1. Επισκόπηση
Η θέρμανση, γνωστή και ως θερμική επεξεργασία, αναφέρεται σε διαδικασίες παραγωγής που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως υψηλότερες από το σημείο τήξης του αλουμινίου.
Η διαδικασία θέρμανσης πραγματοποιείται συνήθως σε κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας και περιλαμβάνει σημαντικές διεργασίες όπως η οξείδωση, η διάχυση ακαθαρσιών και η ανόπτηση για την επισκευή ελαττωμάτων κρυστάλλου στην κατασκευή ημιαγωγών.
Οξείδωση: Είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια γκοφρέτα πυριτίου τοποθετείται σε μια ατμόσφαιρα οξειδωτικών όπως οξυγόνο ή υδρατμοί για θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας, προκαλώντας μια χημική αντίδραση στην επιφάνεια της γκοφρέτας πυριτίου για να σχηματιστεί μια μεμβράνη οξειδίου.
Διάχυση ακαθαρσιών: αναφέρεται στη χρήση αρχών θερμικής διάχυσης σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας για την εισαγωγή στοιχείων ακαθαρσίας στο υπόστρωμα πυριτίου σύμφωνα με τις απαιτήσεις της διαδικασίας, έτσι ώστε να έχει μια συγκεκριμένη κατανομή συγκέντρωσης, μεταβάλλοντας έτσι τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού πυριτίου.
Η ανόπτηση αναφέρεται στη διαδικασία θέρμανσης της γκοφρέτας πυριτίου μετά την εμφύτευση ιόντων για την αποκατάσταση των ελαττωμάτων του πλέγματος που προκαλούνται από την εμφύτευση ιόντων.
Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι εξοπλισμού που χρησιμοποιούνται για οξείδωση/διάχυση/ανόπτηση:
- Οριζόντιος φούρνος;
- Κάθετος φούρνος;
- Κλίβανος ταχείας θέρμανσης: εξοπλισμός ταχείας θερμικής επεξεργασίας
Οι παραδοσιακές διαδικασίες θερμικής επεξεργασίας χρησιμοποιούν κυρίως μακροχρόνια επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας για την εξάλειψη της ζημίας που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων, αλλά τα μειονεκτήματά της είναι η ατελής αφαίρεση ελαττώματος και η χαμηλή απόδοση ενεργοποίησης των εμφυτευμένων ακαθαρσιών.
Επιπλέον, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας ανόπτησης και του μεγάλου χρόνου, είναι πιθανό να συμβεί ανακατανομή ακαθαρσιών, προκαλώντας τη διάχυση μεγάλης ποσότητας ακαθαρσιών και την αποτυχία να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των ρηχών συνδέσεων και της στενής κατανομής ακαθαρσιών.
Η ταχεία θερμική ανόπτηση γκοφρετών εμφυτευμένων με ιόντα χρησιμοποιώντας εξοπλισμό ταχείας θερμικής επεξεργασίας (RTP) είναι μια μέθοδος θερμικής επεξεργασίας που θερμαίνει ολόκληρο το πλακίδιο σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (γενικά 400-1300°C) σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα.
Σε σύγκριση με την ανόπτηση θέρμανσης σε φούρνο, έχει τα πλεονεκτήματα του λιγότερο θερμικού προϋπολογισμού, μικρότερο εύρος κίνησης ακαθαρσιών στην περιοχή ντόπινγκ, λιγότερη ρύπανση και μικρότερο χρόνο επεξεργασίας.
Η διαδικασία ταχείας θερμικής ανόπτησης μπορεί να χρησιμοποιήσει μια ποικιλία πηγών ενέργειας και το εύρος χρόνου ανόπτησης είναι πολύ μεγάλο (από 100 έως 10-9 δευτερόλεπτα, όπως ανόπτηση λαμπτήρων, ανόπτηση λέιζερ κ.λπ.). Μπορεί να ενεργοποιήσει πλήρως τις ακαθαρσίες ενώ καταστέλλει αποτελεσματικά την ανακατανομή ακαθαρσιών. Επί του παρόντος χρησιμοποιείται ευρέως σε διεργασίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων υψηλών προδιαγραφών με διαμέτρους πλακιδίων μεγαλύτερη από 200 mm.
2. Δεύτερη διαδικασία θέρμανσης
2.1 Διαδικασία οξείδωσης
Στη διαδικασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, υπάρχουν δύο μέθοδοι για το σχηματισμό φιλμ οξειδίου του πυριτίου: θερμική οξείδωση και εναπόθεση.
Η διαδικασία οξείδωσης αναφέρεται στη διαδικασία σχηματισμού SiO2 στην επιφάνεια πλακών πυριτίου με θερμική οξείδωση. Το φιλμ SiO2 που σχηματίζεται από θερμική οξείδωση χρησιμοποιείται ευρέως στη διαδικασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων ηλεκτρικής μόνωσης και της σκοπιμότητας της διαδικασίας.
Οι σημαντικότερες εφαρμογές του είναι οι εξής:
- Προστατέψτε τις συσκευές από γρατσουνιές και μόλυνση.
- Περιορισμός της απομόνωσης πεδίου φορτισμένων φορέων (επιφανειακή παθητικοποίηση).
- Διηλεκτρικά υλικά σε δομές οξειδίου πύλης ή κυψελών αποθήκευσης.
- Απόκρυψη εμφυτευμάτων στο ντόπινγκ.
- Ένα διηλεκτρικό στρώμα μεταξύ μεταλλικών αγώγιμων στρωμάτων.
