Halbleiterprozesse und -ausrüstung (3/7) – Heizprozess und -ausrüstung

1. Übersicht

Erhitzen, auch thermische Verarbeitung genannt, bezieht sich auf Herstellungsverfahren, die bei hohen Temperaturen ablaufen, die normalerweise über dem Schmelzpunkt von Aluminium liegen.

Der Erhitzungsprozess wird normalerweise in einem Hochtemperaturofen durchgeführt und umfasst wichtige Prozesse wie Oxidation, Diffusion von Verunreinigungen und Glühen zur Reparatur von Kristalldefekten bei der Halbleiterherstellung.

Oxidation: Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Siliziumwafer zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung in eine Atmosphäre aus Oxidationsmitteln wie Sauerstoff oder Wasserdampf gebracht wird, wodurch eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Siliziumwafers zur Bildung eines Oxidfilms ausgelöst wird.

Verunreinigungsdiffusion: bezieht sich auf die Verwendung thermischer Diffusionsprinzipien unter Hochtemperaturbedingungen, um Verunreinigungselemente entsprechend den Prozessanforderungen in das Siliziumsubstrat einzuführen, so dass es eine spezifische Konzentrationsverteilung aufweist und dadurch die elektrischen Eigenschaften des Siliziummaterials verändert.

Unter Tempern versteht man den Prozess des Erhitzens des Siliziumwafers nach der Ionenimplantation, um die durch die Ionenimplantation verursachten Gitterfehler zu reparieren.

Es gibt drei grundlegende Arten von Geräten, die zum Oxidation/Diffusion/Glühen verwendet werden:

• Horizontalofen;
• Vertikalofen;
• Schnellheizofen: Ausrüstung zur schnellen Wärmebehandlung

Herkömmliche Wärmebehandlungsverfahren verwenden hauptsächlich eine Langzeit-Hochtemperaturbehandlung, um durch die Ionenimplantation verursachte Schäden zu beseitigen. Nachteile sind jedoch die unvollständige Beseitigung von Defekten und die geringe Aktivierungseffizienz implantierter Verunreinigungen.

Darüber hinaus kommt es aufgrund der hohen Glühtemperatur und der langen Zeit wahrscheinlich zu einer Umverteilung der Verunreinigungen, was dazu führt, dass eine große Menge an Verunreinigungen diffundiert und die Anforderungen an flache Übergänge und eine enge Verteilung der Verunreinigungen nicht erfüllt werden.

Das schnelle thermische Ausheilen von ionenimplantierten Wafern mithilfe von RTP-Geräten (Rapid Thermal Processing) ist eine Wärmebehandlungsmethode, die den gesamten Wafer in sehr kurzer Zeit auf eine bestimmte Temperatur (im Allgemeinen 400–1300 °C) erhitzt.

Im Vergleich zum Glühen mit Ofenheizung bietet es die Vorteile eines geringeren Wärmebudgets, eines kleineren Bewegungsbereichs von Verunreinigungen im Dotierungsbereich, einer geringeren Verschmutzung und einer kürzeren Verarbeitungszeit.

Der schnelle thermische Glühprozess kann verschiedene Energiequellen nutzen und der Glühzeitbereich ist sehr breit (von 100 bis 10-9 s, wie z. B. Lampenglühen, Laserglühen usw.). Es kann Verunreinigungen vollständig aktivieren und gleichzeitig die Umverteilung von Verunreinigungen wirksam unterdrücken. Es wird derzeit häufig in High-End-Herstellungsprozessen für integrierte Schaltkreise mit Waferdurchmessern von mehr als 200 mm eingesetzt.

2. Zweiter Heizvorgang

2.1 Oxidationsprozess

Im Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise gibt es zwei Methoden zur Bildung von Siliziumoxidfilmen: thermische Oxidation und Abscheidung.

Der Oxidationsprozess bezeichnet den Prozess der Bildung von SiO2 auf der Oberfläche von Siliziumwafern durch thermische Oxidation. Der durch thermische Oxidation gebildete SiO2-Film wird aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften und Prozessdurchführbarkeit häufig im Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise verwendet.

Seine wichtigsten Anwendungen sind folgende:

• Schützen Sie Geräte vor Kratzern und Verschmutzung;
• Begrenzung der Feldisolation geladener Träger (Oberflächenpassivierung);
• Dielektrische Materialien in Gate-Oxid- oder Speicherzellenstrukturen;
• Implantatmaskierung beim Doping;
• Eine dielektrische Schicht zwischen leitenden Metallschichten.

