1. Преглед
Грејање, такође познато као термичка обрада, односи се на производне поступке који раде на високим температурама, обично вишим од тачке топљења алуминијума.
Процес загревања се обично изводи у пећи на високој температури и укључује главне процесе као што су оксидација, дифузија нечистоћа и жарење за поправку дефеката кристала у производњи полупроводника.
Оксидација: То је процес у којем се силицијумска плочица ставља у атмосферу оксиданата као што су кисеоник или водена пара за топлотну обраду на високој температури, изазивајући хемијску реакцију на површини силицијумске плочице да би се формирао оксидни филм.
Дифузија нечистоћа: односи се на употребу принципа топлотне дифузије у условима високе температуре за увођење елемената нечистоћа у силицијумску подлогу у складу са захтевима процеса, тако да има специфичну дистрибуцију концентрације, чиме се мењају електрична својства силицијумског материјала.
Жарење се односи на процес загревања силицијумске плочице након имплантације јона да би се поправили дефекти решетке узроковани имплантацијом јона.
Постоје три основна типа опреме која се користи за оксидацију/дифузију/жарење:
- Хоризонтална пећ;
- Вертикална пећ;
- Пећ за брзо загревање: опрема за брзу топлотну обраду
Традиционални процеси топлотне обраде углавном користе дуготрајни третман на високим температурама како би се елиминисала оштећења изазвана имплантацијом јона, али су њени недостаци непотпуно уклањање дефеката и ниска ефикасност активације имплантираних нечистоћа.
Поред тога, због високе температуре жарења и дугог времена, вероватно ће доћи до прерасподеле нечистоћа, што ће довести до дифузије велике количине нечистоћа и неиспуњавања захтева за плитке спојеве и уску дистрибуцију нечистоћа.
Брзо термичко жарење јонски имплантираних плочица коришћењем опреме за брзу термичку обраду (РТП) је метода термичке обраде која загрева целу плочицу до одређене температуре (обично 400-1300°Ц) за врло кратко време.
У поређењу са жарењем загревања у пећи, има предности мањег топлотног буџета, мањег опсега кретања нечистоћа у области допинга, мањег загађења и краћег времена обраде.
Процес брзог термичког жарења може користити различите изворе енергије, а временски распон жарења је веома широк (од 100 до 10-9с, као што је жарење лампе, ласерско жарење, итд.). Може у потпуности да активира нечистоће док ефикасно потискује прерасподелу нечистоћа. Тренутно се широко користи у врхунским производним процесима интегрисаних кола са пречником плочице већим од 200 мм.
2. Други процес загревања
2.1 Процес оксидације
У процесу производње интегрисаног кола постоје две методе за формирање филмова од силицијум оксида: термичка оксидација и таложење.
Процес оксидације се односи на процес формирања СиО2 на површини силицијумских плочица термичком оксидацијом. СиО2 филм формиран термичком оксидацијом се широко користи у процесу производње интегрисаних кола због својих супериорних својстава електричне изолације и изводљивости процеса.
Његове најважније примене су следеће:
- Заштитите уређаје од огреботина и контаминације;
- Ограничавање изолације поља носилаца наелектрисања (површинска пасивизација);
- Диелектрични материјали у структурама оксида капије или ћелија за складиштење;
- Маскирање имплантата у допингу;
- Диелектрични слој између металних проводних слојева.
(1)Заштита и изолација уређаја
СиО2 узгајан на површини плочице (силицијумске плочице) може послужити као ефикасан слој баријере за изолацију и заштиту осетљивих уређаја унутар силицијума.
Пошто је СиО2 тврд и непорозан (густ) материјал, може се користити за ефикасно изоловање активних уређаја на површини силикона. Тврди слој СиО2 ће заштитити силиконску плочицу од огреботина и оштећења до којих може доћи током процеса производње.
(2)Површинска пасивизација
Пасивација површине Главна предност термички узгојеног СиО2 је у томе што може смањити густину површинског стања силицијума ограничавањем његових висећих веза, ефекат познат као површинска пасивација.
Спречава електричну деградацију и смањује пут за струју цурења узроковану влагом, јонима или другим спољним загађивачима. Тврди слој СиО2 штити Си од огреботина и оштећења процеса до којих може доћи током постпродукције.