(1)Προστασία και απομόνωση της συσκευής
Το SiO2 που αναπτύσσεται στην επιφάνεια μιας γκοφρέτας (γκοφρέτα πυριτίου) μπορεί να χρησιμεύσει ως αποτελεσματικό στρώμα φραγμού για την απομόνωση και προστασία των ευαίσθητων συσκευών μέσα στο πυρίτιο.
Επειδή το SiO2 είναι ένα σκληρό και μη πορώδες (πυκνό) υλικό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική απομόνωση ενεργών συσκευών στην επιφάνεια του πυριτίου. Το σκληρό στρώμα SiO2 θα προστατεύσει τη γκοφρέτα πυριτίου από γρατσουνιές και ζημιές που μπορεί να προκύψουν κατά τη διαδικασία κατασκευής.
(2)Επιφανειακή παθητικοποίηση
Επιφανειακή παθητικοποίηση Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του θερμικά αναπτυσσόμενου SiO2 είναι ότι μπορεί να μειώσει την πυκνότητα επιφανειακής κατάστασης του πυριτίου περιορίζοντας τους δεσμούς του, ένα φαινόμενο γνωστό ως επιφανειακή παθητικοποίηση.
Αποτρέπει την ηλεκτρική υποβάθμιση και μειώνει τη διαδρομή για ρεύμα διαρροής που προκαλείται από υγρασία, ιόντα ή άλλους εξωτερικούς ρύπους. Το σκληρό στρώμα SiO2 προστατεύει το Si από γρατσουνιές και ζημιές στη διαδικασία που μπορεί να προκύψουν κατά τη διάρκεια της μετά την παραγωγή.
Το στρώμα SiO2 που αναπτύσσεται στην επιφάνεια του Si μπορεί να δεσμεύσει τους ηλεκτρικά ενεργούς ρύπους (μόλυνση κινητών ιόντων) στην επιφάνεια του Si. Η παθητικοποίηση είναι επίσης σημαντική για τον έλεγχο του ρεύματος διαρροής των συσκευών διασταύρωσης και την ανάπτυξη σταθερών οξειδίων πύλης.
Ως στρώμα παθητικοποίησης υψηλής ποιότητας, το στρώμα οξειδίου έχει απαιτήσεις ποιότητας όπως ομοιόμορφο πάχος, χωρίς τρύπες και κενά.
Ένας άλλος παράγοντας στη χρήση ενός στρώματος οξειδίου ως στρώμα παθητικοποίησης επιφάνειας Si είναι το πάχος του στρώματος οξειδίου. Το στρώμα οξειδίου πρέπει να είναι αρκετά παχύ ώστε να αποτρέπει τη φόρτιση του μεταλλικού στρώματος λόγω συσσώρευσης φορτίου στην επιφάνεια του πυριτίου, η οποία είναι παρόμοια με τα χαρακτηριστικά αποθήκευσης φορτίου και διάσπασης των συνηθισμένων πυκνωτών.
Το SiO2 έχει επίσης πολύ παρόμοιο συντελεστή θερμικής διαστολής με το Si. Οι γκοφρέτες πυριτίου διαστέλλονται κατά τη διάρκεια διεργασιών υψηλής θερμοκρασίας και συστέλλονται κατά την ψύξη.
Το SiO2 διαστέλλεται ή συστέλλεται με ρυθμό πολύ κοντά σε αυτόν του Si, γεγονός που ελαχιστοποιεί τη στρέβλωση του πλακιδίου πυριτίου κατά τη διάρκεια της θερμικής διαδικασίας. Αυτό επίσης αποφεύγει τον διαχωρισμό του φιλμ οξειδίου από την επιφάνεια του πυριτίου λόγω της πίεσης του φιλμ.
(3)Διηλεκτρικό οξείδιο πύλης
Για την πιο συχνά χρησιμοποιούμενη και σημαντική δομή οξειδίου πύλης στην τεχνολογία MOS, χρησιμοποιείται ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα οξειδίου ως διηλεκτρικό υλικό. Δεδομένου ότι το στρώμα οξειδίου πύλης και το Si από κάτω έχουν τα χαρακτηριστικά υψηλής ποιότητας και σταθερότητας, το στρώμα οξειδίου πύλης γενικά λαμβάνεται με θερμική ανάπτυξη.
Το SiO2 έχει υψηλή διηλεκτρική αντοχή (107V/m) και υψηλή ειδική αντίσταση (περίπου 1017Ω·cm).
Το κλειδί για την αξιοπιστία των συσκευών MOS είναι η ακεραιότητα του στρώματος οξειδίου της πύλης. Η δομή της πύλης στις συσκευές MOS ελέγχει τη ροή του ρεύματος. Επειδή αυτό το οξείδιο είναι η βάση για τη λειτουργία των μικροτσίπ που βασίζονται στην τεχνολογία πεδίου,
Ως εκ τούτου, η υψηλή ποιότητα, η εξαιρετική ομοιομορφία πάχους μεμβράνης και η απουσία ακαθαρσιών είναι οι βασικές απαιτήσεις του. Οποιαδήποτε μόλυνση που μπορεί να υποβαθμίσει τη λειτουργία της δομής οξειδίου της πύλης πρέπει να ελέγχεται αυστηρά.
(4)Φράγμα ντόπινγκ
Το SiO2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αποτελεσματικό στρώμα κάλυψης για επιλεκτικό ντόπινγκ επιφάνειας πυριτίου. Μόλις σχηματιστεί ένα στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια του πυριτίου, το SiO2 στο διαφανές μέρος της μάσκας χαράσσεται για να σχηματίσει ένα παράθυρο μέσω του οποίου το υλικό ντόπινγκ μπορεί να εισέλθει στη γκοφρέτα πυριτίου.
