فرآیند و تجهیزات نیمه هادی (3/7) - فرآیند و تجهیزات گرمایش

1. بررسی اجمالی

گرمایش، همچنین به عنوان پردازش حرارتی شناخته می شود، به فرآیندهای تولیدی اطلاق می شود که در دماهای بالا، معمولا بالاتر از نقطه ذوب آلومینیوم، عمل می کنند.

فرآیند گرمایش معمولاً در یک کوره با دمای بالا انجام می شود و شامل فرآیندهای عمده ای مانند اکسیداسیون، انتشار ناخالصی و بازپخت برای تعمیر نقص کریستال در تولید نیمه هادی است.

اکسیداسیون: فرآیندی است که در آن ویفر سیلیکونی برای عملیات حرارتی در دمای بالا در فضایی از اکسیدان‌هایی مانند اکسیژن یا بخار آب قرار می‌گیرد و باعث ایجاد واکنش شیمیایی در سطح ویفر سیلیکونی می‌شود تا یک لایه اکسیدی تشکیل دهد.

انتشار ناخالصی: به استفاده از اصول انتشار حرارتی در شرایط دمای بالا برای وارد کردن عناصر ناخالصی به بستر سیلیکونی با توجه به نیازهای فرآیند اشاره دارد، به طوری که دارای توزیع غلظت خاصی باشد و در نتیجه خواص الکتریکی ماده سیلیکونی را تغییر دهد.

آنیلینگ به فرآیند گرم کردن ویفر سیلیکونی پس از کاشت یون برای ترمیم عیوب شبکه ناشی از کاشت یون اشاره دارد.

سه نوع اصلی تجهیزات مورد استفاده برای اکسیداسیون / انتشار / بازپخت وجود دارد:

• کوره افقی؛
• کوره عمودی؛
• کوره گرمایش سریع: تجهیزات عملیات حرارتی سریع

فرآیندهای عملیات حرارتی سنتی عمدتاً از درمان طولانی مدت در دمای بالا برای از بین بردن آسیب ناشی از کاشت یون استفاده می کنند، اما معایب آن حذف ناقص نقص و راندمان فعال سازی کم ناخالصی های کاشته شده است.

علاوه بر این، به دلیل دمای بالا و زمان طولانی بازپخت، احتمال وقوع مجدد ناخالصی وجود دارد که باعث می شود مقدار زیادی ناخالصی منتشر شود و نیازهای اتصالات کم عمق و توزیع ناخالصی باریک را برآورده نکند.

بازپخت حرارتی سریع ویفرهای کاشته شده با یون با استفاده از تجهیزات پردازش حرارتی سریع (RTP) یک روش عملیات حرارتی است که کل ویفر را تا دمای معینی (معمولاً 400-1300 درجه سانتیگراد) در مدت زمان بسیار کوتاهی گرم می کند.

در مقایسه با آنیل حرارتی کوره، دارای مزایای بودجه حرارتی کمتر، محدوده حرکت ناخالصی کمتر در ناحیه دوپینگ، آلودگی کمتر و زمان پردازش کوتاهتر است.

فرآیند بازپخت حرارتی سریع می تواند از انواع منابع انرژی استفاده کند و محدوده زمانی آنیل بسیار گسترده است (از 100 تا 10-9 ثانیه، مانند آنیل لامپ، آنیل لیزری و غیره). این می تواند به طور کامل ناخالصی ها را فعال کند در حالی که به طور موثر توزیع مجدد ناخالصی را سرکوب می کند. در حال حاضر به طور گسترده در فرآیندهای تولید مدار مجتمع پیشرفته با قطر ویفر بیشتر از 200 میلی متر استفاده می شود.

2. فرآیند گرمایش دوم

2.1 فرآیند اکسیداسیون

در فرآیند تولید مدار مجتمع، دو روش برای تشکیل لایه‌های اکسید سیلیکون وجود دارد: اکسیداسیون حرارتی و رسوب.

فرآیند اکسیداسیون به فرآیند تشکیل SiO2 بر روی سطح ویفرهای سیلیکونی توسط اکسیداسیون حرارتی اشاره دارد. فیلم SiO2 تشکیل شده توسط اکسیداسیون حرارتی به دلیل خواص عایق الکتریکی برتر و امکان سنجی فرآیند به طور گسترده در فرآیند تولید مدار مجتمع استفاده می شود.