Слој СиО2 нарастао на површини Си може да веже електрично активне загађиваче (загађење покретним јонима) на површини Си. Пасивација је такође важна за контролу струје цурења спојних уређаја и повећање стабилних оксида капије.
Као висококвалитетни пасивациони слој, оксидни слој има захтеве за квалитет као што су уједначена дебљина, без рупица и шупљина.
Други фактор у коришћењу оксидног слоја као слоја за пасивизацију површине Си је дебљина оксидног слоја. Оксидни слој мора бити довољно дебео да спречи пуњење металног слоја услед акумулације наелектрисања на површини силицијума, што је слично карактеристикама складиштења и квара обичних кондензатора.
СиО2 такође има веома сличан коефицијент топлотног ширења као и Си. Силицијумске плочице се шире током процеса високе температуре и скупљају се током хлађења.
СиО2 се шири или скупља брзином која је врло близу оној Си, што минимизира савијање силицијумске плочице током термичког процеса. Ово такође избегава одвајање оксидног филма од површине силикона услед напрезања филма.
(3)Гате оксид диелектрик
За најчешће коришћену и важну оксидну структуру капије у МОС технологији, као диелектрични материјал се користи изузетно танак оксидни слој. Пошто слој оксида капије и Си испод њега имају карактеристике високог квалитета и стабилности, слој оксида капије се генерално добија термичким растом.
СиО2 има високу диелектричну чврстоћу (107В/м) и високу отпорност (око 1017Ω·цм).
Кључ за поузданост МОС уређаја је интегритет оксидног слоја капије. Структура капије у МОС уређајима контролише ток струје. Пошто је овај оксид основа за функцију микрочипова заснованих на технологији ефекта поља,
Због тога су високи квалитет, одлична униформност дебљине филма и одсуство нечистоћа његови основни захтеви. Свака контаминација која може деградирати функцију оксидне структуре капије мора бити строго контролисана.
(4)Допинг баријера
СиО2 се може користити као ефикасан маскирни слој за селективно допирање површине силикона. Једном када се оксидни слој формира на површини силикона, СиО2 у провидном делу маске се урезује како би се формирао прозор кроз који допинг материјал може ући у силицијумску плочицу.
Тамо где нема прозора, оксид може заштитити површину силикона и спречити дифузију нечистоћа, омогућавајући тако селективну имплантацију нечистоћа.
Допанти се крећу споро у СиО2 у поређењу са Си, тако да је потребан само танак слој оксида да блокира додатке (имајте на уму да ова брзина зависи од температуре).
Танак оксидни слој (нпр. дебљине 150 А) се такође може користити у областима где је потребна имплантација јона, што се може користити за минимизирање оштећења површине силикона.
Такође омогућава бољу контролу дубине споја током имплантације нечистоћа смањењем ефекта каналисања. Након имплантације, оксид се може селективно уклонити флуороводоничном киселином да би површина силицијума поново постала равна.
(5)Диелектрични слој између металних слојева
СиО2 не проводи електричну енергију у нормалним условима, тако да је ефикасан изолатор између металних слојева у микрочиповима. СиО2 може спречити кратке спојеве између горњег металног слоја и доњег металног слоја, баш као што изолатор на жици може спречити кратке спојеве.
Захтев за квалитет оксида је да нема рупа и шупљина. Често се допира да би се добила ефикаснија течност, што може боље да минимизира дифузију контаминације. Обично се добија хемијским таложењем паре, а не термичким растом.
У зависности од реакционог гаса, процес оксидације се обично дели на:
- Оксидација сувог кисеоника: Си + О2→СиО2;
- Влажна оксидација кисеоника: 2Х2О (водена пара) + Си→СиО2+2Х2;
- Оксидација допирана хлором: гасовити хлор, као што је хлороводоник (ХЦл), дихлоретилен ДЦЕ (Ц2Х2Цл2) или његови деривати, додаје се кисеонику да би се побољшала брзина оксидације и квалитет оксидног слоја.
(1)Процес оксидације сувог кисеоника: Молекули кисеоника у реакционом гасу дифундују кроз већ формирани оксидни слој, долазе до границе између СиО2 и Си, реагују са Си, а затим формирају слој СиО2.