Όπου δεν υπάρχουν παράθυρα, το οξείδιο μπορεί να προστατεύσει την επιφάνεια του πυριτίου και να αποτρέψει τη διάχυση ακαθαρσιών, επιτρέποντας έτσι την επιλεκτική εμφύτευση ακαθαρσιών.
Οι προσμείξεις κινούνται αργά στο SiO2 σε σύγκριση με το Si, επομένως χρειάζεται μόνο ένα λεπτό στρώμα οξειδίου για να μπλοκάρει τις προσμίξεις (σημειώστε ότι αυτός ο ρυθμός εξαρτάται από τη θερμοκρασία).
Ένα λεπτό στρώμα οξειδίου (π.χ. πάχους 150 Å) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε περιοχές όπου απαιτείται εμφύτευση ιόντων, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ελαχιστοποίηση της ζημιάς στην επιφάνεια του πυριτίου.
Επιτρέπει επίσης καλύτερο έλεγχο του βάθους της σύνδεσης κατά την εμφύτευση ακαθαρσιών μειώνοντας το αποτέλεσμα διοχέτευσης. Μετά την εμφύτευση, το οξείδιο μπορεί να αφαιρεθεί επιλεκτικά με υδροφθορικό οξύ για να γίνει ξανά επίπεδη η επιφάνεια του πυριτίου.
(5)Διηλεκτρική στρώση μεταξύ μεταλλικών στρωμάτων
Το SiO2 δεν άγει ηλεκτρισμό υπό κανονικές συνθήκες, επομένως είναι ένας αποτελεσματικός μονωτήρας μεταξύ μεταλλικών στρωμάτων σε μικροτσίπ. Το SiO2 μπορεί να αποτρέψει βραχυκυκλώματα μεταξύ του άνω μεταλλικού στρώματος και του κάτω μεταλλικού στρώματος, όπως ο μονωτήρας στο καλώδιο μπορεί να αποτρέψει βραχυκυκλώματα.
Η απαίτηση ποιότητας για το οξείδιο είναι να μην έχει τρύπες και κενά. Συχνά ντοπαρίζεται για να αποκτήσει πιο αποτελεσματική ρευστότητα, η οποία μπορεί να ελαχιστοποιήσει καλύτερα τη διάχυση της μόλυνσης. Συνήθως λαμβάνεται με χημική εναπόθεση ατμών και όχι με θερμική ανάπτυξη.
Ανάλογα με το αέριο της αντίδρασης, η διαδικασία οξείδωσης συνήθως χωρίζεται σε:
- Οξείδωση ξηρού οξυγόνου: Si + O2→SiO2;
- Οξείδωση υγρού οξυγόνου: 2H2O (υδροατμός) + Si→SiO2+2H2;
- Οξείδωση με πρόσμιξη χλωρίου: Αέριο χλώριο, όπως υδροχλώριο (HCl), διχλωροαιθυλένιο DCE (C2H2Cl2) ή τα παράγωγά του, προστίθεται στο οξυγόνο για τη βελτίωση του ρυθμού οξείδωσης και της ποιότητας του στρώματος οξειδίου.
(1)Διαδικασία ξηρής οξείδωσης οξυγόνου: Τα μόρια οξυγόνου στο αέριο αντίδρασης διαχέονται μέσω του ήδη σχηματισμένου στρώματος οξειδίου, φτάνουν στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ SiO2 και Si, αντιδρούν με το Si και στη συνέχεια σχηματίζουν ένα στρώμα SiO2.
Το SiO2 που παρασκευάζεται με ξηρή οξείδωση οξυγόνου έχει πυκνή δομή, ομοιόμορφο πάχος, ισχυρή ικανότητα κάλυψης για έγχυση και διάχυση και υψηλή επαναληψιμότητα της διαδικασίας. Το μειονέκτημά του είναι ότι ο ρυθμός ανάπτυξης είναι αργός.
Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται γενικά για οξείδωση υψηλής ποιότητας, όπως διηλεκτρική οξείδωση πύλης, οξείδωση λεπτού στρώματος ρυθμιστικού διαλύματος ή για έναρξη της οξείδωσης και τερματισμό της οξείδωσης κατά τη διάρκεια της οξείδωσης στο παχύ στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος.
(2)Διαδικασία υγρής οξείδωσης οξυγόνου: Οι υδρατμοί μπορούν να μεταφερθούν απευθείας στο οξυγόνο ή μπορούν να ληφθούν με την αντίδραση υδρογόνου και οξυγόνου. Ο ρυθμός οξείδωσης μπορεί να αλλάξει ρυθμίζοντας την αναλογία μερικής πίεσης υδρογόνου ή υδρατμών προς οξυγόνο.
Σημειώστε ότι για να διασφαλιστεί η ασφάλεια, η αναλογία υδρογόνου προς οξυγόνο δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1,88:1. Η υγρή οξείδωση οξυγόνου οφείλεται στην παρουσία τόσο οξυγόνου όσο και υδρατμών στο αέριο της αντίδρασης και οι υδρατμοί θα αποσυντεθούν σε οξείδιο του υδρογόνου (HO) σε υψηλές θερμοκρασίες.
Ο ρυθμός διάχυσης του οξειδίου του υδρογόνου στο οξείδιο του πυριτίου είναι πολύ ταχύτερος από αυτόν του οξυγόνου, επομένως ο ρυθμός οξείδωσης υγρού οξυγόνου είναι περίπου μία τάξη μεγέθους υψηλότερος από τον ρυθμό οξείδωσης ξηρού οξυγόνου.