(1)Geräteschutz und -isolierung

Auf der Oberfläche eines Wafers (Siliziumwafer) gewachsenes SiO2 kann als wirksame Barriereschicht dienen, um empfindliche Geräte innerhalb des Siliziums zu isolieren und zu schützen.

Da SiO2 ein hartes und nicht poröses (dichtes) Material ist, kann es zur effektiven Isolierung aktiver Geräte auf der Siliziumoberfläche verwendet werden. Die harte SiO2-Schicht schützt den Siliziumwafer vor Kratzern und Beschädigungen, die während des Herstellungsprozesses auftreten können.

(2)Oberflächenpassivierung

Oberflächenpassivierung Ein großer Vorteil von thermisch gewachsenem SiO2 besteht darin, dass es die Oberflächenzustandsdichte von Silizium reduzieren kann, indem es seine freien Bindungen einschränkt, ein Effekt, der als Oberflächenpassivierung bekannt ist.

Es verhindert eine Verschlechterung der elektrischen Leistung und verringert den Weg für Leckströme, die durch Feuchtigkeit, Ionen oder andere externe Verunreinigungen verursacht werden. Die harte SiO2-Schicht schützt Si vor Kratzern und Prozessschäden, die bei der Nachbearbeitung auftreten können.

Die auf der Si-Oberfläche gewachsene SiO2-Schicht kann die elektrisch aktiven Verunreinigungen (mobile Ionenkontamination) auf der Si-Oberfläche binden. Passivierung ist auch wichtig für die Kontrolle des Leckstroms von Sperrschichtbauelementen und für die Bildung stabiler Gate-Oxide.

Als hochwertige Passivierungsschicht stellt die Oxidschicht Qualitätsanforderungen wie gleichmäßige Dicke, keine Löcher und Hohlräume.

Ein weiterer Faktor bei der Verwendung einer Oxidschicht als Si-Oberflächenpassivierungsschicht ist die Dicke der Oxidschicht. Die Oxidschicht muss dick genug sein, um zu verhindern, dass sich die Metallschicht aufgrund der Ladungsansammlung auf der Siliziumoberfläche auflädt, was den Ladungsspeicher- und Durchbrucheigenschaften gewöhnlicher Kondensatoren ähnelt.

SiO2 hat außerdem einen sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Si. Siliziumwafer dehnen sich bei Hochtemperaturprozessen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen.

SiO2 dehnt sich mit einer Geschwindigkeit aus oder zieht sich zusammen, die der von Si sehr nahe kommt, wodurch die Verformung des Siliziumwafers während des thermischen Prozesses minimiert wird. Dadurch wird auch die Ablösung des Oxidfilms von der Siliziumoberfläche aufgrund von Filmspannungen vermieden.

(3)Gate-Oxid-Dielektrikum

Für die am häufigsten verwendete und wichtigste Gate-Oxid-Struktur in der MOS-Technologie wird als dielektrisches Material eine extrem dünne Oxidschicht verwendet. Da die Gate-Oxidschicht und das darunter liegende Si die Eigenschaften hoher Qualität und Stabilität aufweisen, wird die Gate-Oxidschicht im Allgemeinen durch thermisches Wachstum erhalten.

SiO2 hat eine hohe Durchschlagsfestigkeit (107 V/m) und einen hohen spezifischen Widerstand (ca. 1017 Ω·cm).

Der Schlüssel zur Zuverlässigkeit von MOS-Bauelementen ist die Integrität der Gate-Oxidschicht. Die Gate-Struktur in MOS-Bauelementen steuert den Stromfluss. Da dieses Oxid die Grundlage für die Funktion von Mikrochips auf Basis der Feldeffekttechnologie ist,

Daher sind eine hohe Qualität, eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und das Fehlen von Verunreinigungen die Grundvoraussetzungen. Jegliche Kontamination, die die Funktion der Gate-Oxidstruktur beeinträchtigen könnte, muss streng kontrolliert werden.