مهمترین کاربردهای آن به شرح زیر است:

• محافظت از دستگاه ها در برابر خراش و آلودگی؛
• محدود کردن جداسازی میدان حامل های باردار (غیرفعال سازی سطحی)؛
• مواد دی الکتریک در اکسید دروازه یا ساختارهای سلول ذخیره سازی؛
• پوشش ایمپلنت در دوپینگ؛
• یک لایه دی الکتریک بین لایه های رسانای فلزی.

(1)حفاظت و جداسازی دستگاه

SiO2 رشد یافته روی سطح ویفر (ویفر سیلیکونی) می تواند به عنوان یک لایه مانع موثر برای جداسازی و محافظت از دستگاه های حساس در داخل سیلیکون عمل کند.

از آنجایی که SiO2 یک ماده سخت و غیر متخلخل (چگال) است، می توان از آن برای جداسازی موثر دستگاه های فعال بر روی سطح سیلیکون استفاده کرد. لایه سخت SiO2 از ویفر سیلیکونی در برابر خراش ها و آسیب هایی که ممکن است در طول فرآیند تولید رخ دهد محافظت می کند.

(2)غیرفعال سازی سطحی

غیرفعال سازی سطحی مزیت اصلی SiO2 رشد یافته حرارتی این است که می تواند چگالی حالت سطحی سیلیکون را با محدود کردن پیوندهای آویزان آن کاهش دهد، اثری که به عنوان غیرفعال کردن سطح شناخته می شود.

از تخریب الکتریکی جلوگیری می کند و مسیر جریان نشتی ناشی از رطوبت، یون ها یا سایر آلاینده های خارجی را کاهش می دهد. لایه سخت SiO2 از Si در برابر خراش ها و آسیب های فرآیندی که ممکن است در طول پس از تولید رخ دهد محافظت می کند.

لایه SiO2 رشد یافته روی سطح Si می تواند آلاینده های فعال الکتریکی (آلودگی یون متحرک) را روی سطح Si متصل کند. غیرفعال سازی همچنین برای کنترل جریان نشتی دستگاه های اتصال و رشد اکسیدهای دروازه پایدار مهم است.

به عنوان یک لایه غیرفعال با کیفیت بالا، لایه اکسید دارای الزامات کیفی مانند ضخامت یکنواخت، بدون سوراخ و حفره است.

عامل دیگر در استفاده از یک لایه اکسید به عنوان لایه غیرفعال سطحی Si، ضخامت لایه اکسیدی است. لایه اکسید باید به اندازه کافی ضخیم باشد تا از شارژ شدن لایه فلزی به دلیل تجمع بار در سطح سیلیکون جلوگیری کند که مشابه ویژگی های ذخیره بار و خرابی خازن های معمولی است.

SiO2 همچنین دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار مشابه با Si است. ویفرهای سیلیکونی در طی فرآیندهای دمای بالا منبسط می شوند و در طول خنک شدن منقبض می شوند.

SiO2 با سرعت بسیار نزدیک به Si منبسط یا منقبض می شود، که تاب برداشتن ویفر سیلیکونی را در طول فرآیند حرارتی به حداقل می رساند. این همچنین از جدا شدن فیلم اکسید از سطح سیلیکون به دلیل تنش فیلم جلوگیری می کند.

(3)دی الکتریک اکسید گیت

برای متداول ترین و مهم ترین ساختار اکسید دروازه در فناوری MOS، یک لایه اکسید بسیار نازک به عنوان ماده دی الکتریک استفاده می شود. از آنجایی که لایه اکسید دروازه و سی زیرین دارای ویژگی های کیفیت و پایداری بالا هستند، لایه اکسید دروازه به طور کلی با رشد حرارتی به دست می آید.

SiO2 دارای استحکام دی الکتریک بالا (107V/m) و مقاومت بالا (حدود 1017Ω·cm) است.

کلید قابلیت اطمینان دستگاه های MOS یکپارچگی لایه اکسید گیت است. ساختار گیت در دستگاه های MOS جریان جریان را کنترل می کند. از آنجا که این اکسید اساس عملکرد ریزتراشه‌ها بر اساس فناوری اثر میدانی است،

بنابراین کیفیت بالا، یکنواختی ضخامت فیلم عالی و عدم وجود ناخالصی از الزامات اساسی آن است. هر گونه آلودگی که ممکن است عملکرد ساختار اکسید دروازه را تخریب کند باید به شدت کنترل شود.

(4)سد دوپینگ

SiO2 می تواند به عنوان یک لایه پوشاننده موثر برای دوپینگ انتخابی سطح سیلیکون استفاده شود. هنگامی که یک لایه اکسید روی سطح سیلیکون تشکیل شد، SiO2 در قسمت شفاف ماسک حک می شود تا پنجره ای تشکیل شود که از طریق آن مواد دوپینگ می توانند وارد ویفر سیلیکونی شوند.

