Processi e apparecchiature per semiconduttori (3/7) -Processi e apparecchiature di riscaldamento

1. Panoramica

Il riscaldamento, noto anche come trattamento termico, si riferisce a procedure di produzione che operano a temperature elevate, solitamente superiori al punto di fusione dell'alluminio.

Il processo di riscaldamento viene solitamente eseguito in un forno ad alta temperatura e comprende processi importanti come l'ossidazione, la diffusione delle impurità e la ricottura per la riparazione dei difetti dei cristalli nella produzione di semiconduttori.

Ossidazione: è un processo in cui un wafer di silicio viene posto in un'atmosfera di ossidanti come ossigeno o vapore acqueo per un trattamento termico ad alta temperatura, provocando una reazione chimica sulla superficie del wafer di silicio per formare una pellicola di ossido.

Diffusione delle impurità: si riferisce all'uso dei principi di diffusione termica in condizioni di alta temperatura per introdurre elementi di impurità nel substrato di silicio in base ai requisiti di processo, in modo che abbia una distribuzione di concentrazione specifica, modificando così le proprietà elettriche del materiale di silicio.

La ricottura si riferisce al processo di riscaldamento del wafer di silicio dopo l'impianto di ioni per riparare i difetti del reticolo causati dall'impianto di ioni.

Esistono tre tipi fondamentali di apparecchiature utilizzate per l'ossidazione/diffusione/ricottura:

• Forno orizzontale;
• Forno verticale;
• Forno a riscaldamento rapido: apparecchiature per trattamento termico rapido

I tradizionali processi di trattamento termico utilizzano principalmente un trattamento a lungo termine ad alta temperatura per eliminare i danni causati dall'impianto ionico, ma i suoi svantaggi sono la rimozione incompleta dei difetti e la bassa efficienza di attivazione delle impurità impiantate.

Inoltre, a causa dell'elevata temperatura di ricottura e del lungo tempo, è probabile che si verifichi una ridistribuzione delle impurità, causando la diffusione di una grande quantità di impurità e non soddisfacendo i requisiti di giunzioni poco profonde e distribuzione stretta delle impurità.

La ricottura termica rapida di wafer impiantati con ioni utilizzando apparecchiature RTP (Rapid Thermal Processing) è un metodo di trattamento termico che riscalda l'intero wafer a una determinata temperatura (generalmente 400-1300°C) in un tempo molto breve.

Rispetto alla ricottura con riscaldamento in forno, presenta i vantaggi di un budget termico inferiore, una gamma più piccola di movimento delle impurità nell'area del drogaggio, un minore inquinamento e tempi di lavorazione più brevi.

Il processo di ricottura termica rapida può utilizzare una varietà di fonti di energia e l'intervallo di tempi di ricottura è molto ampio (da 100 a 10-9 secondi, come ricottura con lampada, ricottura laser, ecc.). Può attivare completamente le impurità sopprimendo efficacemente la ridistribuzione delle impurità. Attualmente è ampiamente utilizzato nei processi di produzione di circuiti integrati di fascia alta con diametri di wafer superiori a 200 mm.

2. Secondo processo di riscaldamento

2.1 Processo di ossidazione

Nel processo di produzione dei circuiti integrati esistono due metodi per formare pellicole di ossido di silicio: ossidazione termica e deposizione.

Il processo di ossidazione si riferisce al processo di formazione di SiO2 sulla superficie dei wafer di silicio mediante ossidazione termica. La pellicola di SiO2 formata dall'ossidazione termica è ampiamente utilizzata nel processo di produzione di circuiti integrati grazie alle sue proprietà di isolamento elettrico e alla fattibilità del processo superiori.

Le sue applicazioni più importanti sono le seguenti:

• Proteggi i dispositivi da graffi e contaminazione;
• Limitazione dell'isolamento in campo dei portatori carichi (passivazione superficiale);
• Materiali dielettrici in strutture di ossido di gate o celle di stoccaggio;
• Mascheramento degli impianti nel doping;
• Uno strato dielettrico tra strati conduttivi metallici.

(1)Protezione e isolamento del dispositivo

Il SiO2 cresciuto sulla superficie di un wafer (wafer di silicio) può fungere da efficace strato barriera per isolare e proteggere i dispositivi sensibili all'interno del silicio.