(4)Dopingsperre

SiO2 kann als wirksame Maskierungsschicht zur selektiven Dotierung der Siliziumoberfläche verwendet werden. Sobald sich auf der Siliziumoberfläche eine Oxidschicht gebildet hat, wird das SiO2 im transparenten Teil der Maske geätzt, um ein Fenster zu bilden, durch das das Dotiermaterial in den Siliziumwafer eindringen kann.

Wo keine Fenster vorhanden sind, kann Oxid die Siliziumoberfläche schützen und die Diffusion von Verunreinigungen verhindern, wodurch eine selektive Implantation von Verunreinigungen ermöglicht wird.

Dotierstoffe bewegen sich in SiO2 im Vergleich zu Si langsam, sodass nur eine dünne Oxidschicht erforderlich ist, um die Dotierstoffe zu blockieren (beachten Sie, dass diese Geschwindigkeit temperaturabhängig ist).

In Bereichen, in denen eine Ionenimplantation erforderlich ist, kann auch eine dünne Oxidschicht (z. B. 150 Å dick) verwendet werden, um Schäden an der Siliziumoberfläche zu minimieren.

Es ermöglicht außerdem eine bessere Kontrolle der Übergangstiefe während der Implantation von Verunreinigungen, indem der Kanalisierungseffekt reduziert wird. Nach der Implantation kann das Oxid selektiv mit Flusssäure entfernt werden, um die Siliziumoberfläche wieder flach zu machen.

(5)Dielektrische Schicht zwischen Metallschichten

SiO2 leitet unter normalen Bedingungen keinen Strom und ist daher ein wirksamer Isolator zwischen Metallschichten in Mikrochips. SiO2 kann Kurzschlüsse zwischen der oberen Metallschicht und der unteren Metallschicht verhindern, ebenso wie der Isolator auf dem Draht Kurzschlüsse verhindern kann.

Die Qualitätsanforderung an Oxid besteht darin, dass es frei von Nadellöchern und Hohlräumen ist. Es wird oft dotiert, um eine effektivere Fließfähigkeit zu erreichen, wodurch die Diffusion von Verunreinigungen besser minimiert werden kann. Es wird normalerweise durch chemische Gasphasenabscheidung und nicht durch thermisches Wachstum gewonnen.

Abhängig vom Reaktionsgas wird der Oxidationsprozess üblicherweise unterteilt in:

• Trockene Sauerstoffoxidation: Si + O2→SiO2;
• Nasse Sauerstoffoxidation: 2H2O (Wasserdampf) + Si→SiO2+2H2;
• Chlordotierte Oxidation: Chlorgas wie Chlorwasserstoff (HCl), Dichlorethylen DCE (C2H2Cl2) oder seine Derivate werden dem Sauerstoff zugesetzt, um die Oxidationsgeschwindigkeit und die Qualität der Oxidschicht zu verbessern.

(1)Trockener Sauerstoffoxidationsprozess: Die Sauerstoffmoleküle im Reaktionsgas diffundieren durch die bereits gebildete Oxidschicht, erreichen die Grenzfläche zwischen SiO2 und Si, reagieren mit Si und bilden dann eine SiO2-Schicht.

Das durch trockene Sauerstoffoxidation hergestellte SiO2 weist eine dichte Struktur, eine gleichmäßige Dicke, ein starkes Maskierungsvermögen für Injektion und Diffusion sowie eine hohe Prozesswiederholbarkeit auf. Sein Nachteil ist, dass die Wachstumsrate langsam ist.

Dieses Verfahren wird im Allgemeinen für hochwertige Oxidationen verwendet, wie z. B. die Oxidation des Gate-Dielektrikums, die Oxidation dünner Pufferschichten oder zum Starten und Beenden der Oxidation während der Oxidation dicker Pufferschichten.

(2)Nasser Sauerstoffoxidationsprozess: Wasserdampf kann direkt in Sauerstoff transportiert werden oder durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden. Die Oxidationsrate kann durch Anpassen des Partialdruckverhältnisses von Wasserstoff oder Wasserdampf zu Sauerstoff verändert werden.

Beachten Sie, dass aus Sicherheitsgründen das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff 1,88:1 nicht überschreiten sollte. Die nasse Sauerstoffoxidation beruht auf der Anwesenheit von sowohl Sauerstoff als auch Wasserdampf im Reaktionsgas, und Wasserdampf zerfällt bei hohen Temperaturen in Wasserstoffoxid (HO).

