1. ภาพรวม
การทำความร้อนหรือที่เรียกว่าการประมวลผลด้วยความร้อน หมายถึงขั้นตอนการผลิตที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง ซึ่งมักจะสูงกว่าจุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียม
โดยทั่วไปกระบวนการให้ความร้อนจะดำเนินการในเตาเผาที่มีอุณหภูมิสูง และรวมถึงกระบวนการที่สำคัญ เช่น ออกซิเดชัน การแพร่กระจายของสิ่งเจือปน และการหลอมเพื่อซ่อมแซมข้อบกพร่องของคริสตัลในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
ออกซิเดชัน: เป็นกระบวนการที่นำแผ่นซิลิคอนเวเฟอร์ไปวางในบรรยากาศของสารออกซิแดนท์ เช่น ออกซิเจนหรือไอน้ำ เพื่อบำบัดความร้อนที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของแผ่นซิลิคอนเวเฟอร์จนเกิดเป็นฟิล์มออกไซด์
การแพร่กระจายของสิ่งเจือปน: หมายถึงการใช้หลักการแพร่กระจายความร้อนภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อแนะนำองค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ลงในพื้นผิวซิลิกอนตามความต้องการของกระบวนการ เพื่อให้มีการกระจายความเข้มข้นเฉพาะ ซึ่งจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุซิลิกอน
การหลอมหมายถึงกระบวนการให้ความร้อนแผ่นซิลิคอนเวเฟอร์หลังจากการฝังไอออนเพื่อซ่อมแซมข้อบกพร่องของโครงตาข่ายที่เกิดจากการฝังไอออน
มีอุปกรณ์พื้นฐานสามประเภทที่ใช้สำหรับการเกิดออกซิเดชัน/การแพร่กระจาย/การหลอมอ่อน:
- เตาแนวนอน
- เตาแนวตั้ง
- เตาให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว: อุปกรณ์บำบัดความร้อนอย่างรวดเร็ว
กระบวนการบำบัดความร้อนแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ใช้การบำบัดที่อุณหภูมิสูงในระยะยาวเพื่อขจัดความเสียหายที่เกิดจากการฝังไอออน แต่ข้อเสียคือการกำจัดข้อบกพร่องที่ไม่สมบูรณ์และประสิทธิภาพในการกระตุ้นสิ่งเจือปนที่ฝังต่ำ
นอกจากนี้ เนื่องจากอุณหภูมิการอบอ่อนสูงและใช้เวลานาน การกระจายตัวของสิ่งเจือปนจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น ส่งผลให้สิ่งเจือปนจำนวนมากกระจายตัวและไม่สามารถตอบสนองความต้องการของทางแยกตื้นและการกระจายของสิ่งเจือปนในวงแคบ
การอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วของเวเฟอร์ที่ฝังไอออนโดยใช้อุปกรณ์การประมวลผลด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว (RTP) เป็นวิธีการรักษาความร้อนที่จะให้ความร้อนทั้งแผ่นเวเฟอร์จนถึงอุณหภูมิที่กำหนด (โดยทั่วไปคือ 400-1300°C) ในระยะเวลาอันสั้นมาก
เมื่อเปรียบเทียบกับการอบอ่อนด้วยความร้อนจากเตา มีข้อดีคือใช้งบประมาณด้านความร้อนน้อยกว่า มีช่วงการเคลื่อนที่ของสิ่งเจือปนในพื้นที่สารต้องห้ามน้อยกว่า มลพิษน้อยกว่า และเวลาดำเนินการสั้นกว่า
กระบวนการอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วสามารถใช้แหล่งพลังงานได้หลากหลาย และช่วงเวลาการอบอ่อนนั้นกว้างมาก (ตั้งแต่ 100 ถึง 10-9 วินาที เช่น การอบอ่อนด้วยหลอดไฟ การอบอ่อนด้วยเลเซอร์ เป็นต้น) สามารถกระตุ้นสิ่งเจือปนได้อย่างสมบูรณ์ในขณะที่ยับยั้งการกระจายตัวของสิ่งเจือปนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตวงจรรวมระดับไฮเอนด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเวเฟอร์มากกว่า 200 มม.