(3)Διαδικασία οξείδωσης με πρόσμιξη χλωρίου: Εκτός από την παραδοσιακή ξηρή οξείδωση οξυγόνου και την οξείδωση υγρού οξυγόνου, αέριο χλώριο, όπως υδροχλώριο (HCl), διχλωροαιθυλένιο DCE (C2H2Cl2) ή τα παράγωγά του, μπορούν να προστεθούν στο οξυγόνο για τη βελτίωση του ρυθμού οξείδωσης και της ποιότητας του στρώματος οξειδίου .
Ο κύριος λόγος για την αύξηση του ρυθμού οξείδωσης είναι ότι όταν προστίθεται χλώριο για οξείδωση, όχι μόνο το αντιδρών περιέχει υδρατμούς που μπορεί να επιταχύνει την οξείδωση, αλλά το χλώριο συσσωρεύεται επίσης κοντά στη διεπαφή μεταξύ Si και SiO2. Παρουσία οξυγόνου, οι ενώσεις του χλωροπυριτίου μετατρέπονται εύκολα σε οξείδιο του πυριτίου, το οποίο μπορεί να καταλύσει την οξείδωση.
Ο κύριος λόγος για τη βελτίωση της ποιότητας του στρώματος οξειδίου είναι ότι τα άτομα χλωρίου στο στρώμα του οξειδίου μπορούν να καθαρίσουν τη δραστηριότητα των ιόντων νατρίου, μειώνοντας έτσι τα ελαττώματα οξείδωσης που προκαλούνται από τη μόλυνση με ιόντα νατρίου του εξοπλισμού και των πρώτων υλών επεξεργασίας. Ως εκ τούτου, το ντόπινγκ χλωρίου εμπλέκεται στις περισσότερες διαδικασίες ξηρής οξείδωσης οξυγόνου.
2.2 Διαδικασία διάχυσης
Η παραδοσιακή διάχυση αναφέρεται στη μεταφορά ουσιών από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωσης μέχρι να κατανεμηθούν ομοιόμορφα. Η διαδικασία διάχυσης ακολουθεί το νόμο του Fick. Η διάχυση μπορεί να συμβεί μεταξύ δύο ή περισσότερων ουσιών και οι διαφορές συγκέντρωσης και θερμοκρασίας μεταξύ διαφορετικών περιοχών οδηγούν την κατανομή των ουσιών σε μια ομοιόμορφη κατάσταση ισορροπίας.
Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες των ημιαγωγών υλικών είναι ότι η αγωγιμότητά τους μπορεί να ρυθμιστεί με την προσθήκη διαφορετικών τύπων ή συγκεντρώσεων προσμίξεων. Στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, αυτή η διαδικασία συνήθως επιτυγχάνεται μέσω διεργασιών ντόπινγκ ή διάχυσης.
Ανάλογα με τους σχεδιαστικούς στόχους, τα υλικά ημιαγωγών όπως το πυρίτιο, το γερμάνιο ή οι ενώσεις III-V μπορούν να αποκτήσουν δύο διαφορετικές ιδιότητες ημιαγωγών, τύπου N ή τύπου P, με ντόπινγκ με ακαθαρσίες δότη ή ακαθαρσίες δέκτη.
Το ντόπινγκ ημιαγωγών πραγματοποιείται κυρίως με δύο μεθόδους: διάχυση ή εμφύτευση ιόντων, καθεμία με τα δικά της χαρακτηριστικά:
Το ντόπινγκ διάχυσης είναι λιγότερο ακριβό, αλλά η συγκέντρωση και το βάθος του υλικού ντόπινγκ δεν μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια.
Ενώ η εμφύτευση ιόντων είναι σχετικά ακριβή, επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των προφίλ συγκέντρωσης προσμίξεων.
Πριν από τη δεκαετία του 1970, το μέγεθος χαρακτηριστικών των γραφικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ήταν της τάξης των 10μm και η παραδοσιακή τεχνολογία θερμικής διάχυσης χρησιμοποιήθηκε γενικά για ντόπινγκ.
Η διαδικασία διάχυσης χρησιμοποιείται κυρίως για την τροποποίηση υλικών ημιαγωγών. Με τη διάχυση διαφορετικών ουσιών σε ημιαγωγικά υλικά, η αγωγιμότητά τους και άλλες φυσικές ιδιότητες μπορούν να αλλάξουν.
Για παράδειγμα, με τη διάχυση του τρισθενούς στοιχείου βόριο σε πυρίτιο, σχηματίζεται ένας ημιαγωγός τύπου P. με ντόπινγκ πεντασθενών στοιχείων φωσφόρου ή αρσενικού, σχηματίζεται ένας ημιαγωγός τύπου Ν. Όταν ένας ημιαγωγός τύπου P με περισσότερες οπές έρχεται σε επαφή με έναν ημιαγωγό τύπου Ν με περισσότερα ηλεκτρόνια, σχηματίζεται μια ένωση PN.
Καθώς τα μεγέθη χαρακτηριστικών συρρικνώνονται, η διαδικασία ισοτροπικής διάχυσης καθιστά δυνατή τη διάχυση των προσμείξεων στην άλλη πλευρά του στρώματος οξειδίου της θωράκισης, προκαλώντας σορτς μεταξύ γειτονικών περιοχών.
Εκτός από ορισμένες ειδικές χρήσεις (όπως η μακροπρόθεσμη διάχυση για να σχηματιστούν ομοιόμορφα κατανεμημένες ανθεκτικές περιοχές υψηλής τάσης), η διαδικασία διάχυσης έχει σταδιακά αντικατασταθεί από εμφύτευση ιόντων.