Die Diffusionsrate von Wasserstoffoxid in Siliziumoxid ist viel schneller als die von Sauerstoff, sodass die Oxidationsrate von nassem Sauerstoff etwa eine Größenordnung höher ist als die Oxidationsrate von trockenem Sauerstoff.

(3)Chlordotiertes Oxidationsverfahren: Zusätzlich zur herkömmlichen Trockensauerstoffoxidation und Nasssauerstoffoxidation kann Sauerstoff Chlorgas wie Chlorwasserstoff (HCl), Dichlorethylen DCE (C2H2Cl2) oder seine Derivate zugesetzt werden, um die Oxidationsrate und die Qualität der Oxidschicht zu verbessern .

Der Hauptgrund für den Anstieg der Oxidationsrate liegt darin, dass bei der Zugabe von Chlor zur Oxidation nicht nur der Reaktant Wasserdampf enthält, der die Oxidation beschleunigen kann, sondern sich auch Chlor in der Nähe der Grenzfläche zwischen Si und SiO2 ansammelt. In Gegenwart von Sauerstoff werden Chlorsiliciumverbindungen leicht in Siliciumoxid umgewandelt, das die Oxidation katalysieren kann.

Der Hauptgrund für die Verbesserung der Qualität der Oxidschicht besteht darin, dass die Chloratome in der Oxidschicht die Aktivität von Natriumionen reinigen und dadurch Oxidationsfehler reduzieren können, die durch Natriumionenverunreinigung von Geräten und Prozessrohstoffen entstehen. Daher ist bei den meisten Oxidationsprozessen mit trockenem Sauerstoff eine Chlordotierung beteiligt.

2.2 Diffusionsprozess

Unter traditioneller Diffusion versteht man die Übertragung von Stoffen von Bereichen höherer Konzentration in Bereiche niedrigerer Konzentration, bis sie gleichmäßig verteilt sind. Der Diffusionsprozess folgt dem Fickschen Gesetz. Zwischen zwei oder mehr Stoffen kann eine Diffusion stattfinden, und die Konzentrations- und Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen führen dazu, dass die Stoffverteilung einen einheitlichen Gleichgewichtszustand erreicht.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Halbleitermaterialien besteht darin, dass ihre Leitfähigkeit durch Zugabe unterschiedlicher Arten oder Konzentrationen von Dotierstoffen angepasst werden kann. Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise wird dieser Prozess üblicherweise durch Dotierungs- oder Diffusionsprozesse erreicht.

Abhängig von den Designzielen können Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium oder III-V-Verbindungen durch Dotierung mit Donor-Verunreinigungen oder Akzeptor-Verunreinigungen zwei verschiedene Halbleitereigenschaften, N-Typ oder P-Typ, erhalten.

Die Dotierung von Halbleitern erfolgt hauptsächlich durch zwei Methoden: Diffusion oder Ionenimplantation, jede mit ihren eigenen Eigenschaften:

Diffusionsdotierung ist zwar kostengünstiger, allerdings können Konzentration und Tiefe des Dotierungsmaterials nicht genau kontrolliert werden;

Obwohl die Ionenimplantation relativ teuer ist, ermöglicht sie eine präzise Steuerung der Dotierstoffkonzentrationsprofile.

Vor den 1970er Jahren lag die Strukturgröße von integrierten Schaltkreisgrafiken in der Größenordnung von 10 μm, und zur Dotierung wurde im Allgemeinen die traditionelle Thermodiffusionstechnologie verwendet.

Der Diffusionsprozess wird hauptsächlich zur Modifizierung von Halbleitermaterialien eingesetzt. Durch die Diffusion verschiedener Stoffe in Halbleitermaterialien können deren Leitfähigkeit und andere physikalische Eigenschaften verändert werden.

Beispielsweise entsteht durch die Diffusion des dreiwertigen Elements Bor in Silizium ein Halbleiter vom P-Typ; Durch Dotierung mit fünfwertigen Elementen wie Phosphor oder Arsen entsteht ein Halbleiter vom N-Typ. Wenn ein Halbleiter vom P-Typ mit mehr Löchern mit einem Halbleiter vom N-Typ mit mehr Elektronen in Kontakt kommt, entsteht ein PN-Übergang.