در جایی که هیچ پنجره ای وجود ندارد، اکسید می تواند از سطح سیلیکون محافظت کند و از انتشار ناخالصی ها جلوگیری کند، بنابراین امکان کاشت انتخابی ناخالصی را فراهم می کند.

مواد ناخالص در SiO2 در مقایسه با Si به آرامی حرکت می کنند، بنابراین فقط یک لایه نازک اکسید برای مسدود کردن مواد ناخالص مورد نیاز است (توجه داشته باشید که این نرخ وابسته به دما است).

یک لایه نازک اکسید (به عنوان مثال، 150 Å ضخامت) همچنین می تواند در مناطقی که کاشت یون مورد نیاز است استفاده شود، که می تواند برای به حداقل رساندن آسیب به سطح سیلیکون استفاده شود.

همچنین امکان کنترل بهتر عمق محل اتصال را در حین کاشت ناخالصی با کاهش اثر کانالی فراهم می کند. پس از کاشت، اکسید را می توان به طور انتخابی با اسید هیدروفلوئوریک حذف کرد تا سطح سیلیکون دوباره صاف شود.

(5)لایه دی الکتریک بین لایه های فلزی

SiO2 در شرایط عادی جریان الکتریکی را هدایت نمی کند، بنابراین یک عایق موثر بین لایه های فلزی در ریزتراشه ها است. SiO2 می تواند از اتصال کوتاه بین لایه فلزی بالایی و لایه فلزی پایینی جلوگیری کند، همانطور که عایق روی سیم می تواند از اتصال کوتاه جلوگیری کند.

کیفیت مورد نیاز برای اکسید این است که فاقد سوراخ و حفره باشد. اغلب برای به دست آوردن سیالیت موثرتر دوپ می شود، که می تواند انتشار آلودگی را بهتر به حداقل برساند. معمولاً به جای رشد حرارتی، با رسوب شیمیایی بخار حاصل می شود.

بسته به گاز واکنش، فرآیند اکسیداسیون معمولاً به موارد زیر تقسیم می شود:

• اکسیداسیون اکسیژن خشک: Si + O2→SiO2.
• اکسیداسیون اکسیژن مرطوب: 2H2O (بخار آب) + Si→SiO2+2H2.
• اکسیداسیون دوپ شده با کلر: گاز کلر مانند کلرید هیدروژن (HCl)، دی کلرواتیلن DCE (C2H2Cl2) یا مشتقات آن، برای بهبود سرعت اکسیداسیون و کیفیت لایه اکسید به اکسیژن اضافه می شود.

(1)فرآیند اکسیداسیون اکسیژن خشک: مولکول های اکسیژن در گاز واکنش از طریق لایه اکسیدی که از قبل تشکیل شده پخش می شوند، به سطح مشترک بین SiO2 و Si می رسند، با Si واکنش می دهند و سپس یک لایه SiO2 را تشکیل می دهند.

SiO2 تهیه شده توسط اکسیداسیون اکسیژن خشک دارای ساختار متراکم، ضخامت یکنواخت، توانایی پوشش قوی برای تزریق و انتشار و تکرارپذیری بالا است. عیب آن این است که سرعت رشد پایین است.

این روش به طور کلی برای اکسیداسیون با کیفیت بالا، مانند اکسیداسیون دی الکتریک دروازه، اکسیداسیون لایه بافر نازک، یا برای شروع اکسیداسیون و پایان دادن به اکسیداسیون در طول اکسیداسیون لایه بافر ضخیم استفاده می شود.

(2)فرآیند اکسیداسیون اکسیژن مرطوب: بخار آب را می توان مستقیماً در اکسیژن حمل کرد یا از واکنش هیدروژن و اکسیژن بدست آورد. سرعت اکسیداسیون را می توان با تنظیم نسبت فشار جزئی هیدروژن یا بخار آب به اکسیژن تغییر داد.

توجه داشته باشید که برای اطمینان از ایمنی، نسبت هیدروژن به اکسیژن نباید از 1.88:1 تجاوز کند. اکسیداسیون اکسیژن مرطوب به دلیل وجود هر دو اکسیژن و بخار آب در گاز واکنش است و بخار آب در دماهای بالا به اکسید هیدروژن (HO) تجزیه می شود.

سرعت انتشار اکسید هیدروژن در اکسید سیلیکون بسیار سریعتر از اکسیژن است، بنابراین سرعت اکسیداسیون اکسیژن مرطوب حدود یک مرتبه بزرگتر از سرعت اکسیداسیون اکسیژن خشک است.