Poiché SiO2 è un materiale duro e non poroso (denso), può essere utilizzato per isolare efficacemente i dispositivi attivi sulla superficie del silicio. Lo strato duro di SiO2 proteggerà il wafer di silicio da graffi e danni che potrebbero verificarsi durante il processo di produzione.

(2)Passivazione superficiale

Passivazione superficiale Uno dei principali vantaggi del SiO2 cresciuto termicamente è che può ridurre la densità dello stato superficiale del silicio vincolandone i legami pendenti, un effetto noto come passivazione superficiale.

Previene il degrado elettrico e riduce il percorso della corrente di dispersione causata da umidità, ioni o altri contaminanti esterni. Lo strato duro di SiO2 protegge il Si da graffi e danni di processo che possono verificarsi durante la post-produzione.

Lo strato di SiO2 cresciuto sulla superficie del Si può legare i contaminanti elettricamente attivi (contaminazione di ioni mobili) sulla superficie del Si. La passivazione è importante anche per controllare la corrente di dispersione dei dispositivi di giunzione e per la crescita stabile degli ossidi di gate.

Essendo uno strato di passivazione di alta qualità, lo strato di ossido ha requisiti di qualità come spessore uniforme, assenza di fori di spillo e vuoti.

Un altro fattore nell'utilizzo di uno strato di ossido come strato di passivazione superficiale di Si è lo spessore dello strato di ossido. Lo strato di ossido deve essere sufficientemente spesso da impedire che lo strato metallico si carichi a causa dell'accumulo di carica sulla superficie del silicio, che è simile alle caratteristiche di accumulo e rottura della carica dei normali condensatori.

SiO2 ha anche un coefficiente di dilatazione termica molto simile al Si. I wafer di silicio si espandono durante i processi ad alta temperatura e si contraggono durante il raffreddamento.

Il SiO2 si espande o si contrae a una velocità molto vicina a quella del Si, riducendo al minimo la deformazione del wafer di silicio durante il processo termico. Ciò evita anche la separazione del film di ossido dalla superficie del silicio a causa dello stress del film.

(3)Dielettrico ad ossido di gate

Per la struttura di ossido di gate più comunemente utilizzata e importante nella tecnologia MOS, come materiale dielettrico viene utilizzato uno strato di ossido estremamente sottile. Poiché lo strato di ossido di gate e il Si sottostante hanno caratteristiche di elevata qualità e stabilità, lo strato di ossido di gate è generalmente ottenuto mediante crescita termica.

SiO2 ha un'elevata rigidità dielettrica (107 V/m) e un'elevata resistività (circa 1017 Ω·cm).

La chiave per l'affidabilità dei dispositivi MOS è l'integrità dello strato di ossido di gate. La struttura del gate nei dispositivi MOS controlla il flusso di corrente. Poiché questo ossido è la base per il funzionamento dei microchip basati sulla tecnologia ad effetto di campo,

Pertanto, alta qualità, eccellente uniformità dello spessore del film e assenza di impurità sono i suoi requisiti fondamentali. Qualsiasi contaminazione che possa degradare la funzione della struttura dell'ossido di gate deve essere rigorosamente controllata.

(4)Barriera antidoping

SiO2 può essere utilizzato come efficace strato mascherante per il drogaggio selettivo della superficie del silicio. Una volta formato uno strato di ossido sulla superficie del silicio, il SiO2 nella parte trasparente della maschera viene inciso per formare una finestra attraverso la quale il materiale drogante può entrare nel wafer di silicio.

Dove non sono presenti finestre, l'ossido può proteggere la superficie del silicio e impedire la diffusione delle impurità, consentendo così l'impianto selettivo delle impurità.

I droganti si muovono lentamente nel SiO2 rispetto al Si, quindi è necessario solo un sottile strato di ossido per bloccare i droganti (notare che questa velocità dipende dalla temperatura).

Nelle aree in cui è richiesto l'impianto di ioni, è possibile utilizzare anche un sottile strato di ossido (ad esempio, 150 Å di spessore), che può essere utilizzato per ridurre al minimo i danni alla superficie del silicio.

Consente inoltre un migliore controllo della profondità della giunzione durante l'impianto delle impurità riducendo l'effetto di canalizzazione. Dopo l'impianto, l'ossido può essere rimosso selettivamente con acido fluoridrico per rendere nuovamente piana la superficie del silicio.