Wenn die Strukturgrößen schrumpfen, ermöglicht der isotrope Diffusionsprozess, dass Dotierstoffe auf die andere Seite der Abschirmoxidschicht diffundieren, was zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Regionen führt.

Mit Ausnahme einiger Sonderanwendungen (z. B. Langzeitdiffusion zur Bildung gleichmäßig verteilter hochspannungsfester Bereiche) wurde der Diffusionsprozess nach und nach durch Ionenimplantation ersetzt.

Da jedoch in der Technologiegeneration unter 10 nm die Größe der Flosse im dreidimensionalen Flossen-Feldeffekttransistor (FinFET) sehr klein ist, wird die winzige Struktur durch Ionenimplantation beschädigt. Die Verwendung eines Feststoffdiffusionsverfahrens könnte dieses Problem lösen.

2.3 Abbauprozess

Der Glühvorgang wird auch thermisches Glühen genannt. Der Prozess besteht darin, den Siliziumwafer für einen bestimmten Zeitraum einer Hochtemperaturumgebung auszusetzen, um die Mikrostruktur auf der Oberfläche oder im Inneren des Siliziumwafers zu verändern und so einen bestimmten Prozesszweck zu erreichen.

Die kritischsten Parameter im Glühprozess sind Temperatur und Zeit. Je höher die Temperatur und je länger die Zeit, desto höher ist das Wärmebudget.

Im eigentlichen Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise wird das Wärmebudget streng kontrolliert. Wenn es im Prozessablauf mehrere Glühprozesse gibt, kann das Wärmebudget als Überlagerung mehrerer Wärmebehandlungen ausgedrückt werden.

Mit der Miniaturisierung der Prozessknoten wird jedoch das zulässige Wärmebudget im gesamten Prozess immer kleiner, d. h. die Temperatur des Hochtemperatur-Wärmeprozesses wird niedriger und die Zeit kürzer.

Normalerweise wird der Glühprozess mit Ionenimplantation, Dünnschichtabscheidung, Metallsilizidbildung und anderen Prozessen kombiniert. Am gebräuchlichsten ist das thermische Ausheilen nach der Ionenimplantation.

Durch die Ionenimplantation werden die Substratatome getroffen, wodurch diese aus der ursprünglichen Gitterstruktur ausbrechen und das Substratgitter beschädigen. Durch thermisches Ausheilen können die durch die Ionenimplantation verursachten Gitterschäden repariert werden, außerdem können die implantierten Fremdatome von den Gitterlücken zu den Gitterplätzen bewegt und dadurch aktiviert werden.

Die für die Reparatur von Gitterschäden erforderliche Temperatur beträgt etwa 500 °C und die für die Aktivierung von Verunreinigungen erforderliche Temperatur beträgt etwa 950 °C. Theoretisch ist die Aktivierungsrate der Verunreinigungen umso höher, je länger die Glühzeit und je höher die Temperatur ist. Ein zu hohes Wärmebudget führt jedoch zu einer übermäßigen Diffusion von Verunreinigungen, was den Prozess unkontrollierbar macht und letztendlich zu einer Verschlechterung der Geräte- und Schaltkreisleistung führt.

Daher wurde mit der Entwicklung der Fertigungstechnologie das traditionelle Langzeitofenglühen nach und nach durch schnelles thermisches Glühen (RTA) ersetzt.

Im Herstellungsprozess müssen einige bestimmte Filme nach der Abscheidung einem thermischen Ausheilungsprozess unterzogen werden, um bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften des Films zu verändern. Beispielsweise wird ein loser Film dichter, wodurch sich seine Trocken- oder Nassätzrate ändert.

Ein weiterer häufig verwendeter Glühprozess findet bei der Bildung von Metallsilizid statt. Metallfilme wie Kobalt, Nickel, Titan usw. werden auf die Oberfläche des Siliziumwafers gesputtert, und nach einem schnellen thermischen Ausheilen bei relativ niedriger Temperatur können das Metall und das Silizium eine Legierung bilden.

Bestimmte Metalle bilden unter unterschiedlichen Temperaturbedingungen unterschiedliche Legierungsphasen. Generell wird angestrebt, während des Prozesses eine Legierungsphase mit geringerem Kontaktwiderstand und Körperwiderstand zu bilden.

Entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen an das thermische Budget wird der Glühprozess in Hochtemperaturofenglühen und schnelles thermisches Glühen unterteilt.