СиО2 припремљен сувом оксидацијом кисеоника има густу структуру, уједначену дебљину, јаку способност маскирања за убризгавање и дифузију и високу поновљивост процеса. Његов недостатак је спора стопа раста.
Ова метода се генерално користи за оксидацију високог квалитета, као што је диелектрична оксидација капије, оксидација танког пуферског слоја, или за почетак оксидације и завршетак оксидације током оксидације дебелог пуферског слоја.
(2)Процес влажне оксидације кисеоника: Водена пара се може преносити директно у кисеонику, или се може добити реакцијом водоника и кисеоника. Брзина оксидације се може променити подешавањем односа парцијалног притиска водоника или водене паре према кисеонику.
Имајте на уму да да би се осигурала сигурност, однос водоника и кисеоника не би требало да прелази 1,88:1. Оксидација влажног кисеоника је последица присуства кисеоника и водене паре у реакционом гасу, а водена пара ће се разложити у водоник оксид (ХО) на високим температурама.
Брзина дифузије водоник оксида у силицијум оксиду је много већа од оне кисеоника, тако да је брзина оксидације влажног кисеоника за око један ред величине већа од брзине оксидације сувог кисеоника.
(3)Процес оксидације допиране хлором: Поред традиционалне суве оксидације кисеоником и влажне оксидације кисеоника, гасовити хлор, као што је хлороводоник (ХЦл), дихлоретилен ДЦЕ (Ц2Х2Цл2) или његови деривати, могу се додати кисеонику да би се побољшала брзина оксидације и квалитет оксидног слоја .
Главни разлог за повећање стопе оксидације је тај што када се хлор додаје за оксидацију, не само да реактант садржи водену пару која може да убрза оксидацију, већ се хлор такође акумулира у близини интерфејса између Си и СиО2. У присуству кисеоника, једињења хлоросилицијума се лако претварају у силицијум оксид, који може катализирати оксидацију.
Главни разлог за побољшање квалитета оксидног слоја је тај што атоми хлора у оксидном слоју могу да пречисте активност натријум јона, чиме се смањују оксидациони дефекти изазвани контаминацијом опреме и процесних сировина натријум јонима. Стога је допинг хлором укључен у већину процеса оксидације сувог кисеоника.
2.2 Процес дифузије
Традиционална дифузија се односи на преношење супстанци из подручја веће концентрације у подручја ниже концентрације док се не равномерно распореде. Процес дифузије следи Фиков закон. Дифузија се може десити између две или више супстанци, а разлике у концентрацији и температури између различитих области доводе дистрибуцију супстанци до униформног равнотежног стања.
Једно од најважнијих својстава полупроводничких материјала је да се њихова проводљивост може подесити додавањем различитих типова или концентрација додатака. У производњи интегрисаних кола, овај процес се обично постиже процесима допинга или дифузије.
У зависности од циљева дизајна, полупроводнички материјали као што су силицијум, германијум или ИИИ-В једињења могу да добију два различита својства полупроводника, Н-тип или П-тип, допирањем са донорским нечистоћама или нечистоћама акцептора.
Допинг полупроводника се углавном спроводи кроз две методе: дифузију или имплантацију јона, свака са својим карактеристикама:
Дифузионо допирање је јефтиније, али се концентрација и дубина допинг материјала не могу прецизно контролисати;
Иако је јонска имплантација релативно скупа, она омогућава прецизну контролу профила концентрације допанта.
Пре 1970-их, величина карактеристика графике интегрисаног кола била је реда величине 10 μм, а традиционална технологија топлотне дифузије се углавном користила за допинг.
Процес дифузије се углавном користи за модификовање полупроводничких материјала. Дифузијом различитих супстанци у полупроводничке материјале могу се променити њихова проводљивост и друга физичка својства.
На пример, дифузијом тровалентног елемента бора у силицијум, формира се полупроводник П-типа; допирањем петовалентних елемената фосфором или арсеном настаје полупроводник Н-типа. Када полупроводник П-типа са више рупа дође у контакт са полупроводником Н-типа са више електрона, формира се ПН спој.
Како се величине карактеристика смањују, процес изотропне дифузије омогућава дифузију додатака на другу страну слоја оксида штита, узрокујући кратке спојеве између суседних региона.
Осим за неке посебне употребе (као што је дуготрајна дифузија за формирање равномерно распоређених високонапонских отпорних области), процес дифузије је постепено замењен имплантацијом јона.