(5)Strato dielettrico tra strati metallici

SiO2 non conduce elettricità in condizioni normali, quindi è un efficace isolante tra gli strati metallici nei microchip. SiO2 può prevenire i cortocircuiti tra lo strato metallico superiore e lo strato metallico inferiore, proprio come l'isolante sul filo può prevenire i cortocircuiti.

Il requisito di qualità per l'ossido è che sia privo di fori di spillo e vuoti. Spesso viene drogato per ottenere una fluidità più efficace, in grado di minimizzare meglio la diffusione della contaminazione. Di solito è ottenuto mediante deposizione chimica da vapore anziché crescita termica.

A seconda del gas di reazione, il processo di ossidazione viene solitamente suddiviso in:

• Ossidazione con ossigeno secco: Si + O2→SiO2;
• Ossidazione con ossigeno umido: 2H2O (vapore acqueo) + Si→SiO2+2H2;
• Ossidazione drogata con cloro: il gas di cloro, come l'acido cloridrico (HCl), il dicloroetilene DCE (C2H2Cl2) o i suoi derivati, viene aggiunto all'ossigeno per migliorare il tasso di ossidazione e la qualità dello strato di ossido.

(1)Processo di ossidazione dell'ossigeno secco: Le molecole di ossigeno nel gas di reazione diffondono attraverso lo strato di ossido già formato, raggiungono l'interfaccia tra SiO2 e Si, reagiscono con Si e quindi formano uno strato di SiO2.

Il SiO2 preparato mediante ossidazione con ossigeno secco ha una struttura densa, uno spessore uniforme, una forte capacità di mascheramento per iniezione e diffusione ed elevata ripetibilità del processo. Il suo svantaggio è che il tasso di crescita è lento.

Questo metodo viene generalmente utilizzato per l'ossidazione di alta qualità, come l'ossidazione dielettrica del gate, l'ossidazione dello strato tampone sottile o per avviare l'ossidazione e terminare l'ossidazione durante l'ossidazione dello strato tampone spesso.

(2)Processo di ossidazione dell'ossigeno umido: Il vapore acqueo può essere trasportato direttamente nell'ossigeno oppure può essere ottenuto dalla reazione di idrogeno e ossigeno. Il tasso di ossidazione può essere modificato regolando il rapporto di pressione parziale tra idrogeno o vapore acqueo e ossigeno.

Si noti che per garantire la sicurezza, il rapporto tra idrogeno e ossigeno non deve superare 1,88:1. L'ossidazione dell'ossigeno umido è dovuta alla presenza sia di ossigeno che di vapore acqueo nel gas di reazione e il vapore acqueo si decompone in ossido di idrogeno (HO) ad alte temperature.

La velocità di diffusione dell'ossido di idrogeno nell'ossido di silicio è molto più veloce di quella dell'ossigeno, quindi la velocità di ossidazione dell'ossigeno umido è circa un ordine di grandezza superiore alla velocità di ossidazione dell'ossigeno secco.

(3)Processo di ossidazione drogata con cloro: Oltre alla tradizionale ossidazione con ossigeno secco e all'ossidazione con ossigeno umido, è possibile aggiungere all'ossigeno gas di cloro, come acido cloridrico (HCl), dicloroetilene DCE (C2H2Cl2) o suoi derivati, per migliorare il tasso di ossidazione e la qualità dello strato di ossido .

La ragione principale dell’aumento del tasso di ossidazione è che quando viene aggiunto cloro per l’ossidazione, non solo il reagente contiene vapore acqueo che può accelerare l’ossidazione, ma il cloro si accumula anche vicino all’interfaccia tra Si e SiO2. In presenza di ossigeno, i composti del clorosilicio vengono facilmente convertiti in ossido di silicio, che può catalizzare l'ossidazione.

La ragione principale del miglioramento della qualità dello strato di ossido è che gli atomi di cloro nello strato di ossido possono purificare l'attività degli ioni di sodio, riducendo così i difetti di ossidazione introdotti dalla contaminazione da ioni di sodio delle apparecchiature e delle materie prime di processo. Pertanto, il doping con cloro è coinvolto nella maggior parte dei processi di ossidazione dell'ossigeno secco.