(3)فرآیند اکسیداسیون دوپ شده با کلرعلاوه بر اکسیداسیون اکسیژن خشک سنتی و اکسیداسیون اکسیژن مرطوب، گاز کلر مانند کلرید هیدروژن (HCl)، دی کلرواتیلن DCE (C2H2Cl2) یا مشتقات آن را می توان به اکسیژن اضافه کرد تا سرعت اکسیداسیون و کیفیت لایه اکسید را بهبود بخشد. .

دلیل اصلی افزایش سرعت اکسیداسیون این است که وقتی کلر برای اکسیداسیون اضافه می شود، نه تنها واکنش دهنده حاوی بخار آب است که می تواند اکسیداسیون را تسریع کند، بلکه کلر نیز در نزدیکی رابط بین Si و SiO2 جمع می شود. در حضور اکسیژن، ترکیبات کلروسیلیس به راحتی به اکسید سیلیکون تبدیل می شوند که می تواند اکسیداسیون را کاتالیز کند.

دلیل اصلی بهبود کیفیت لایه اکسید این است که اتم‌های کلر در لایه اکسید می‌توانند فعالیت یون‌های سدیم را خالص‌سازی کنند و در نتیجه نقص‌های اکسیداسیون ناشی از آلودگی یون سدیم تجهیزات و مواد خام فرآیندی را کاهش دهند. بنابراین، دوپینگ کلر در اکثر فرآیندهای اکسیداسیون اکسیژن خشک نقش دارد.

2.2 فرآیند انتشار

انتشار سنتی به انتقال مواد از مناطق با غلظت بالاتر به مناطق با غلظت کمتر اشاره دارد تا زمانی که به طور مساوی توزیع شوند. فرآیند انتشار از قانون فیک پیروی می کند. انتشار می تواند بین دو یا چند ماده رخ دهد و اختلاف غلظت و دما بین مناطق مختلف توزیع مواد را به حالت تعادل یکنواخت هدایت می کند.

یکی از مهمترین خواص مواد نیمه هادی این است که می توان رسانایی آنها را با افزودن انواع یا غلظت های مختلف مواد ناخالص تنظیم کرد. در ساخت مدارهای مجتمع، این فرآیند معمولاً از طریق فرآیندهای دوپینگ یا انتشار حاصل می شود.

بسته به اهداف طراحی، مواد نیمه هادی مانند سیلیکون، ژرمانیوم یا ترکیبات III-V می توانند با دوپینگ با ناخالصی های دهنده یا ناخالصی های گیرنده، دو خاصیت نیمه هادی مختلف، نوع N یا نوع P را به دست آورند.

دوپینگ نیمه هادی عمدتاً از طریق دو روش انجام می شود: انتشار یا کاشت یون که هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند:

دوپینگ انتشاری هزینه کمتری دارد، اما غلظت و عمق مواد دوپینگ را نمی توان دقیقاً کنترل کرد.

در حالی که کاشت یون نسبتاً گران است، امکان کنترل دقیق پروفایل های غلظت ناخالصی را فراهم می کند.

قبل از دهه 1970، اندازه ویژگی گرافیک مدار مجتمع در حد 10 میکرومتر بود و فناوری انتشار حرارتی سنتی عموماً برای دوپینگ استفاده می‌شد.

فرآیند انتشار عمدتاً برای اصلاح مواد نیمه هادی استفاده می شود. با انتشار مواد مختلف در مواد نیمه هادی می توان رسانایی و سایر خواص فیزیکی آنها را تغییر داد.

به عنوان مثال، با انتشار عنصر سه ظرفیتی بور به سیلیکون، یک نیمه هادی نوع P تشکیل می شود. با دوپینگ عناصر پنج ظرفیتی فسفر یا آرسنیک، نیمه هادی نوع N تشکیل می شود. هنگامی که یک نیمه هادی نوع P با سوراخ های بیشتر با یک نیمه هادی نوع N با الکترون های بیشتر تماس پیدا می کند، یک اتصال PN تشکیل می شود.

همانطور که اندازه ویژگی ها کوچک می شود، فرآیند انتشار همسانگرد این امکان را برای مواد ناخالص به طرف دیگر لایه اکسید محافظ منتشر می کند و باعث ایجاد شورت بین مناطق مجاور می شود.

به جز برخی از کاربردهای خاص (مانند انتشار طولانی مدت برای تشکیل مناطق مقاوم در برابر ولتاژ بالا با توزیع یکنواخت)، فرآیند انتشار به تدریج با کاشت یون جایگزین شده است.