Међутим, у генерацији технологије испод 10 нм, пошто је величина пераја у тродимензионалном уређају са ефектом поља са транзистором (ФинФЕТ) веома мала, имплантација јона ће оштетити његову сићушну структуру. Употреба процеса дифузије чврстог извора може решити овај проблем.
2.3 Процес деградације
Процес жарења се такође назива термичко жарење. Процес је да се силицијумска плочица стави у окружење високе температуре на одређени временски период да би се променила микроструктура на површини или унутар силицијумске плочице како би се постигла специфична сврха процеса.
Најкритичнији параметри у процесу жарења су температура и време. Што је температура виша и што је дуже време, већи је термални буџет.
У стварном процесу производње интегрисаног кола, термални буџет је строго контролисан. Ако постоји више процеса жарења у току процеса, термички буџет се може изразити као суперпозиција вишеструких топлотних третмана.
Међутим, минијатуризацијом процесних чворова дозвољени термички буџет у целом процесу постаје све мањи и мањи, односно температура високотемпературног термичког процеса постаје нижа, а време краће.
Обично се процес жарења комбинује са имплантацијом јона, таложењем танког филма, формирањем металног силицида и другим процесима. Најчешће је термичко жарење након јонске имплантације.
Имплантација јона ће утицати на атоме супстрата, узрокујући да се одвоје од оригиналне структуре решетке и оштете решетку супстрата. Термичко жарење може поправити оштећење решетке узроковано имплантацијом јона и такође може померити имплантиране атоме нечистоће из празнина решетке до места решетке, чиме их активира.
Температура потребна за поправку оштећења решетке је око 500°Ц, а температура потребна за активацију нечистоћа је око 950°Ц. У теорији, што је дуже време жарења и што је температура виша, то је већа стопа активације нечистоћа, али превелики термални буџет ће довести до прекомерне дифузије нечистоћа, чинећи процес неконтролисаним и на крају изазивајући деградацију уређаја и перформанси кола.
Стога, са развојем производне технологије, традиционално дуготрајно жарење у пећи постепено је замењено брзим термичким жарењем (РТА).
У процесу производње, неки специфични филмови морају да прођу процес термичког жарења након таложења да би се променила одређена физичка или хемијска својства филма. На пример, лабав филм постаје густ, мењајући брзину сувог или влажног нагризања;
Други често коришћени процес жарења се јавља током формирања металног силицида. Метални филмови као што су кобалт, никл, титанијум итд. се распршују на површину силицијумске плочице, а након брзог термичког жарења на релативно ниској температури, метал и силицијум могу да формирају легуру.
Одређени метали формирају различите фазе легуре под различитим температурним условима. Генерално, надамо се да ће се током процеса формирати фаза легуре са нижим контактним отпором и отпорношћу тела.
Према различитим захтевима термичког буџета, процес жарења је подељен на жарење у високотемпературној пећи и брзо термичко жарење.
- Високотемпературно жарење цеви у пећи:
То је традиционална метода жарења са високом температуром, дугим временом жарења и високим буџетом.
У неким посебним процесима, као што је технологија изолације убризгавањем кисеоника за припрему СОИ супстрата и процеси дифузије у дубоке бунаре, широко се користи. Такви процеси генерално захтевају већи термални буџет да би се добила савршена решетка или уједначена дистрибуција нечистоћа.
- Брзо термичко жарење:
То је процес обраде силицијумских плочица изузетно брзим загревањем/хлађењем и кратким задржавањем на циљној температури, који се понекад назива и брза термичка обрада (РТП).
У процесу формирања ултра-плитких спојева, брзим термичким жарењем постиже се компромисна оптимизација између поправке дефекта решетке, активације нечистоћа и минимизирања дифузије нечистоћа, и неопходна је у процесу производње чворова напредне технологије.
Процес пораста/пада температуре и кратак боравак на циљној температури заједно чине термички буџет брзог термичког жарења.
Традиционално брзо термичко жарење има температуру од око 1000°Ц и траје неколико секунди. Последњих година, захтеви за брзим термичким жарењем постали су све строжи, а флеш жарење, жарење са шиљцима и ласерско жарење су се постепено развијали, са временом жарења који достижу милисекунде, па чак и имају тенденцију да се развијају ка микросекундама и суб-микросекундама.