• Glühen von Hochtemperaturofenrohren:

Es handelt sich um eine traditionelle Glühmethode mit hoher Temperatur, langer Glühzeit und hohem Budget.

In einigen speziellen Prozessen, wie der Sauerstoffinjektions-Isolationstechnologie zur Vorbereitung von SOI-Substraten und Deep-Well-Diffusionsprozessen, wird es häufig eingesetzt. Solche Prozesse erfordern im Allgemeinen ein höheres Wärmebudget, um ein perfektes Gitter oder eine gleichmäßige Verunreinigungsverteilung zu erhalten.

• Schnelles thermisches Glühen:

Dabei handelt es sich um den Prozess der Verarbeitung von Siliziumwafern durch extrem schnelles Erhitzen/Abkühlen und kurzes Verweilen auf der Zieltemperatur, manchmal auch Rapid Thermal Processing (RTP) genannt.

Bei der Bildung ultraflacher Verbindungen erreicht das schnelle thermische Ausheilen eine Kompromissoptimierung zwischen der Reparatur von Gitterdefekten, der Aktivierung von Verunreinigungen und der Minimierung der Diffusion von Verunreinigungen und ist im Herstellungsprozess von Knotenpunkten mit fortschrittlicher Technologie unverzichtbar.

Der Temperaturanstiegs-/Abfallprozess und das kurze Verweilen auf der Zieltemperatur bilden zusammen das Wärmebudget des schnellen thermischen Glühens.

Das herkömmliche schnelle thermische Glühen hat eine Temperatur von etwa 1000 °C und dauert Sekunden. In den letzten Jahren sind die Anforderungen an schnelles thermisches Glühen immer strenger geworden, und Flash-Glühen, Spike-Glühen und Laser-Glühen haben sich nach und nach weiterentwickelt, wobei die Glühzeiten Millisekunden erreichen und sich tendenziell sogar in Richtung Mikrosekunden und Submikrosekunden entwickeln.

3 . Drei Heizprozessgeräte

3.1 Diffusions- und Oxidationsausrüstung

Der Diffusionsprozess nutzt hauptsächlich das Prinzip der thermischen Diffusion unter Hochtemperaturbedingungen (normalerweise 900–1200 °C), um Verunreinigungselemente in einer erforderlichen Tiefe in das Siliziumsubstrat einzubauen, um ihm eine spezifische Konzentrationsverteilung zu verleihen und so die elektrischen Eigenschaften des Siliziumsubstrats zu verändern Material und bilden eine Halbleiterbauelementstruktur.

In der Silizium-IC-Technologie wird der Diffusionsprozess zur Herstellung von PN-Übergängen oder Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren, Verbindungsleitungen, Dioden und Transistoren in integrierten Schaltkreisen sowie zur Isolierung zwischen Komponenten verwendet.

Aufgrund der Unfähigkeit, die Verteilung der Dotierungskonzentration genau zu steuern, wurde der Diffusionsprozess bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen mit Waferdurchmessern von 200 mm und mehr nach und nach durch den Ionenimplantationsdotierungsprozess ersetzt, eine kleine Menge wird jedoch immer noch in schweren Fällen verwendet Dopingvorgänge.

Bei herkömmlichen Diffusionsgeräten handelt es sich hauptsächlich um horizontale Diffusionsöfen, und es gibt auch eine kleine Anzahl vertikaler Diffusionsöfen.

Horizontaler Diffusionsofen:

Es handelt sich um eine Wärmebehandlungsanlage, die häufig im Diffusionsprozess integrierter Schaltkreise mit Waferdurchmessern von weniger als 200 mm eingesetzt wird. Seine Merkmale bestehen darin, dass der Heizofenkörper, das Reaktionsrohr und das Quarzschiff, das die Wafer trägt, alle horizontal angeordnet sind, sodass es die Prozesseigenschaften einer guten Gleichmäßigkeit zwischen den Wafern aufweist.

Es ist nicht nur eines der wichtigen Front-End-Geräte in der Produktionslinie für integrierte Schaltkreise, sondern wird auch häufig bei Diffusions-, Oxidations-, Glüh-, Legierungs- und anderen Prozessen in Branchen wie diskreten Geräten, leistungselektronischen Geräten, optoelektronischen Geräten und optischen Fasern eingesetzt .