با این حال، در نسل فناوری زیر 10 نانومتر، از آنجایی که اندازه باله در دستگاه ترانزیستور اثر میدانی باله سه بعدی (FinFET) بسیار کوچک است، کاشت یون به ساختار کوچک آن آسیب می رساند. استفاده از فرآیند انتشار منبع جامد ممکن است این مشکل را حل کند.

2.3 فرآیند تخریب

به فرآیند آنیل، آنیل حرارتی نیز گفته می شود. فرآیند به این صورت است که ویفر سیلیکونی را در یک محیط با دمای بالا برای مدت زمان مشخصی قرار می دهیم تا ریزساختار روی سطح یا داخل ویفر سیلیکونی برای دستیابی به یک هدف فرآیندی خاص تغییر کند.

مهمترین پارامترها در فرآیند آنیل دما و زمان هستند. هر چه دما بیشتر و زمان طولانی تری باشد، بودجه حرارتی بیشتر می شود.

در فرآیند ساخت مدار مجتمع واقعی، بودجه حرارتی به شدت کنترل می شود. اگر چندین فرآیند بازپخت در جریان فرآیند وجود داشته باشد، بودجه حرارتی را می توان به عنوان برهم نهی عملیات حرارتی متعدد بیان کرد.

اما با کوچک‌سازی گره‌های فرآیند، بودجه حرارتی مجاز در کل فرآیند کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود، یعنی دمای فرآیند حرارتی با دمای بالا پایین‌تر و زمان کوتاه‌تر می‌شود.

معمولاً فرآیند بازپخت با کاشت یون، رسوب لایه نازک، تشکیل سیلیسید فلزی و سایر فرآیندها ترکیب می شود. رایج ترین آنیل حرارتی پس از کاشت یون است.

کاشت یون بر اتم های بستر تأثیر می گذارد و باعث می شود که آنها از ساختار اصلی شبکه جدا شوند و به شبکه بستر آسیب وارد کنند. بازپخت حرارتی می تواند آسیب شبکه ناشی از کاشت یون را ترمیم کند و همچنین می تواند اتم های ناخالصی کاشته شده را از شکاف های شبکه به محل های شبکه منتقل کند و در نتیجه آنها را فعال کند.

دمای مورد نیاز برای تعمیر آسیب شبکه حدود 500 درجه سانتیگراد و دمای لازم برای فعال سازی ناخالصی حدود 950 درجه سانتیگراد است. در تئوری، هر چه زمان بازپخت طولانی‌تر و دما بالاتر باشد، نرخ فعال‌سازی ناخالصی‌ها بیشتر می‌شود، اما بودجه حرارتی بسیار بالا منجر به انتشار بیش از حد ناخالصی‌ها می‌شود که فرآیند را غیرقابل کنترل می‌کند و در نهایت باعث کاهش عملکرد دستگاه و مدار می‌شود.

بنابراین، با توسعه تکنولوژی ساخت، آنیل سنتی کوره بلند مدت به تدریج با آنیل حرارتی سریع (RTA) جایگزین شده است.

در فرآیند تولید، برخی از فیلم‌های خاص باید پس از رسوب، تحت فرآیند بازپخت حرارتی قرار گیرند تا خواص فیزیکی یا شیمیایی خاصی از فیلم را تغییر دهند. به عنوان مثال، یک لایه شل متراکم می شود و سرعت اچ کردن خشک یا مرطوب آن را تغییر می دهد.

یکی دیگر از فرآیندهای بازپخت رایج در طول تشکیل سیلیسید فلزی رخ می دهد. فیلم های فلزی مانند کبالت، نیکل، تیتانیوم و غیره بر روی سطح ویفر سیلیکونی پاشیده می شوند و پس از بازپخت حرارتی سریع در دمای نسبتا پایین، فلز و سیلیکون می توانند آلیاژ تشکیل دهند.

برخی از فلزات در شرایط دمایی مختلف فازهای آلیاژی متفاوتی را تشکیل می دهند. به طور کلی، امید است که در طول فرآیند یک فاز آلیاژی با مقاومت تماس و مقاومت بدنه کمتر تشکیل شود.

با توجه به نیازهای مختلف بودجه حرارتی، فرآیند آنیل به بازپخت کوره با دمای بالا و آنیل حرارتی سریع تقسیم می شود.

• آنیل کردن لوله کوره با دمای بالا:

این یک روش آنیل سنتی با دمای بالا، زمان پخت طولانی و بودجه بالا است.