Ωστόσο, στη γενιά τεχνολογίας κάτω των 10 nm, καθώς το μέγεθος του πτερυγίου στη συσκευή τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (FinFET) τρισδιάστατου πτερυγίου είναι πολύ μικρό, η εμφύτευση ιόντων θα βλάψει τη μικροσκοπική δομή του. Η χρήση της διαδικασίας διάχυσης στερεάς πηγής μπορεί να λύσει αυτό το πρόβλημα.
2.3 Διαδικασία αποδόμησης
Η διαδικασία ανόπτησης ονομάζεται επίσης θερμική ανόπτηση. Η διαδικασία είναι να τοποθετηθεί η γκοφρέτα πυριτίου σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας για ορισμένο χρονικό διάστημα για να αλλάξει η μικροδομή στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό της πλακέτας πυριτίου για να επιτευχθεί ένας συγκεκριμένος σκοπός διεργασίας.
Οι πιο κρίσιμες παράμετροι στη διαδικασία ανόπτησης είναι η θερμοκρασία και ο χρόνος. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία και όσο μεγαλύτερος ο χρόνος, τόσο μεγαλύτερος είναι ο θερμικός προϋπολογισμός.
Στην πραγματική διαδικασία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ο θερμικός προϋπολογισμός ελέγχεται αυστηρά. Εάν υπάρχουν πολλαπλές διεργασίες ανόπτησης στη ροή της διεργασίας, ο θερμικός προϋπολογισμός μπορεί να εκφραστεί ως η υπέρθεση πολλαπλών θερμικών επεξεργασιών.
Ωστόσο, με τη σμίκρυνση των κόμβων διεργασίας, ο επιτρεπόμενος θερμικός προϋπολογισμός σε όλη τη διαδικασία γίνεται όλο και μικρότερος, δηλαδή η θερμοκρασία της θερμικής διαδικασίας υψηλής θερμοκρασίας μειώνεται και ο χρόνος μειώνεται.
Συνήθως, η διαδικασία ανόπτησης συνδυάζεται με εμφύτευση ιόντων, εναπόθεση λεπτής μεμβράνης, σχηματισμό μεταλλικού πυριτίου και άλλες διεργασίες. Η πιο συνηθισμένη είναι η θερμική ανόπτηση μετά την εμφύτευση ιόντων.
Η εμφύτευση ιόντων θα επηρεάσει τα άτομα του υποστρώματος, με αποτέλεσμα να αποσπαστούν από την αρχική δομή του πλέγματος και να καταστρέψουν το πλέγμα του υποστρώματος. Η θερμική ανόπτηση μπορεί να επιδιορθώσει τη βλάβη του πλέγματος που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων και μπορεί επίσης να μετακινήσει τα εμφυτευμένα άτομα ακαθαρσίας από τα κενά του πλέγματος στις θέσεις του πλέγματος, ενεργοποιώντας τα έτσι.
Η θερμοκρασία που απαιτείται για την επισκευή ζημιάς στο πλέγμα είναι περίπου 500°C και η θερμοκρασία που απαιτείται για την ενεργοποίηση ακαθαρσιών είναι περίπου 950°C. Θεωρητικά, όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος ανόπτησης και όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός ενεργοποίησης των ακαθαρσιών, αλλά πολύ υψηλός θερμικός προϋπολογισμός θα οδηγήσει σε υπερβολική διάχυση ακαθαρσιών, καθιστώντας τη διαδικασία ανεξέλεγκτη και προκαλώντας τελικά υποβάθμιση της απόδοσης της συσκευής και του κυκλώματος.
Ως εκ τούτου, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας κατασκευής, η παραδοσιακή μακροχρόνια ανόπτηση σε φούρνο έχει σταδιακά αντικατασταθεί από την ταχεία θερμική ανόπτηση (RTA).
Στη διαδικασία κατασκευής, ορισμένες συγκεκριμένες μεμβράνες πρέπει να υποβληθούν σε διαδικασία θερμικής ανόπτησης μετά την εναπόθεση για να αλλάξουν ορισμένες φυσικές ή χημικές ιδιότητες της μεμβράνης. Για παράδειγμα, ένα χαλαρό φιλμ γίνεται πυκνό, αλλάζοντας το ρυθμό ξηρής ή υγρής χάραξης.
Μια άλλη συνήθως χρησιμοποιούμενη διαδικασία ανόπτησης λαμβάνει χώρα κατά τον σχηματισμό μεταλλικού πυριτίου. Μεταλλικές μεμβράνες όπως κοβάλτιο, νικέλιο, τιτάνιο κ.λπ. διασκορπίζονται στην επιφάνεια της γκοφρέτας πυριτίου και μετά από ταχεία θερμική ανόπτηση σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία, το μέταλλο και το πυρίτιο μπορούν να σχηματίσουν ένα κράμα.
Ορισμένα μέταλλα σχηματίζουν διαφορετικές φάσεις κράματος κάτω από διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας. Γενικά, αναμένεται να σχηματιστεί μια φάση κράματος με χαμηλότερη αντίσταση επαφής και αντίσταση σώματος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.
Σύμφωνα με τις διαφορετικές απαιτήσεις θερμικού προϋπολογισμού, η διαδικασία ανόπτησης χωρίζεται σε ανόπτηση σε φούρνο υψηλής θερμοκρασίας και ταχεία θερμική ανόπτηση.
- Ανόπτηση σωλήνων κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας:
Είναι μια παραδοσιακή μέθοδος ανόπτησης με υψηλή θερμοκρασία, μεγάλο χρόνο ανόπτησης και υψηλό προϋπολογισμό.