2.2 Processo di diffusione

La diffusione tradizionale si riferisce al trasferimento di sostanze da aree a concentrazione maggiore ad aree a concentrazione minore fino a quando non vengono distribuite uniformemente. Il processo di diffusione segue la legge di Fick. La diffusione può avvenire tra due o più sostanze e la concentrazione e le differenze di temperatura tra aree diverse portano la distribuzione delle sostanze ad uno stato di equilibrio uniforme.

Una delle proprietà più importanti dei materiali semiconduttori è che la loro conduttività può essere regolata aggiungendo diversi tipi o concentrazioni di droganti. Nella produzione di circuiti integrati, questo processo viene solitamente ottenuto tramite processi di drogaggio o diffusione.

A seconda degli obiettivi di progettazione, materiali semiconduttori come silicio, germanio o composti III-V possono ottenere due diverse proprietà semiconduttrici, di tipo N o di tipo P, drogandosi con impurità donatrici o impurità accettrici.

Il drogaggio dei semiconduttori viene effettuato principalmente attraverso due metodi: diffusione o impiantazione ionica, ciascuno con le proprie caratteristiche:

Il doping per diffusione è meno costoso, ma la concentrazione e la profondità del materiale drogante non possono essere controllate con precisione;

Sebbene l'impianto ionico sia relativamente costoso, consente un controllo preciso dei profili di concentrazione del drogante.

Prima degli anni '70, le dimensioni della grafica dei circuiti integrati erano dell'ordine di 10 μm e per il drogaggio veniva generalmente utilizzata la tradizionale tecnologia di diffusione termica.

Il processo di diffusione viene utilizzato principalmente per modificare i materiali semiconduttori. Diffondendo diverse sostanze nei materiali semiconduttori, è possibile modificarne la conduttività e altre proprietà fisiche.

Ad esempio, diffondendo l'elemento trivalente boro nel silicio, si forma un semiconduttore di tipo P; drogando elementi pentavalenti fosforo o arsenico si forma un semiconduttore di tipo N. Quando un semiconduttore di tipo P con più lacune entra in contatto con un semiconduttore di tipo N con più elettroni, si forma una giunzione PN.

Man mano che le dimensioni delle caratteristiche si riducono, il processo di diffusione isotropa rende possibile la diffusione dei droganti sull'altro lato dello strato di ossido di schermatura, provocando cortocircuiti tra regioni adiacenti.

Fatta eccezione per alcuni usi speciali (come la diffusione a lungo termine per formare aree resistenti all'alta tensione uniformemente distribuite), il processo di diffusione è stato gradualmente sostituito dall'impianto ionico.

Tuttavia, nella generazione tecnologica inferiore a 10 nm, poiché la dimensione dell'aletta nel dispositivo FinFET (transistor a effetto di campo tridimensionale) è molto piccola, l'impianto ionico ne danneggerà la minuscola struttura. L'uso del processo di diffusione a sorgente solida può risolvere questo problema.

2.3 Processo di degrado

Il processo di ricottura è anche chiamato ricottura termica. Il processo consiste nel posizionare il wafer di silicio in un ambiente ad alta temperatura per un certo periodo di tempo per modificare la microstruttura sulla superficie o all'interno del wafer di silicio per raggiungere uno scopo di processo specifico.

I parametri più critici nel processo di ricottura sono la temperatura e il tempo. Maggiore è la temperatura e più lungo il tempo, maggiore è il budget termico.

Nell'effettivo processo di produzione dei circuiti integrati, il bilancio termico è strettamente controllato. Se nel flusso di processo sono presenti più processi di ricottura, il bilancio termico può essere espresso come la sovrapposizione di più trattamenti termici.

Tuttavia, con la miniaturizzazione dei nodi del processo, il budget termico consentito nell'intero processo diventa sempre più piccolo, ovvero la temperatura del processo termico ad alta temperatura diminuisce e il tempo si accorcia.

Di solito, il processo di ricottura è combinato con l'impianto di ioni, la deposizione di film sottile, la formazione di siliciuro metallico e altri processi. Il più comune è la ricottura termica dopo l'impianto ionico.

L'impianto ionico avrà un impatto sugli atomi del substrato, provocandone la rottura dalla struttura reticolare originale e danneggiando il reticolo del substrato. La ricottura termica può riparare il danno reticolare causato dall'impianto ionico e può anche spostare gli atomi di impurità impiantati dagli spazi reticolari ai siti reticolari, attivandoli così.