در برخی از فرآیندهای خاص، مانند فناوری جداسازی تزریق اکسیژن برای تهیه بسترهای SOI و فرآیندهای انتشار در چاه عمیق، به طور گسترده ای استفاده می شود. چنین فرآیندهایی عموماً به بودجه حرارتی بالاتری برای به دست آوردن شبکه کامل یا توزیع ناخالصی یکنواخت نیاز دارند.

• آنیل حرارتی سریع:

این فرآیند پردازش ویفرهای سیلیکونی با گرمایش/خنک کردن بسیار سریع و اقامت کوتاه در دمای مورد نظر است که گاهی اوقات پردازش حرارتی سریع (RTP) نیز نامیده می‌شود.

در فرآیند تشکیل اتصالات بسیار کم عمق، بازپخت حرارتی سریع به یک بهینه سازی مصالحه بین تعمیر عیب شبکه، فعال سازی ناخالصی و به حداقل رساندن انتشار ناخالصی دست می یابد و در فرآیند تولید گره های فناوری پیشرفته ضروری است.

فرآیند افزایش/پایین دما و ماندن کوتاه مدت در دمای هدف با هم بودجه حرارتی بازپخت حرارتی سریع را تشکیل می‌دهند.

آنیل حرارتی سریع سنتی دمایی در حدود 1000 درجه سانتیگراد دارد و چند ثانیه طول می کشد. در سال‌های اخیر، الزامات آنیل حرارتی سریع به طور فزاینده‌ای سخت‌تر شده است و بازپخت فلاش، آنیل اسپایک و آنیل لیزری به تدریج توسعه یافته‌اند و زمان آنیلینگ به میلی‌ثانیه می‌رسد و حتی تمایل به توسعه به میکروثانیه و زیر میکروثانیه دارد.

3 . سه تجهیزات فرآیند گرمایش

3.1 تجهیزات انتشار و اکسیداسیون

فرآیند انتشار عمدتاً از اصل انتشار حرارتی در شرایط دمای بالا (معمولاً 900-1200 درجه سانتیگراد) استفاده می کند تا عناصر ناخالصی را در بستر سیلیکونی در عمق مورد نیاز ترکیب کند تا توزیع غلظت خاصی به آن بدهد تا خواص الکتریکی آن تغییر کند. مواد و ساختار دستگاه نیمه هادی را تشکیل می دهند.

در فناوری مدارهای مجتمع سیلیکونی، فرآیند انتشار برای ایجاد اتصالات PN یا اجزایی مانند مقاومت ها، خازن ها، سیم های اتصال، دیودها و ترانزیستورها در مدارهای مجتمع استفاده می شود و همچنین برای جداسازی بین قطعات استفاده می شود.

به دلیل عدم توانایی در کنترل دقیق توزیع غلظت دوپینگ، فرآیند انتشار به تدریج با فرآیند دوپینگ کاشت یون در ساخت مدارهای مجتمع با قطر ویفر 200 میلی‌متر به بالا جایگزین شده است، اما مقدار کمی همچنان در سنگین استفاده می‌شود. فرآیندهای دوپینگ

تجهیزات انتشار سنتی عمدتاً کوره های انتشار افقی هستند و تعداد کمی از کوره های انتشار عمودی نیز وجود دارد.

کوره انتشار افقی:

این یک تجهیزات عملیات حرارتی است که به طور گسترده در فرآیند انتشار مدارهای مجتمع با قطر ویفر کمتر از 200 میلی متر استفاده می شود. ویژگی های آن این است که بدنه کوره گرمایش، لوله واکنش و ویفرهای حامل قایق کوارتز همگی به صورت افقی قرار می گیرند، بنابراین دارای ویژگی های فرآیند یکنواختی خوب بین ویفرها است.

این نه تنها یکی از تجهیزات مهم جلویی در خط تولید مدار مجتمع است، بلکه به طور گسترده در انتشار، اکسیداسیون، بازپخت، آلیاژسازی و سایر فرآیندها در صنایعی مانند دستگاه‌های گسسته، دستگاه‌های الکترونیکی قدرت، دستگاه‌های الکترونیک نوری و فیبرهای نوری استفاده می‌شود. .

کوره انتشار عمودی:

به طور کلی به تجهیزات عملیات حرارتی دسته ای مورد استفاده در فرآیند مدار مجتمع برای ویفرهایی با قطر 200 میلی متر و 300 میلی متر، که معمولاً به عنوان کوره عمودی شناخته می شود، اطلاق می شود.