Vertikaler Diffusionsofen:

Bezieht sich im Allgemeinen auf eine Batch-Wärmebehandlungsanlage, die im integrierten Schaltkreisprozess für Wafer mit einem Durchmesser von 200 mm und 300 mm verwendet wird und allgemein als Vertikalofen bezeichnet wird.

Die strukturellen Merkmale des vertikalen Diffusionsofens bestehen darin, dass der Heizofenkörper, das Reaktionsrohr und das Quarzschiffchen, das den Wafer trägt, alle vertikal und der Wafer horizontal angeordnet sind. Es zeichnet sich durch eine gute Gleichmäßigkeit innerhalb des Wafers, einen hohen Automatisierungsgrad und eine stabile Systemleistung aus und kann die Anforderungen großer Produktionslinien für integrierte Schaltkreise erfüllen.

Der vertikale Diffusionsofen ist eine wichtige Ausrüstung in der Produktionslinie für integrierte Halbleiterschaltkreise und wird auch häufig in verwandten Prozessen in den Bereichen leistungselektronische Geräte (IGBT) usw. verwendet.

Der vertikale Diffusionsofen ist auf Oxidationsprozesse wie trockene Sauerstoffoxidation, Wasserstoff-Sauerstoff-Syntheseoxidation, Siliziumoxinitridoxidation und Dünnschichtwachstumsprozesse wie Siliziumdioxid, Polysilizium, Siliziumnitrid (Si3N4) und Atomlagenabscheidung anwendbar.

Es wird auch häufig beim Hochtemperaturglühen, Kupferglühen und Legierungsprozessen verwendet. Im Hinblick auf den Diffusionsprozess werden vertikale Diffusionsöfen manchmal auch bei Prozessen mit starker Dotierung eingesetzt.

3.2 Schnellglühausrüstung

RTP-Geräte (Rapid Thermal Processing) sind Geräte zur Wärmebehandlung einzelner Wafer, die die Temperatur des Wafers schnell auf die für den Prozess erforderliche Temperatur (200–1300 °C) erhöhen und ihn schnell abkühlen können. Die Heiz-/Kühlrate beträgt im Allgemeinen 20–250 °C/s.

Neben einem breiten Spektrum an Energiequellen und Glühzeiten bieten RTP-Geräte auch andere hervorragende Prozessleistungen, wie z. B. eine hervorragende Kontrolle des Wärmehaushalts und eine bessere Oberflächengleichmäßigkeit (insbesondere bei großen Wafern), die Reparatur von durch Ionenimplantation verursachten Waferschäden usw Mehrere Kammern können verschiedene Prozessschritte gleichzeitig ausführen.

Darüber hinaus können RTP-Geräte Prozessgase flexibel und schnell umwandeln und anpassen, sodass mehrere Wärmebehandlungsprozesse im selben Wärmebehandlungsprozess durchgeführt werden können.

RTP-Geräte werden am häufigsten beim schnellen thermischen Ausheilen (RTA) eingesetzt. Nach der Ionenimplantation ist eine RTP-Ausrüstung erforderlich, um die durch die Ionenimplantation verursachten Schäden zu reparieren, dotierte Protonen zu aktivieren und die Diffusion von Verunreinigungen wirksam zu hemmen.

Im Allgemeinen liegt die Temperatur zur Reparatur von Gitterfehlern bei etwa 500 °C, während für die Aktivierung dotierter Atome 950 °C erforderlich sind. Die Aktivierung von Verunreinigungen hängt von Zeit und Temperatur ab. Je länger die Zeit und je höher die Temperatur, desto stärker werden die Verunreinigungen aktiviert, aber es trägt nicht dazu bei, die Diffusion der Verunreinigungen zu hemmen.

Da die RTP-Ausrüstung die Eigenschaften eines schnellen Temperaturanstiegs/-abfalls und einer kurzen Dauer aufweist, kann der Glühprozess nach der Ionenimplantation die optimale Parameterauswahl zwischen Gitterdefektreparatur, Verunreinigungsaktivierung und Hemmung der Verunreinigungsdiffusion erreichen.

RTA ist hauptsächlich in die folgenden vier Kategorien unterteilt:

(1)Spitzenglühen

Sein Merkmal ist, dass es sich auf den schnellen Aufheiz-/Abkühlprozess konzentriert, aber im Grunde keinen Wärmeerhaltungsprozess hat. Das Spike-Annealing bleibt für eine sehr kurze Zeit am Hochtemperaturpunkt und seine Hauptfunktion besteht darin, die Dotierungselemente zu aktivieren.