La temperatura richiesta per la riparazione del danno reticolare è di circa 500°C, e la temperatura richiesta per l'attivazione delle impurità è di circa 950°C. In teoria, più lungo è il tempo di ricottura e maggiore è la temperatura, maggiore è il tasso di attivazione delle impurità, ma un budget termico troppo elevato porterà a un'eccessiva diffusione delle impurità, rendendo il processo incontrollabile e, in ultima analisi, causando un degrado delle prestazioni del dispositivo e del circuito.

Pertanto, con lo sviluppo della tecnologia di produzione, la tradizionale ricottura in forno a lungo termine è stata gradualmente sostituita dalla ricottura termica rapida (RTA).

Nel processo di produzione, alcuni film specifici devono essere sottoposti a un processo di ricottura termica dopo la deposizione per modificare alcune proprietà fisiche o chimiche del film. Ad esempio, una pellicola sciolta diventa densa, modificando la velocità di incisione a secco o ad umido;

Un altro processo di ricottura comunemente usato avviene durante la formazione del siliciuro metallico. Film metallici come cobalto, nichel, titanio, ecc. vengono spruzzati sulla superficie del wafer di silicio e, dopo una rapida ricottura termica a una temperatura relativamente bassa, il metallo e il silicio possono formare una lega.

Alcuni metalli formano diverse fasi di lega in diverse condizioni di temperatura. In generale, si spera che durante il processo si formi una fase di lega con resistenza di contatto e resistenza del corpo inferiori.

In base ai diversi requisiti di budget termico, il processo di ricottura è suddiviso in ricottura in forno ad alta temperatura e ricottura termica rapida.

• Ricottura tubi forno ad alta temperatura:

È un metodo di ricottura tradizionale con alta temperatura, lunghi tempi di ricottura e budget elevato.

In alcuni processi speciali, come la tecnologia di isolamento con iniezione di ossigeno per la preparazione di substrati SOI e processi di diffusione in pozzi profondi, è ampiamente utilizzato. Tali processi generalmente richiedono un budget termico più elevato per ottenere un reticolo perfetto o una distribuzione uniforme delle impurità.

• Ricottura termica rapida:

È il processo di lavorazione dei wafer di silicio mediante riscaldamento/raffreddamento estremamente rapido e breve permanenza alla temperatura target, talvolta chiamato anche Rapid Thermal Processing (RTP).

Nel processo di formazione di giunzioni ultra superficiali, la ricottura termica rapida raggiunge un'ottimizzazione di compromesso tra riparazione dei difetti reticolari, attivazione delle impurità e minimizzazione della diffusione delle impurità ed è indispensabile nel processo di produzione di nodi tecnologici avanzati.

Il processo di aumento/diminuzione della temperatura e il breve soggiorno alla temperatura target costituiscono insieme il bilancio termico della ricottura termica rapida.

La tradizionale ricottura termica rapida ha una temperatura di circa 1000°C e richiede pochi secondi. Negli ultimi anni, i requisiti per la ricottura termica rapida sono diventati sempre più rigorosi e la ricottura flash, la ricottura a punta e la ricottura laser si sono gradualmente sviluppate, con tempi di ricottura che raggiungono i millisecondi e tendono addirittura a svilupparsi verso i microsecondi e i sub-microsecondi.

3 . Tre apparecchiature per il processo di riscaldamento

3.1 Apparecchiature di diffusione e ossidazione

Il processo di diffusione utilizza principalmente il principio della diffusione termica in condizioni di alta temperatura (solitamente 900-1200 ℃) per incorporare elementi impuri nel substrato di silicio alla profondità richiesta per conferirgli una distribuzione di concentrazione specifica, al fine di modificare le proprietà elettriche del materiale e formare una struttura di dispositivo a semiconduttore.

Nella tecnologia dei circuiti integrati in silicio, il processo di diffusione viene utilizzato per realizzare giunzioni PN o componenti come resistori, condensatori, cavi di interconnessione, diodi e transistor nei circuiti integrati e viene utilizzato anche per l'isolamento tra i componenti.

A causa dell'incapacità di controllare accuratamente la distribuzione della concentrazione di drogante, il processo di diffusione è stato gradualmente sostituito dal processo di drogaggio con impiantazione ionica nella produzione di circuiti integrati con diametro di wafer di 200 mm e superiore, ma una piccola quantità è ancora utilizzata nei circuiti pesanti processi di doping.