ویژگی های ساختاری کوره انتشار عمودی این است که بدنه کوره گرمایش، لوله واکنش و قایق کوارتز حامل ویفر همگی به صورت عمودی و ویفر به صورت افقی قرار می گیرند. دارای ویژگی های یکنواختی خوب در ویفر، درجه بالای اتوماسیون و عملکرد سیستم پایدار است که می تواند نیازهای خطوط تولید مدار مجتمع در مقیاس بزرگ را برآورده کند.

کوره انتشار عمودی یکی از تجهیزات مهم در خط تولید مدار مجتمع نیمه هادی است و همچنین معمولاً در فرآیندهای مرتبط در زمینه دستگاه های الکترونیک قدرت (IGBT) و غیره استفاده می شود.

کوره انتشار عمودی برای فرآیندهای اکسیداسیون مانند اکسیداسیون اکسیژن خشک، اکسیداسیون سنتز هیدروژن-اکسیژن، اکسیداسیون اکسی نیترید سیلیکون، و فرآیندهای رشد لایه نازک مانند دی اکسید سیلیکون، پلی سیلیکون، نیترید سیلیکون (Si3N4) و تجزیه لایه اتمی قابل استفاده است.

همچنین معمولاً در فرآیندهای بازپخت در دمای بالا، آنیل مس و آلیاژسازی استفاده می شود. از نظر فرآیند انتشار، گاهی اوقات از کوره های انتشار عمودی در فرآیندهای دوپینگ سنگین نیز استفاده می شود.

3.2 تجهیزات بازپخت سریع

تجهیزات پردازش حرارتی سریع (RTP) یک تجهیزات عملیات حرارتی تک ویفر است که می تواند به سرعت دمای ویفر را به دمای مورد نیاز فرآیند (200-1300 درجه سانتی گراد) برساند و می تواند به سرعت آن را خنک کند. نرخ گرمایش/سرمایش به طور کلی 20-250 درجه سانتیگراد در ثانیه است.

تجهیزات RTP علاوه بر طیف گسترده ای از منابع انرژی و زمان بازپخت، عملکرد عالی دیگری نیز دارند، مانند کنترل بودجه حرارتی عالی و یکنواختی سطح بهتر (به ویژه برای ویفرهای با اندازه بزرگ)، ترمیم آسیب ویفر ناشی از کاشت یون، و اتاق های متعدد می توانند مراحل مختلف فرآیند را به طور همزمان اجرا کنند.

علاوه بر این، تجهیزات RTP می توانند به طور انعطاف پذیر و سریع گازهای فرآیند را تبدیل و تنظیم کنند، به طوری که چندین فرآیند عملیات حرارتی را می توان در همان فرآیند عملیات حرارتی تکمیل کرد.

تجهیزات RTP بیشتر در بازپخت حرارتی سریع (RTA) استفاده می شود. پس از کاشت یون، تجهیزات RTP برای ترمیم آسیب های ناشی از کاشت یون، فعال کردن پروتون های دوپ شده و مهار موثر انتشار ناخالصی مورد نیاز است.

به طور کلی، دما برای تعمیر عیوب شبکه حدود 500 درجه سانتیگراد است، در حالی که برای فعال کردن اتمهای دوپ شده 950 درجه سانتیگراد لازم است. فعال شدن ناخالصی ها مربوط به زمان و دما است. هر چه زمان طولانی تر و درجه حرارت بالاتر باشد، ناخالصی ها به طور کامل تر فعال می شوند، اما برای جلوگیری از انتشار ناخالصی ها مفید نیست.

از آنجایی که تجهیزات RTP دارای ویژگی های افزایش / کاهش سریع دما و مدت زمان کوتاه هستند، فرآیند بازپخت پس از کاشت یون می تواند به انتخاب پارامتر بهینه در بین تعمیر نقص شبکه، فعال سازی ناخالصی و مهار انتشار ناخالصی دست یابد.

RTA عمدتاً به چهار دسته زیر تقسیم می شود:

(1)بازپخت سنبله

ویژگی آن این است که بر فرآیند گرمایش/سرمایش سریع تمرکز دارد، اما اساساً فرآیند حفظ حرارت ندارد. بازپخت سنبله برای مدت زمان بسیار کوتاهی در دمای بالا باقی می ماند و وظیفه اصلی آن فعال کردن عناصر دوپینگ است.

در کاربردهای واقعی، ویفر به سرعت از یک نقطه دمایی پایدار در حالت آماده به کار شروع به گرم شدن می کند و بلافاصله پس از رسیدن به نقطه دمای مورد نظر خنک می شود.

