszkowania lub dyfuzji.

W zależności od celów projektowych materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem, german lub związki III-V, mogą uzyskać dwie różne właściwości półprzewodników, typu N lub typu P, poprzez domieszkowanie zanieczyszczeń donorowych lub akceptorowych.

Domieszkowanie półprzewodników przeprowadza się głównie dwiema metodami: dyfuzją lub implantacją jonów, z których każda ma swoją własną charakterystykę:

Domieszkowanie dyfuzyjne jest tańsze, ale nie można precyzyjnie kontrolować stężenia i głębokości materiału domieszkującego;

Choć implantacja jonów jest stosunkowo kosztowna, pozwala na precyzyjną kontrolę profili stężeń domieszek.

Przed latami siedemdziesiątymi rozmiar elementów graficznych układów scalonych był rzędu 10 μm, a do domieszkowania powszechnie stosowano tradycyjną technologię dyfuzji termicznej.

Proces dyfuzji stosowany jest głównie do modyfikacji materiałów półprzewodnikowych. Dyfundując różne substancje do materiałów półprzewodnikowych, można zmienić ich przewodność i inne właściwości fizyczne.

Na przykład poprzez dyfuzję trójwartościowego pierwiastka boru do krzemu powstaje półprzewodnik typu P; domieszkując pierwiastki pięciowartościowe fosforem lub arsenem, powstaje półprzewodnik typu N. Kiedy półprzewodnik typu P z większą liczbą dziur styka się z półprzewodnikiem typu N z większą liczbą elektronów, powstaje złącze PN.

W miarę zmniejszania się rozmiarów elementów proces dyfuzji izotropowej umożliwia dyfuzję domieszek na drugą stronę warstwy tlenku osłony, powodując zwarcia między sąsiadującymi obszarami.

Z wyjątkiem niektórych specjalnych zastosowań (takich jak długoterminowa dyfuzja w celu utworzenia równomiernie rozmieszczonych obszarów odpornych na wysokie napięcie), proces dyfuzji był stopniowo zastępowany implantacją jonów.

Jednakże w przypadku technologii poniżej 10 nm, ponieważ rozmiar żebra w trójwymiarowym tranzystorze polowym (FinFET) jest bardzo mały, implantacja jonów spowoduje uszkodzenie jego maleńkiej struktury. Zastosowanie procesu dyfuzji ze źródła stałego może rozwiązać ten problem.

2.3 Proces degradacji

Proces wyżarzania nazywany jest również wyżarzaniem termicznym. Proces polega na umieszczeniu płytki krzemowej w środowisku o wysokiej temperaturze na określony czas w celu zmiany mikrostruktury na powierzchni lub wewnątrz płytki krzemowej w celu osiągnięcia określonego celu procesu.

Najważniejszymi parametrami w procesie wyżarzania są temperatura i czas. Im wyższa temperatura i dłuższy czas, tym większy budżet cieplny.

W rzeczywistym procesie produkcji układów scalonych budżet termiczny jest ściśle kontrolowany. Jeśli w przebiegu procesu występuje wiele procesów wyżarzania, budżet termiczny można wyrazić jako superpozycję wielu obróbek cieplnych.

Jednak wraz z miniaturyzacją węzłów procesowych dopuszczalny budżet cieplny w całym procesie staje się coraz mniejszy, czyli temperatura procesu cieplnego wysokotemperaturowego staje się niższa, a czas staje się krótszy.

Zwykle proces wyżarzania łączy się z implantacją jonów, osadzaniem cienkowarstwowym, tworzeniem krzemku metalu i innymi procesami. Najbardziej powszechnym jest wyżarzanie termiczne po implantacji jonów.

Implantacja jonów będzie oddziaływać na atomy podłoża, powodując ich oderwanie od pierwotnej struktury sieci i uszkodzenie sieci podłoża. Wyżarzanie termiczne może naprawić uszkodzenia sieci spowodowane implantacją jonów, a także może przenieść wszczepione atomy zanieczyszczeń ze szczelin sieci do miejsc sieci, aktywując je w ten sposób.

Temperatura wymagana do naprawy uszkodzeń siatki wynosi około 500°C, a temperatura wymagana do aktywacji zanieczyszczeń wynosi około 950°C. Teoretycznie im dłuższy czas wyżarzania i im wyższa temperatura, tym wyższy stopień aktywacji zanieczyszczeń, ale zbyt duży budżet termiczny doprowadzi do nadmiernej dyfuzji zanieczyszczeń, czyniąc proces niekontrolowanym i ostatecznie powodując degradację wydajności urządzenia i obwodu.

Dlatego też wraz z rozwojem technologii wytwarzania tradycyjne, długotrwałe wyżarzanie piecowe zostało stopniowo zastąpione szybkim wyżarzaniem termicznym (RTA).