Le apparecchiature di diffusione tradizionali sono principalmente forni a diffusione orizzontale, ma esiste anche un piccolo numero di forni a diffusione verticale.

Forno a diffusione orizzontale:

Si tratta di un'apparecchiatura per il trattamento termico ampiamente utilizzata nel processo di diffusione di circuiti integrati con diametro wafer inferiore a 200 mm. Le sue caratteristiche sono che il corpo del forno di riscaldamento, il tubo di reazione e la barca di quarzo che trasportano i wafer sono tutti posizionati orizzontalmente, quindi ha le caratteristiche di processo di buona uniformità tra i wafer.

Non è solo una delle importanti apparecchiature front-end sulla linea di produzione di circuiti integrati, ma è anche ampiamente utilizzata nella diffusione, ossidazione, ricottura, lega e altri processi in settori quali dispositivi discreti, dispositivi elettronici di potenza, dispositivi optoelettronici e fibre ottiche. .

Forno a diffusione verticale:

Si riferisce generalmente a un'apparecchiatura per il trattamento termico batch utilizzata nel processo di circuito integrato per wafer con un diametro di 200 mm e 300 mm, comunemente nota come forno verticale.

Le caratteristiche strutturali del forno a diffusione verticale sono che il corpo del forno di riscaldamento, il tubo di reazione e la barca al quarzo che trasporta il wafer sono tutti posizionati verticalmente e il wafer è posizionato orizzontalmente. Ha le caratteristiche di buona uniformità all'interno del wafer, elevato grado di automazione e prestazioni di sistema stabili, in grado di soddisfare le esigenze delle linee di produzione di circuiti integrati su larga scala.

Il forno a diffusione verticale è una delle apparecchiature importanti nella linea di produzione di circuiti integrati a semiconduttori ed è anche comunemente utilizzato in processi correlati nel campo dei dispositivi elettronici di potenza (IGBT) e così via.

Il forno a diffusione verticale è applicabile a processi di ossidazione come ossidazione con ossigeno secco, ossidazione con sintesi di idrogeno-ossigeno, ossidazione con ossinitruro di silicio e processi di crescita di film sottili come biossido di silicio, polisilicio, nitruro di silicio (Si3N4) e deposizione di strati atomici.

È anche comunemente usato nei processi di ricottura ad alta temperatura, ricottura del rame e lega. In termini di processo di diffusione, i forni a diffusione verticale vengono talvolta utilizzati anche nei processi di drogaggio pesante.

3.2 Apparecchiature per la ricottura rapida

L'apparecchiatura RTP (Rapid Thermal Processing) è un'apparecchiatura per il trattamento termico di un singolo wafer in grado di aumentare rapidamente la temperatura del wafer fino alla temperatura richiesta dal processo (200-1300°C) e di raffreddarla rapidamente. La velocità di riscaldamento/raffreddamento è generalmente di 20-250°C/s.

Oltre a un'ampia gamma di fonti di energia e tempi di ricottura, le apparecchiature RTP offrono anche altre eccellenti prestazioni di processo, come un eccellente controllo del budget termico e una migliore uniformità della superficie (specialmente per wafer di grandi dimensioni), riparazione dei danni ai wafer causati dall'impianto di ioni e più camere possono eseguire diverse fasi del processo contemporaneamente.

Inoltre, le apparecchiature RTP possono convertire e regolare in modo flessibile e rapido i gas di processo, in modo che più processi di trattamento termico possano essere completati nello stesso processo di trattamento termico.

Le apparecchiature RTP sono più comunemente utilizzate nella ricottura termica rapida (RTA). Dopo l'impianto ionico, è necessaria l'attrezzatura RTP per riparare il danno causato dall'impianto ionico, attivare i protoni drogati e inibire efficacemente la diffusione delle impurità.

In generale, la temperatura per riparare i difetti reticolari è di circa 500°C, mentre per attivare gli atomi drogati sono necessari 950°C. L'attivazione delle impurità è legata al tempo e alla temperatura. Più lungo è il tempo e più alta è la temperatura, più pienamente vengono attivate le impurità, ma ciò non favorisce l'inibizione della diffusione delle impurità.

Poiché l'apparecchiatura RTP ha le caratteristiche di un rapido aumento/diminuzione della temperatura e di una breve durata, il processo di ricottura dopo l'impianto di ioni può ottenere la selezione ottimale dei parametri tra riparazione dei difetti reticolari, attivazione delle impurità e inibizione della diffusione delle impurità.