از آنجایی که زمان نگهداری در نقطه دمایی هدف (یعنی نقطه دمای پیک) بسیار کوتاه است، فرآیند بازپخت می‌تواند درجه فعال‌سازی ناخالصی را به حداکثر رسانده و درجه انتشار ناخالصی را به حداقل برساند، در حالی که دارای ویژگی‌های تعمیر بازپخت خوب است، و در نتیجه بالاتر می‌رود. کیفیت اتصال و جریان نشتی کمتر

بازپخت سنبله به طور گسترده در فرآیندهای اتصال فوق کم عمق پس از 65 نانومتر استفاده می شود. پارامترهای فرآیند بازپخت سنبله عمدتاً شامل دمای اوج، زمان ماندن اوج، واگرایی دما و مقاومت ویفر پس از فرآیند است.

هرچه زمان اوج اقامت کوتاهتر باشد، بهتر است. این عمدتاً به نرخ گرمایش / سرمایش سیستم کنترل دما بستگی دارد، اما اتمسفر گاز فرآیند انتخابی گاهی اوقات تأثیر خاصی بر آن دارد.

به عنوان مثال، هلیوم دارای حجم اتمی کوچک و سرعت انتشار سریع است که برای انتقال سریع و یکنواخت گرما مفید است و می تواند عرض پیک یا زمان ماند اوج را کاهش دهد. بنابراین، هلیوم گاهی اوقات برای کمک به گرمایش و سرمایش انتخاب می شود.

(2)لامپ آنیلینگ

تکنولوژی آنیل لامپ به طور گسترده ای استفاده می شود. لامپ های هالوژن به طور کلی به عنوان منابع حرارتی با بازپخت سریع استفاده می شود. نرخ گرمایش / سرمایش بالا و کنترل دقیق دما می تواند الزامات فرآیندهای تولید بالای 65 نانومتر را برآورده کند.

با این حال، نمی تواند الزامات سختگیرانه فرآیند 45 نانومتری را به طور کامل برآورده کند (پس از فرآیند 45 نانومتری، هنگامی که تماس نیکل-سیلیکون از LSI منطقی رخ می دهد، ویفر باید به سرعت از 200 درجه سانتیگراد به بیش از 1000 درجه سانتیگراد در عرض میلی ثانیه گرم شود. بنابراین بازپخت لیزری به طور کلی مورد نیاز است).

(3)آنیل لیزری

آنیل لیزری فرآیند استفاده مستقیم از لیزر برای افزایش سریع دمای سطح ویفر است تا زمانی که کریستال سیلیکون ذوب شود و به شدت فعال شود.

از مزایای آنیل لیزری حرارت بسیار سریع و کنترل حساس است. نیازی به گرمایش رشته ای ندارد و اساساً هیچ مشکلی با تاخیر دما و عمر فیلامنت وجود ندارد.

با این حال، از نقطه نظر فنی، آنیل لیزری دارای مشکلات جریان نشتی و نقص باقیمانده است که تأثیر خاصی بر عملکرد دستگاه خواهد داشت.

(4)آنیلینگ فلاش

آنیلینگ فلاش یک فناوری آنیلینگ است که از تشعشعات با شدت بالا برای انجام بازپخت سنبله روی ویفرها در دمای پیش گرمایش خاص استفاده می کند.

ویفر از قبل تا 600-800 درجه سانتیگراد گرم می شود و سپس از تابش با شدت بالا برای تابش پالس کوتاه مدت استفاده می شود. هنگامی که دمای پیک ویفر به دمای بازپخت مورد نیاز رسید، تابش بلافاصله خاموش می شود.

تجهیزات RTP به طور فزاینده ای در تولید مدارهای مجتمع پیشرفته استفاده می شود.

تجهیزات RTP علاوه بر استفاده گسترده در فرآیندهای RTA، در اکسیداسیون حرارتی سریع، نیتریداسیون حرارتی سریع، انتشار سریع حرارتی، رسوب سریع بخار شیمیایی و همچنین تولید سیلیسیدهای فلزی و فرآیندهای اپیتاکسیال نیز شروع شده است.

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

Semicera می تواند ارائه دهدقطعات گرافیت،نمد نرم / سفت،قطعات کاربید سیلیکون،قطعات کاربید سیلیکون CVD، وقطعات با پوشش SiC/TaCبا فرآیند نیمه هادی کامل در 30 روز.

اگر به محصولات نیمه هادی فوق علاقه مند هستید،لطفا در اولین بار با ما تماس بگیرید.

تلفن: +86-13373889683

WhatsAPP: +86-15957878134

Email: sales01@semi-cera.com