W procesie produkcyjnym niektóre specyficzne folie muszą zostać poddane procesowi wyżarzania termicznego po osadzeniu, aby zmienić pewne właściwości fizyczne lub chemiczne folii. Na przykład luźna warstwa staje się gęsta, zmieniając szybkość trawienia na sucho lub na mokro;

Inny powszechnie stosowany proces wyżarzania zachodzi podczas tworzenia krzemku metalu. Folie metalowe, takie jak kobalt, nikiel, tytan itp., Napyla się na powierzchnię płytki krzemowej, a po szybkim wyżarzaniu cieplnym w stosunkowo niskiej temperaturze metal i krzem mogą utworzyć stop.

Niektóre metale tworzą różne fazy stopowe w różnych warunkach temperaturowych. Ogólnie rzecz biorąc, oczekuje się utworzenia fazy stopu o niższej rezystancji styku i oporności ciała podczas procesu.

Zgodnie z różnymi wymaganiami dotyczącymi budżetu termicznego, proces wyżarzania dzieli się na wyżarzanie w piecu wysokotemperaturowym i szybkie wyżarzanie termiczne.

• Wyżarzanie rur w piecu w wysokiej temperaturze:

Jest to tradycyjna metoda wyżarzania charakteryzująca się wysoką temperaturą, długim czasem wyżarzania i wysokim budżetem.

W niektórych procesach specjalnych, takich jak technologia izolacji przez wtrysk tlenu w celu przygotowania substratów SOI i procesy dyfuzji w głębokich studniach, jest ona szeroko stosowana. Takie procesy zazwyczaj wymagają wyższego budżetu termicznego, aby uzyskać idealną siatkę lub równomierny rozkład zanieczyszczeń.

• Szybkie wyżarzanie termiczne:

Jest to proces przetwarzania płytek krzemowych poprzez niezwykle szybkie ogrzewanie/chłodzenie i krótki czas przebywania w temperaturze docelowej, czasami nazywany także szybką obróbką termiczną (RTP).

W procesie formowania ultrapłytkich złączy szybkie wyżarzanie termiczne zapewnia kompromisową optymalizację pomiędzy naprawą defektów sieci, aktywacją zanieczyszczeń i minimalizacją dyfuzji zanieczyszczeń i jest niezbędne w procesie wytwarzania zaawansowanych węzłów technologicznych.

Proces wzrostu/spadku temperatury i krótki pobyt w temperaturze docelowej razem tworzą budżet termiczny szybkiego wyżarzania termicznego.

Tradycyjne szybkie wyżarzanie termiczne ma temperaturę około 1000°C i trwa kilka sekund. W ostatnich latach wymagania dotyczące szybkiego wyżarzania termicznego stały się coraz bardziej rygorystyczne, a wyżarzanie rzutowe, wyżarzanie kolcowe i wyżarzanie laserowe stopniowo się rozwijały, przy czym czasy wyżarzania osiągały milisekundy, a nawet miały tendencję do zbliżania się do mikrosekund i submikrosekund.

3. Trzy urządzenia do procesu ogrzewania

3.1 Sprzęt do dyfuzji i utleniania

W procesie dyfuzji wykorzystuje się głównie zasadę dyfuzji termicznej w warunkach wysokiej temperatury (zwykle 900-1200 ℃), aby wprowadzić elementy zanieczyszczeń do podłoża krzemowego na wymaganej głębokości, aby nadać mu określony rozkład stężenia, w celu zmiany właściwości elektrycznych podłoża materiału i tworzą strukturę urządzenia półprzewodnikowego.

W technologii krzemowych układów scalonych proces dyfuzji wykorzystuje się do wytwarzania złączy PN lub elementów takich jak rezystory, kondensatory, okablowanie wzajemnych połączeń, diody i tranzystory w układach scalonych, a także służy do izolacji pomiędzy elementami.

Ze względu na brak możliwości dokładnego kontrolowania rozkładu stężenia domieszkowania, proces dyfuzyjny był stopniowo zastępowany procesem domieszkowania poprzez implantację jonów przy wytwarzaniu układów scalonych o średnicach płytek 200 mm i większych, ale niewielka ilość nadal jest stosowana w ciężkich procesy dopingowe.

Tradycyjny sprzęt dyfuzyjny to głównie poziome piece dyfuzyjne, istnieje również niewielka liczba pionowych pieców dyfuzyjnych.

Poziomy piec dyfuzyjny:

Jest to sprzęt do obróbki cieplnej szeroko stosowany w procesie dyfuzji układów scalonych o średnicy płytki mniejszej niż 200 mm. Charakteryzuje się tym, że korpus pieca grzewczego, rura reakcyjna i łódka kwarcowa przewożące wafle są umieszczone poziomo, dzięki czemu charakteryzuje się dobrą jednorodnością między waflami.