RTA è principalmente suddiviso nelle seguenti quattro categorie:

(1)Ricottura del picco

La sua caratteristica è che si concentra sul processo di riscaldamento/raffreddamento rapido, ma sostanzialmente non ha alcun processo di conservazione del calore. La ricottura ad alta temperatura rimane per un tempo molto breve nel punto ad alta temperatura e la sua funzione principale è quella di attivare gli elementi droganti.

Nelle applicazioni reali, il wafer inizia a riscaldarsi rapidamente a partire da un determinato punto di temperatura di standby stabile e si raffredda immediatamente dopo aver raggiunto il punto di temperatura target.

Poiché il tempo di mantenimento al punto di temperatura target (ovvero, il punto di temperatura di picco) è molto breve, il processo di ricottura può massimizzare il grado di attivazione delle impurità e ridurre al minimo il grado di diffusione delle impurità, pur avendo buone caratteristiche di riparazione dei difetti di ricottura, con conseguente maggiore qualità del legame e minore corrente di dispersione.

La ricottura Spike è ampiamente utilizzata nei processi di giunzione ultra-superficiale dopo 65 nm. I parametri di processo della ricottura di picco includono principalmente la temperatura di picco, il tempo di permanenza del picco, la divergenza di temperatura e la resistenza del wafer dopo il processo.

Più breve è il tempo di permanenza del picco, meglio è. Dipende principalmente dalla velocità di riscaldamento/raffreddamento del sistema di controllo della temperatura, ma a volte anche l'atmosfera del gas di processo selezionato ha un certo impatto su di esso.

Ad esempio, l'elio ha un volume atomico piccolo e una velocità di diffusione rapida, che favorisce un trasferimento di calore rapido e uniforme e può ridurre l'ampiezza del picco o il tempo di residenza del picco. Pertanto, a volte viene scelto l'elio per assistere il riscaldamento e il raffreddamento.

(2)Ricottura in lampada

La tecnologia di ricottura della lampada è ampiamente utilizzata. Le lampade alogene sono generalmente utilizzate come fonti di calore per la ricottura rapida. Le loro elevate velocità di riscaldamento/raffreddamento e il controllo preciso della temperatura possono soddisfare i requisiti dei processi di produzione superiori a 65 nm.

Tuttavia, non può soddisfare pienamente i severi requisiti del processo a 45 nm (dopo il processo a 45 nm, quando si verifica il contatto nichel-silicio dell'LSI logico, il wafer deve essere riscaldato rapidamente da 200°C a oltre 1000°C in millisecondi, quindi generalmente è necessaria la ricottura laser).

(3)Ricottura laser

La ricottura laser è il processo che utilizza direttamente il laser per aumentare rapidamente la temperatura della superficie del wafer fino a quando non è sufficiente per fondere il cristallo di silicio, rendendolo altamente attivato.

I vantaggi della ricottura laser sono il riscaldamento estremamente rapido e il controllo sensibile. Non richiede il riscaldamento del filamento e praticamente non ci sono problemi con lo sfasamento della temperatura e la durata del filamento.

Tuttavia, da un punto di vista tecnico, la ricottura laser presenta problemi di corrente di dispersione e difetti residui, che avranno anche un certo impatto sulle prestazioni del dispositivo.

(4)Ricottura rapida

La ricottura flash è una tecnologia di ricottura che utilizza radiazioni ad alta intensità per eseguire la ricottura a punta sui wafer a una temperatura di preriscaldamento specifica.

Il wafer viene preriscaldato a 600-800°C, quindi viene utilizzata una radiazione ad alta intensità per l'irradiazione a impulsi di breve durata. Quando la temperatura di picco del wafer raggiunge la temperatura di ricottura richiesta, la radiazione viene immediatamente disattivata.

Le apparecchiature RTP sono sempre più utilizzate nella produzione avanzata di circuiti integrati.

Oltre ad essere ampiamente utilizzate nei processi RTA, le apparecchiature RTP hanno iniziato ad essere utilizzate anche nell'ossidazione termica rapida, nella nitrurazione termica rapida, nella diffusione termica rapida, nella deposizione rapida di vapori chimici, nonché nella generazione di siliciuro metallico e nei processi epitassiali.

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