3 . Три процесне опреме за грејање
3.1 Опрема за дифузију и оксидацију
Процес дифузије углавном користи принцип термичке дифузије под условима високе температуре (обично 900-1200℃) како би се елементи нечистоћа инкорпорирали у силицијумску подлогу на потребној дубини да би јој се дала специфична дистрибуција концентрације, како би се променила електрична својства. материјала и формирају структуру полупроводничког уређаја.
У технологији силицијумских интегрисаних кола, процес дифузије се користи за прављење ПН спојева или компоненти као што су отпорници, кондензатори, интерконективна ожичења, диоде и транзистори у интегрисаним колима, а такође се користи за изолацију између компоненти.
Због немогућности да се прецизно контролише дистрибуција концентрације допинга, процес дифузије је постепено замењен процесом допинга са јонском имплантацијом у производњи интегрисаних кола пречника плочице од 200 мм и више, али се мала количина још увек користи у тешким случајевима. допинг процеси.
Традиционална опрема за дифузију су углавном хоризонталне дифузионе пећи, а постоји и мали број пећи за вертикалну дифузију.
Хоризонтална дифузиона пећ:
То је опрема за топлотну обраду која се широко користи у процесу дифузије интегрисаних кола са пречником плочице мањим од 200 мм. Његове карактеристике су да су тело пећи за грејање, реакциона цев и кварцни чамац који носе облатне постављени хоризонтално, тако да има процесне карактеристике добре униформности између обланда.
То није само једна од важних фронт-енд опреме на производној линији интегрисаних кола, већ се и широко користи у дифузији, оксидацији, жарењу, легирању и другим процесима у индустријама као што су дискретни уређаји, енергетски електронски уређаји, оптоелектронски уређаји и оптичка влакна .
Вертикална дифузиона пећ:
Генерално се односи на опрему за серијску топлотну обраду која се користи у процесу интегрисаног кола за плочице пречника 200 мм и 300 мм, опште позната као вертикална пећ.
Структурне карактеристике вертикалне дифузионе пећи су да су тело пећи за грејање, реакциона цев и кварцни чамац који носи облату постављени вертикално, а облата је постављена хоризонтално. Има карактеристике добре униформности унутар плочице, високог степена аутоматизације и стабилних перформанси система, што може задовољити потребе великих производних линија интегрисаних кола.
Вертикална дифузиона пећ је једна од важне опреме у производној линији полупроводничких интегрисаних кола и такође се често користи у сродним процесима у области енергетских електронских уређаја (ИГБТ) и тако даље.
Вертикална дифузиона пећ је применљива на процесе оксидације као што су сува оксидација кисеоником, оксидација синтезом водоник-кисеоник, оксидација силицијум оксинитрида и процеси раста танког филма као што су силицијум диоксид, полисилицијум, силицијум нитрид (Си3Н4) и таложење атомског слоја.
Такође се обично користи у процесима жарења на високим температурама, жарења бакра и легирања. У погледу процеса дифузије, пећи за вертикалну дифузију се понекад користе и у тешким процесима допинга.
3.2 Опрема за брзо жарење
Опрема за брзу термичку обраду (РТП) је опрема за топлотну обраду једне плочице која може брзо подићи температуру плочице на температуру коју захтева процес (200-1300°Ц) и може брзо да је охлади. Брзина грејања/хлађења је углавном 20-250°Ц/с.
Поред широког спектра извора енергије и времена жарења, РТП опрема има и друге одличне перформансе процеса, као што су одлична контрола термичког буџета и боља униформност површине (посебно за велике плочице), поправка оштећења плочице узрокованих имплантацијом јона и више комора може истовремено да изводи различите кораке процеса.
Поред тога, РТП опрема може флексибилно и брзо да конвертује и прилагоди процесне гасове, тако да се више процеса топлотне обраде може завршити у истом процесу топлотне обраде.
РТП опрема се најчешће користи у брзом термичком жарењу (РТА). Након јонске имплантације, потребна је РТП опрема за поправку оштећења узрокованих имплантацијом јона, активирање допираних протона и ефикасно инхибирање дифузије нечистоћа.