Σε ορισμένες ειδικές διεργασίες, όπως η τεχνολογία απομόνωσης με έγχυση οξυγόνου για την προετοιμασία υποστρωμάτων SOI και διεργασίες διάχυσης σε βαθιά φρεάτια, χρησιμοποιείται ευρέως. Τέτοιες διεργασίες γενικά απαιτούν υψηλότερο θερμικό προϋπολογισμό για να επιτευχθεί ένα τέλειο πλέγμα ή ομοιόμορφη κατανομή ακαθαρσιών.
- Ταχεία θερμική ανόπτηση:
Είναι η διαδικασία επεξεργασίας πλακών πυριτίου με εξαιρετικά γρήγορη θέρμανση/ψύξη και σύντομη παραμονή στη θερμοκρασία στόχο, που μερικές φορές ονομάζεται επίσης Ταχεία Θερμική Επεξεργασία (RTP).
Στη διαδικασία σχηματισμού εξαιρετικά ρηχών συνδέσμων, η ταχεία θερμική ανόπτηση επιτυγχάνει μια συμβιβαστική βελτιστοποίηση μεταξύ επιδιόρθωσης ελαττωμάτων πλέγματος, ενεργοποίησης ακαθαρσιών και ελαχιστοποίησης της διάχυσης ακαθαρσιών και είναι απαραίτητη στη διαδικασία κατασκευής κόμβων προηγμένης τεχνολογίας.
Η διαδικασία αύξησης/πτώσης θερμοκρασίας και η σύντομη παραμονή στη θερμοκρασία στόχο αποτελούν μαζί τον θερμικό προϋπολογισμό της ταχείας θερμικής ανόπτησης.
Η παραδοσιακή ταχεία θερμική ανόπτηση έχει θερμοκρασία περίπου 1000°C και διαρκεί δευτερόλεπτα. Τα τελευταία χρόνια, οι απαιτήσεις για ταχεία θερμική ανόπτηση έχουν γίνει ολοένα και πιο αυστηρές και η ανόπτηση με φλας, η ανόπτηση με ακίδες και η ανόπτηση με λέιζερ έχουν αναπτυχθεί σταδιακά, με τους χρόνους ανόπτησης να φτάνουν τα χιλιοστά του δευτερολέπτου και ακόμη και να τείνουν να αναπτύσσονται προς τα μικροδευτερόλεπτα και τα υπομικροδευτερόλεπτα.
3 . Τρεις εξοπλισμός διαδικασίας θέρμανσης
3.1 Εξοπλισμός διάχυσης και οξείδωσης
Η διαδικασία διάχυσης χρησιμοποιεί κυρίως την αρχή της θερμικής διάχυσης σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας (συνήθως 900-1200℃) για να ενσωματώσει στοιχεία ακαθαρσίας στο υπόστρωμα πυριτίου σε ένα απαιτούμενο βάθος για να του δώσει μια συγκεκριμένη κατανομή συγκέντρωσης, προκειμένου να αλλάξει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικό και σχηματίζουν μια δομή συσκευής ημιαγωγών.
Στην τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πυριτίου, η διαδικασία διάχυσης χρησιμοποιείται για την κατασκευή συνδέσμων PN ή εξαρτημάτων όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, καλωδιώσεις διασύνδεσης, διόδους και τρανζίστορ σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, και χρησιμοποιείται επίσης για την απομόνωση μεταξύ εξαρτημάτων.
Λόγω της αδυναμίας ακριβούς ελέγχου της κατανομής της συγκέντρωσης ντόπινγκ, η διαδικασία διάχυσης έχει σταδιακά αντικατασταθεί από τη διαδικασία ντόπινγκ εμφύτευσης ιόντων στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με διάμετρο γκοφρέτας 200 mm και άνω, αλλά μια μικρή ποσότητα εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε βαριά διαδικασίες ντόπινγκ.
Ο παραδοσιακός εξοπλισμός διάχυσης είναι κυρίως οριζόντιοι κλιβάνοι διάχυσης και υπάρχει επίσης ένας μικρός αριθμός κλιβάνων κάθετης διάχυσης.
Οριζόντιος κλίβανος διάχυσης:
Είναι ένας εξοπλισμός θερμικής επεξεργασίας που χρησιμοποιείται ευρέως στη διαδικασία διάχυσης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με διάμετρο πλακιδίων μικρότερη από 200 mm. Τα χαρακτηριστικά του είναι ότι το σώμα του κλιβάνου θέρμανσης, ο σωλήνας αντίδρασης και οι γκοφρέτες που μεταφέρουν το σκάφος χαλαζία είναι όλα τοποθετημένα οριζόντια, επομένως έχει τα χαρακτηριστικά διαδικασίας της καλής ομοιομορφίας μεταξύ των πλακών.
Δεν είναι μόνο ένας από τους σημαντικότερους εξοπλισμούς front-end στη γραμμή παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, αλλά επίσης χρησιμοποιείται ευρέως σε διάχυση, οξείδωση, ανόπτηση, κράμα και άλλες διεργασίες σε βιομηχανίες όπως διακριτές συσκευές, ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος, οπτοηλεκτρονικές συσκευές και οπτικές ίνες .
Κάθετος κλίβανος διάχυσης:
Γενικά αναφέρεται σε εξοπλισμό θερμικής επεξεργασίας παρτίδας που χρησιμοποιείται στη διαδικασία ολοκληρωμένου κυκλώματος για γκοφρέτες με διάμετρο 200 mm και 300 mm, κοινώς γνωστός ως κατακόρυφος φούρνος.
Τα δομικά χαρακτηριστικά του κλιβάνου κατακόρυφης διάχυσης είναι ότι το σώμα του κλιβάνου θέρμανσης, ο σωλήνας αντίδρασης και το σκάφος χαλαζία που μεταφέρει τη γκοφρέτα είναι όλα τοποθετημένα κάθετα και η γκοφρέτα τοποθετείται οριζόντια. Έχει τα χαρακτηριστικά της καλής ομοιομορφίας εντός της γκοφρέτας, του υψηλού βαθμού αυτοματισμού και της σταθερής απόδοσης του συστήματος, που μπορεί να καλύψει τις ανάγκες γραμμών παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας.