Jest to nie tylko jeden z ważnych czołowych urządzeń na linii produkcyjnej układów scalonych, ale także szeroko stosowany w dyfuzji, utlenianiu, wyżarzaniu, tworzeniu stopów i innych procesach w takich gałęziach przemysłu, jak urządzenia dyskretne, urządzenia energoelektroniczne, urządzenia optoelektroniczne i światłowody .

Pionowy piec dyfuzyjny:

Ogólnie odnosi się do urządzenia do okresowej obróbki cieplnej stosowanego w procesie układu scalonego płytek o średnicy 200 mm i 300 mm, powszechnie znanego jako piec pionowy.

Cechy konstrukcyjne pionowego pieca dyfuzyjnego polegają na tym, że korpus pieca grzewczego, rura reakcyjna i łódka kwarcowa przenosząca płytkę są umieszczone pionowo, a płytka jest umieszczona poziomo. Charakteryzuje się dobrą jednorodnością w obrębie płytki, wysokim stopniem automatyzacji i stabilną wydajnością systemu, która może zaspokoić potrzeby linii produkcyjnych obwodów scalonych na dużą skalę.

Pionowy piec dyfuzyjny jest jednym z ważnych urządzeń linii produkcyjnej półprzewodnikowych układów scalonych i jest również powszechnie stosowany w powiązanych procesach w dziedzinie urządzeń energoelektronicznych (IGBT) i tak dalej.

Pionowy piec dyfuzyjny ma zastosowanie w procesach utleniania, takich jak utlenianie suchym tlenem, utlenianie w procesie syntezy wodoru i tlenu, utlenianie tlenoazotku krzemu i procesach wzrostu cienkowarstwowego, takich jak dwutlenek krzemu, polikrzem, azotek krzemu (Si3N4) i osadzanie warstwy atomowej.

Jest również powszechnie stosowany w procesach wyżarzania w wysokiej temperaturze, wyżarzania miedzi i tworzenia stopów. Jeśli chodzi o proces dyfuzji, pionowe piece dyfuzyjne są czasami stosowane również w procesach ciężkiego domieszkowania.

3.2 Sprzęt do szybkiego wyżarzania

Urządzenia do szybkiego przetwarzania termicznego (RTP) to urządzenia do obróbki cieplnej pojedynczych płytek, które mogą szybko podnieść temperaturę płytki do temperatury wymaganej w procesie (200–1300°C) i szybko ją schłodzić. Szybkość ogrzewania/chłodzenia wynosi zazwyczaj 20–250°C/s.

Oprócz szerokiej gamy źródeł energii i czasu wyżarzania, urządzenia RTP charakteryzują się także innymi doskonałymi parametrami procesowymi, takimi jak doskonała kontrola budżetu termicznego i lepsza jednorodność powierzchni (szczególnie w przypadku płytek o dużych rozmiarach), naprawa uszkodzeń płytek spowodowanych implantacją jonów oraz w wielu komorach można jednocześnie przeprowadzać różne etapy procesu.

Ponadto urządzenia RTP umożliwiają elastyczną i szybką konwersję i regulację gazów procesowych, dzięki czemu wiele procesów obróbki cieplnej można przeprowadzić w tym samym procesie obróbki cieplnej.

Sprzęt RTP jest najczęściej stosowany w szybkim wyżarzaniu termicznym (RTA). Po implantacji jonów potrzebny jest sprzęt RTP, aby naprawić szkody spowodowane implantacją jonów, aktywować domieszkowane protony i skutecznie hamować dyfuzję zanieczyszczeń.

Ogólnie rzecz biorąc, temperatura naprawy defektów sieci wynosi około 500°C, podczas gdy do aktywacji domieszkowanych atomów wymagana jest temperatura 950°C. Aktywacja zanieczyszczeń jest związana z czasem i temperaturą. Im dłuższy czas i im wyższa temperatura, tym pełniej aktywują się zanieczyszczenia, ale nie sprzyja to hamowaniu dyfuzji zanieczyszczeń.

Ponieważ sprzęt RTP charakteryzuje się szybkim wzrostem/spadkiem temperatury i krótkim czasem trwania, proces wyżarzania po implantacji jonów może pozwolić na osiągnięcie optymalnego doboru parametrów spośród naprawy defektów sieci, aktywacji zanieczyszczeń i hamowania dyfuzji zanieczyszczeń.

RTA dzieli się głównie na cztery następujące kategorie:

(1)Wyżarzanie kolców

Jego cechą charakterystyczną jest to, że koncentruje się na szybkim procesie ogrzewania/chłodzenia, ale zasadniczo nie ma procesu zatrzymywania ciepła. Wyżarzanie kolcowe utrzymuje się w wysokiej temperaturze przez bardzo krótki czas, a jego główną funkcją jest aktywacja elementów domieszkujących.