Уопштено говорећи, температура за поправку дефекта решетке је око 500°Ц, док је за активирање допираних атома потребно 950°Ц. Активација нечистоћа је повезана са временом и температуром. Што је дуже време и што је температура виша, нечистоће се потпуније активирају, али то није погодно за инхибицију дифузије нечистоћа.
Пошто РТП опрема има карактеристике брзог пораста/пада температуре и кратког трајања, процес жарења након имплантације јона може постићи оптималан избор параметара између поправке дефекта решетке, активације нечистоћа и инхибиције дифузије нечистоћа.
РТА је углавном подељен у следеће четири категорије:
(1)Спике Аннеалинг
Његова карактеристика је да се фокусира на брзи процес грејања/хлађења, али у основи нема процес очувања топлоте. Жарење са шиљцима остаје на високој температури веома кратко време, а његова главна функција је активирање допинг елемената.
У стварним применама, плочица почиње да се брзо загрева од одређене стабилне тачке мировања и одмах се хлади након што достигне циљну температурну тачку.
Пошто је време одржавања на тачки циљне температуре (тј. тачка вршне температуре) веома кратко, процес жарења може максимизирати степен активације нечистоћа и минимизирати степен дифузије нечистоћа, док има добре карактеристике поправке дефекта при жарењу, што резултира већим квалитет везивања и нижа струја цурења.
Спике жарење се широко користи у процесима ултра-плитких спојева након 65 нм. Параметри процеса жарења са шиљцима углавном укључују вршну температуру, вршно време задржавања, температурну дивергенцију и отпорност плочице након процеса.
Што је краће вршно време боравка, то боље. То углавном зависи од брзине грејања/хлађења система за контролу температуре, али одабрана атмосфера процесног гаса понекад такође има одређени утицај на то.
На пример, хелијум има малу атомску запремину и брзу брзину дифузије, што погодује брзом и равномерном преносу топлоте и може смањити ширину врха или време задржавања врха. Због тога се понекад бира хелијум да помогне загревању и хлађењу.
(2)жарење лампе
Технологија жарења лампе се широко користи. Халогене сијалице се углавном користе као извори топлоте који се брзо жаре. Њихове високе стопе грејања/хлађења и прецизна контрола температуре могу да задовоље захтеве производних процеса изнад 65нм.
Међутим, не може у потпуности да испуни строге захтеве 45нм процеса (након 45нм процеса, када дође до контакта никл-силицијума логичког ЛСИ, плочица треба брзо да се загреје са 200°Ц на преко 1000°Ц у року од милисекунди, па је генерално потребно ласерско жарење).
(3)Ласерско жарење
Ласерско жарење је процес директног коришћења ласера за брзо повећање температуре површине плочице све док не буде довољно да отопи кристал силицијума, што га чини високо активираним.
Предности ласерског жарења су изузетно брзо загревање и осетљива контрола. Не захтева загревање филамента и у основи нема проблема са температурним кашњењем и животним веком нити.
Међутим, са техничке тачке гледишта, ласерско жарење има проблеме са струјом цурења и дефектима остатка, што ће такође имати одређени утицај на перформансе уређаја.
(4)Фласх жарење
Флеш жарење је технологија жарења која користи зрачење високог интензитета за извођење шиљастог жарења на плочицама на одређеној температури претходног загревања.
Облата се претходно загрева на 600-800°Ц, а затим се користи зрачење високог интензитета за краткотрајно пулсно зрачење. Када вршна температура плочице достигне потребну температуру жарења, зрачење се одмах искључује.
РТП опрема се све више користи у напредној производњи интегрисаних кола.
Поред тога што се широко користи у РТА процесима, РТП опрема је такође почела да се користи за брзу термичку оксидацију, брзу термичку нитридацију, брзу термичку дифузију, брзо хемијско таложење паре, као и генерисање металних силицида и епитаксијалне процесе.
—————————————————————————————————————————————————— ——
Семицера може да обезбедиграфитних делова,мекани/чврсти филц,делови од силицијум карбида,ЦВД делови од силицијум карбида, иСиЦ/ТаЦ обложени деловиса пуним процесом полупроводника за 30 дана.
Ако сте заинтересовани за горе наведене полупроводничке производе,молимо не оклевајте да нас контактирате први пут.
Тел: +86-13373889683
ВхатсАПП: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
Време поста: 27.08.2024