Ο κλίβανος κάθετης διάχυσης είναι ένας από τους σημαντικότερους εξοπλισμούς στη γραμμή παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ημιαγωγών και χρησιμοποιείται επίσης συνήθως σε σχετικές διαδικασίες στους τομείς των ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος (IGBT) και ούτω καθεξής.
Ο κλίβανος κάθετης διάχυσης μπορεί να εφαρμοστεί σε διαδικασίες οξείδωσης όπως οξείδωση ξηρού οξυγόνου, οξείδωση σύνθεσης υδρογόνου-οξυγόνου, οξείδωση οξυνιτριδίου του πυριτίου και διεργασίες ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης όπως διοξείδιο του πυριτίου, πολυπυρίτιο, νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) και απομάκρυνση ατομικής στιβάδας.
Χρησιμοποιείται επίσης συνήθως σε διαδικασίες ανόπτησης υψηλής θερμοκρασίας, ανόπτησης χαλκού και κραμάτων. Όσον αφορά τη διαδικασία διάχυσης, οι κάμινοι κάθετης διάχυσης μερικές φορές χρησιμοποιούνται επίσης σε διεργασίες βαρέως ντόπινγκ.
3.2 Εξοπλισμός ταχείας ανόπτησης
Ο εξοπλισμός Rapid Thermal Processing (RTP) είναι ένας εξοπλισμός θερμικής επεξεργασίας ενός πλακιδίου που μπορεί να αυξήσει γρήγορα τη θερμοκρασία του πλακιδίου στη θερμοκρασία που απαιτείται από τη διαδικασία (200-1300°C) και μπορεί να το κρυώσει γρήγορα. Ο ρυθμός θέρμανσης/ψύξης είναι γενικά 20-250°C/s.
Εκτός από ένα ευρύ φάσμα πηγών ενέργειας και χρόνου ανόπτησης, ο εξοπλισμός RTP έχει επίσης και άλλες εξαιρετικές επιδόσεις διεργασιών, όπως εξαιρετικό έλεγχο του θερμικού προϋπολογισμού και καλύτερη ομοιομορφία επιφάνειας (ειδικά για γκοφρέτες μεγάλου μεγέθους), επιδιόρθωση ζημιών γκοφρέτας που προκαλούνται από εμφύτευση ιόντων και πολλαπλοί θάλαμοι μπορούν να εκτελούν διαφορετικά βήματα διαδικασίας ταυτόχρονα.
Επιπλέον, ο εξοπλισμός RTP μπορεί ευέλικτα και γρήγορα να μετατρέπει και να προσαρμόζει τα αέρια διεργασίας, έτσι ώστε να μπορούν να ολοκληρωθούν πολλαπλές διεργασίες θερμικής επεξεργασίας στην ίδια διαδικασία θερμικής επεξεργασίας.
Ο εξοπλισμός RTP χρησιμοποιείται πιο συχνά στην ταχεία θερμική ανόπτηση (RTA). Μετά την εμφύτευση ιόντων, απαιτείται εξοπλισμός RTP για την αποκατάσταση της βλάβης που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων, την ενεργοποίηση των ντοπαρισμένων πρωτονίων και την αποτελεσματική αναστολή της διάχυσης ακαθαρσιών.
Σε γενικές γραμμές, η θερμοκρασία για την επιδιόρθωση ελαττωμάτων του πλέγματος είναι περίπου 500°C, ενώ απαιτούνται 950°C για την ενεργοποίηση προσμιγμένων ατόμων. Η ενεργοποίηση των ακαθαρσιών σχετίζεται με το χρόνο και τη θερμοκρασία. Όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος και όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο πλήρως ενεργοποιούνται οι ακαθαρσίες, αλλά δεν ευνοεί την αναστολή της διάχυσης των ακαθαρσιών.
Επειδή ο εξοπλισμός RTP έχει τα χαρακτηριστικά γρήγορης αύξησης/πτώσης θερμοκρασίας και μικρής διάρκειας, η διαδικασία ανόπτησης μετά την εμφύτευση ιόντων μπορεί να επιτύχει τη βέλτιστη επιλογή παραμέτρων μεταξύ επισκευής ελαττώματος πλέγματος, ενεργοποίησης ακαθαρσιών και αναστολής διάχυσης ακαθαρσιών.
Το RTA χωρίζεται κυρίως στις ακόλουθες τέσσερις κατηγορίες:
(1)Ανόπτηση ακίδων
Το χαρακτηριστικό του είναι ότι εστιάζει στην ταχεία διαδικασία θέρμανσης/ψύξης, αλλά βασικά δεν έχει διαδικασία διατήρησης της θερμότητας. Η ανόπτηση ακίδας παραμένει στο σημείο υψηλής θερμοκρασίας για πολύ μικρό χρονικό διάστημα και η κύρια λειτουργία της είναι να ενεργοποιεί τα στοιχεία ντόπινγκ.
Σε πραγματικές εφαρμογές, η γκοφρέτα αρχίζει να θερμαίνεται γρήγορα από ένα συγκεκριμένο σταθερό σημείο θερμοκρασίας αναμονής και κρυώνει αμέσως αφού φτάσει στο επιθυμητό σημείο θερμοκρασίας.