In tatsächlichen Anwendungen beginnt sich der Wafer ab einem bestimmten stabilen Standby-Temperaturpunkt schnell aufzuheizen und kühlt sofort ab, nachdem er den Zieltemperaturpunkt erreicht hat.

Da die Aufrechterhaltungszeit am Zieltemperaturpunkt (d. h. am Spitzentemperaturpunkt) sehr kurz ist, kann der Glühprozess den Grad der Verunreinigungsaktivierung maximieren und den Grad der Verunreinigungsdiffusion minimieren, während gleichzeitig gute Fehlerausheilungsreparatureigenschaften erzielt werden, was zu höheren Ergebnissen führt Verbindungsqualität und geringerer Leckstrom.

Spike-Annealing wird häufig bei Prozessen mit ultraflachen Verbindungen nach 65 nm eingesetzt. Zu den Prozessparametern des Spike-Annealing gehören hauptsächlich Spitzentemperatur, Spitzenverweilzeit, Temperaturdivergenz und Waferwiderstand nach dem Prozess.

Je kürzer die Spitzenverweilzeit, desto besser. Sie hängt hauptsächlich von der Heiz-/Kühlrate des Temperiersystems ab, manchmal hat aber auch die gewählte Prozessgasatmosphäre einen gewissen Einfluss darauf.

Helium hat beispielsweise ein kleines Atomvolumen und eine schnelle Diffusionsrate, was eine schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung begünstigt und die Peakbreite oder Peakverweilzeit verringern kann. Daher wird manchmal Helium zur Unterstützung des Heizens und Kühlens verwendet.

(2)Lampenglühen

Die Lampenglühtechnologie ist weit verbreitet. Als Schnellglühwärmequellen werden im Allgemeinen Halogenlampen verwendet. Ihre hohen Heiz-/Kühlraten und die präzise Temperaturregelung können die Anforderungen von Herstellungsprozessen über 65 nm erfüllen.

Es kann jedoch die strengen Anforderungen des 45-nm-Prozesses nicht vollständig erfüllen (nach dem 45-nm-Prozess, wenn der Nickel-Silizium-Kontakt des Logik-LSI auftritt, muss der Wafer innerhalb von Millisekunden schnell von 200 °C auf über 1000 °C erhitzt werden). Daher ist in der Regel ein Laserglühen erforderlich).

(3)Laserglühen

Beim Laser-Annealing wird direkt mit einem Laser die Temperatur der Waferoberfläche schnell erhöht, bis sie ausreicht, um den Siliziumkristall zu schmelzen und ihn hochaktiv zu machen.

Die Vorteile des Laserglühens liegen in der extrem schnellen Erwärmung und feinfühligen Steuerung. Es ist keine Filamentheizung erforderlich und es gibt grundsätzlich keine Probleme mit der Temperaturverzögerung und der Filamentlebensdauer.

Aus technischer Sicht weist das Laserglühen jedoch Leckstrom- und Rückstandsdefektprobleme auf, die auch einen gewissen Einfluss auf die Geräteleistung haben.

(4)Blitzglühen

Beim Flash-Annealing handelt es sich um eine Glühtechnologie, die hochintensive Strahlung nutzt, um bei einer bestimmten Vorheiztemperatur ein Spike-Annealing auf Wafern durchzuführen.

Der Wafer wird auf 600–800 °C vorgeheizt und anschließend wird hochintensive Strahlung zur kurzzeitigen Pulsbestrahlung eingesetzt. Wenn die Spitzentemperatur des Wafers die erforderliche Ausheiltemperatur erreicht, wird die Strahlung sofort abgeschaltet.

RTP-Geräte werden zunehmend in der Herstellung moderner integrierter Schaltkreise eingesetzt.

RTP-Geräte werden nicht nur häufig in RTA-Prozessen eingesetzt, sondern auch zunehmend in der schnellen thermischen Oxidation, der schnellen thermischen Nitrierung, der schnellen thermischen Diffusion, der schnellen chemischen Gasphasenabscheidung sowie bei der Erzeugung von Metallsiliziden und epitaktischen Prozessen.

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