W rzeczywistych zastosowaniach płytka zaczyna się szybko nagrzewać od pewnego stabilnego punktu temperatury gotowości i natychmiast ochładza się po osiągnięciu docelowej temperatury.

Ponieważ czas utrzymania w docelowym punkcie temperatury (tj. w punkcie temperatury szczytowej) jest bardzo krótki, proces wyżarzania może zmaksymalizować stopień aktywacji zanieczyszczeń i zminimalizować stopień dyfuzji zanieczyszczeń, mając jednocześnie dobre właściwości naprawy defektów poprzez wyżarzanie, co skutkuje wyższą jakość łączenia i niższy prąd upływowy.

Wyżarzanie kolcowe jest szeroko stosowane w procesach bardzo płytkich złączy po 65 nm. Parametry procesu wyżarzania kolczastego obejmują głównie temperaturę szczytową, szczytowy czas przebywania, rozbieżność temperatur i rezystancję płytki po procesie.

Im krótszy szczytowy czas przebywania, tym lepiej. Zależy to głównie od szybkości nagrzewania/chłodzenia układu kontroli temperatury, ale czasami wybrana atmosfera gazu procesowego również ma na to pewien wpływ.

Na przykład hel ma małą objętość atomową i dużą szybkość dyfuzji, co sprzyja szybkiemu i równomiernemu przenoszeniu ciepła i może zmniejszyć szerokość piku lub czas przebywania piku. Dlatego czasami do wspomagania ogrzewania i chłodzenia wybiera się hel.

(2)Wyżarzanie lampy

Technologia wyżarzania lampowego jest szeroko stosowana. Jako źródła ciepła szybko wyżarzającego stosuje się zwykle lampy halogenowe. Ich wysokie szybkości nagrzewania/chłodzenia i precyzyjna kontrola temperatury mogą spełnić wymagania procesów produkcyjnych powyżej 65 nm.

Nie jest jednak w stanie w pełni spełnić rygorystycznych wymagań procesu 45 nm (po procesie 45 nm, kiedy następuje kontakt niklowo-krzemowy logicznego LSI, płytka musi zostać szybko podgrzana z 200°C do ponad 1000°C w ciągu milisekund, dlatego zazwyczaj wymagane jest wyżarzanie laserowe).

(3)Wyżarzanie laserowe

Wyżarzanie laserowe to proces bezpośredniego wykorzystania lasera w celu szybkiego podniesienia temperatury powierzchni płytki do momentu, w którym wystarczy stopić kryształ krzemu, powodując jego silną aktywację.

Zaletami wyżarzania laserowego są niezwykle szybkie nagrzewanie i precyzyjna kontrola. Nie wymaga podgrzewania żarnika i w zasadzie nie ma problemów z opóźnieniem temperaturowym i żywotnością żarnika.

Jednakże z technicznego punktu widzenia wyżarzanie laserowe wiąże się z problemami związanymi z prądem upływowym i defektami pozostałości, co również będzie miało pewien wpływ na wydajność urządzenia.

(4)Wyżarzanie błyskawiczne

Wyżarzanie rzutowe to technologia wyżarzania, która wykorzystuje promieniowanie o dużym natężeniu do przeprowadzenia wyżarzania kolczastego na płytkach w określonej temperaturze wstępnego podgrzewania.

Płytkę podgrzewa się do temperatury 600-800°C, a następnie wykorzystuje promieniowanie o dużym natężeniu do krótkotrwałego naświetlania impulsowego. Kiedy szczytowa temperatura płytki osiągnie wymaganą temperaturę wyżarzania, promieniowanie zostaje natychmiast wyłączone.

Sprzęt RTP jest coraz częściej wykorzystywany w zaawansowanej produkcji układów scalonych.

Oprócz tego, że są szeroko stosowane w procesach RTA, urządzenia RTP zaczęto również stosować w szybkim utlenianiu termicznym, szybkim azotowaniu termicznym, szybkiej dyfuzji termicznej, szybkim chemicznym osadzaniu z fazy gazowej, a także wytwarzaniu krzemków metali i procesach epitaksjalnych.

—————————————————————————————————————————————————— ——

Semicera może zapewnićczęści grafitowe,miękki/sztywny filc,części z węglika krzemu,Części z węglika krzemu CVD, ICzęści pokryte SiC/TaCz pełnym procesem półprzewodnikowym w 30 dni.

Jeśli interesują Cię powyższe produkty półprzewodnikowe,Nie wahaj się z nami skontaktować po raz pierwszy.

Tel: +86-13373889683

WhatsAPP: +86-15957878134

Email: sales01@semi-cera.com