Δεδομένου ότι ο χρόνος συντήρησης στο σημείο θερμοκρασίας στόχου (δηλαδή στο σημείο θερμοκρασίας αιχμής) είναι πολύ σύντομος, η διαδικασία ανόπτησης μπορεί να μεγιστοποιήσει τον βαθμό ενεργοποίησης της ακαθαρσίας και να ελαχιστοποιήσει τον βαθμό διάχυσης ακαθαρσιών, ενώ έχει καλά χαρακτηριστικά επισκευής ανόπτησης ελαττωμάτων, με αποτέλεσμα υψηλότερα ποιότητα συγκόλλησης και χαμηλότερο ρεύμα διαρροής.
Η ανόπτηση ακίδων χρησιμοποιείται ευρέως σε εξαιρετικά ρηχές διαδικασίες διασταύρωσης μετά από 65 nm. Οι παράμετροι διεργασίας της ανόπτησης ακίδας περιλαμβάνουν κυρίως θερμοκρασία αιχμής, χρόνο παραμονής αιχμής, απόκλιση θερμοκρασίας και αντίσταση πλακιδίων μετά τη διαδικασία.
Όσο μικρότερος είναι ο χρόνος αιχμής παραμονής, τόσο το καλύτερο. Εξαρτάται κυρίως από τον ρυθμό θέρμανσης/ψύξης του συστήματος ελέγχου θερμοκρασίας, αλλά η επιλεγμένη ατμόσφαιρα αερίου διεργασίας μερικές φορές έχει επίσης κάποιο αντίκτυπο σε αυτό.
Για παράδειγμα, το ήλιο έχει μικρό ατομικό όγκο και γρήγορο ρυθμό διάχυσης, που ευνοεί την ταχεία και ομοιόμορφη μεταφορά θερμότητας και μπορεί να μειώσει το πλάτος της κορυφής ή τον χρόνο παραμονής αιχμής. Ως εκ τούτου, μερικές φορές το ήλιο επιλέγεται για να βοηθήσει τη θέρμανση και την ψύξη.
(2)Ανόπτηση λάμπας
Η τεχνολογία ανόπτησης λαμπτήρων χρησιμοποιείται ευρέως. Οι λαμπτήρες αλογόνου χρησιμοποιούνται γενικά ως πηγές θερμότητας ταχείας ανόπτησης. Οι υψηλοί ρυθμοί θέρμανσης/ψύξης και ο ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των διαδικασιών παραγωγής άνω των 65 nm.
Ωστόσο, δεν μπορεί να καλύψει πλήρως τις αυστηρές απαιτήσεις της διαδικασίας των 45 nm (μετά τη διαδικασία των 45 nm, όταν συμβεί η επαφή νικελίου-πυριτίου του λογικού LSI, η γκοφρέτα πρέπει να θερμανθεί γρήγορα από 200°C σε πάνω από 1000°C μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, οπότε γενικά απαιτείται ανόπτηση με λέιζερ).
(3)Ανόπτηση με λέιζερ
Η ανόπτηση με λέιζερ είναι η διαδικασία απευθείας χρήσης λέιζερ για γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γκοφρέτας μέχρι να λιώσει ο κρύσταλλος του πυριτίου, καθιστώντας τον εξαιρετικά ενεργοποιημένο.
Τα πλεονεκτήματα της ανόπτησης με λέιζερ είναι η εξαιρετικά γρήγορη θέρμανση και ο ευαίσθητος έλεγχος. Δεν απαιτεί θέρμανση με νήμα και βασικά δεν υπάρχουν προβλήματα με την καθυστέρηση θερμοκρασίας και τη διάρκεια ζωής του νήματος.
Ωστόσο, από τεχνική άποψη, η ανόπτηση με λέιζερ έχει προβλήματα ρεύματος διαρροής και ελαττώματος υπολειμμάτων, τα οποία θα έχουν επίσης κάποιο αντίκτυπο στην απόδοση της συσκευής.
(4)Flash Annealing
Η ανόπτηση φλας είναι μια τεχνολογία ανόπτησης που χρησιμοποιεί ακτινοβολία υψηλής έντασης για την εκτέλεση ανόπτησης ακίδων σε γκοφρέτες σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία προθέρμανσης.
Η γκοφρέτα προθερμαίνεται στους 600-800°C και στη συνέχεια χρησιμοποιείται ακτινοβολία υψηλής έντασης για βραχυχρόνια παλμική ακτινοβολία. Όταν η μέγιστη θερμοκρασία της γκοφρέτας φτάσει την απαιτούμενη θερμοκρασία ανόπτησης, η ακτινοβολία απενεργοποιείται αμέσως.
Ο εξοπλισμός RTP χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην προηγμένη κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Εκτός από την ευρεία χρήση σε διεργασίες RTA, ο εξοπλισμός RTP έχει επίσης αρχίσει να χρησιμοποιείται σε ταχεία θερμική οξείδωση, ταχεία θερμική νιτρίωση, ταχεία θερμική διάχυση, ταχεία εναπόθεση χημικών ατμών, καθώς και σε διεργασίες παραγωγής πυριτίου μετάλλου και επιταξίας.
—————————————————————————————————————————————— ——
Το Semicera μπορεί να παρέχειμέρη γραφίτη,μαλακή/άκαμπτη τσόχα,μέρη καρβιδίου του πυριτίου,Μέρη καρβιδίου του πυριτίου CVD, καιΜέρη με επικάλυψη SiC/TaCμε πλήρη διαδικασία ημιαγωγών σε 30 ημέρες.
Εάν ενδιαφέρεστε για τα παραπάνω προϊόντα ημιαγωγών,μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας την πρώτη φορά.
Τηλ: +86-13373889683
WhatsAPP: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Ώρα δημοσίευσης: Αυγ-27-2024