2. กระบวนการทำความร้อนครั้งที่สอง
2.1 กระบวนการออกซิเดชั่น
ในกระบวนการผลิตวงจรรวม มีสองวิธีในการสร้างฟิล์มซิลิคอนออกไซด์: การออกซิเดชันความร้อนและการสะสม
กระบวนการออกซิเดชันหมายถึงกระบวนการสร้าง SiO2 บนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนโดยการเกิดออกซิเดชันด้วยความร้อน ฟิล์ม SiO2 ที่เกิดจากการออกซิเดชันความร้อนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตวงจรรวม เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่เหนือกว่าและความเป็นไปได้ของกระบวนการ
การใช้งานที่สำคัญที่สุดมีดังนี้:
- ปกป้องอุปกรณ์จากรอยขีดข่วนและการปนเปื้อน
- การจำกัดการแยกสนามของพาหะที่มีประจุ (การสร้างทู่ที่พื้นผิว)
- วัสดุอิเล็กทริกในเกทออกไซด์หรือโครงสร้างเซลล์จัดเก็บ
- ฝังกำบังในการเติม;
- ชั้นอิเล็กทริกระหว่างชั้นโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
(1)การป้องกันและการแยกอุปกรณ์
SiO2 ที่ปลูกบนพื้นผิวของเวเฟอร์ (เวเฟอร์ซิลิคอน) สามารถทำหน้าที่เป็นชั้นกั้นที่มีประสิทธิภาพในการแยกและปกป้องอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนภายในซิลิคอน
เนื่องจาก SiO2 เป็นวัสดุที่แข็งและไม่มีรูพรุน (หนาแน่น) จึงสามารถใช้เพื่อแยกอุปกรณ์ที่ทำงานอยู่บนพื้นผิวซิลิคอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ชั้น SiO2 ที่แข็งจะปกป้องเวเฟอร์ซิลิคอนจากรอยขีดข่วนและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต
(2)ทู่พื้นผิว
การสร้างทู่ที่พื้นผิว ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ SiO2 ที่ปลูกด้วยความร้อนก็คือ มันสามารถลดความหนาแน่นของสถานะพื้นผิวของซิลิคอนได้โดยการจำกัดพันธะที่ห้อยต่องแต่งของมัน ซึ่งเป็นผลที่เรียกว่าการสร้างทู่ที่พื้นผิว
ป้องกันการเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าและลดเส้นทางกระแสไฟฟ้ารั่วที่เกิดจากความชื้น ไอออน หรือสิ่งปนเปื้อนภายนอกอื่นๆ ชั้น SiO2 แบบแข็งช่วยปกป้อง Si จากรอยขีดข่วนและความเสียหายต่อกระบวนการที่อาจเกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนหลังการผลิต
ชั้น SiO2 ที่เติบโตบนพื้นผิว Si สามารถจับกับสารปนเปื้อนที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้า (การปนเปื้อนของไอออนเคลื่อนที่) บนพื้นผิว Si การสร้างทู่ยังมีความสำคัญในการควบคุมกระแสรั่วไหลของอุปกรณ์แยกและการเติบโตของเกตออกไซด์ที่เสถียร
ชั้นออกไซด์มีข้อกำหนดด้านคุณภาพ เช่น ความหนาสม่ำเสมอ ไม่มีรูเข็มและช่องว่าง เนื่องจากชั้นฟิล์มทู่คุณภาพสูง
ปัจจัยอีกประการหนึ่งในการใช้ชั้นออกไซด์เป็นชั้นทู่ที่พื้นผิว Si คือความหนาของชั้นออกไซด์ ชั้นออกไซด์จะต้องมีความหนาพอที่จะป้องกันไม่ให้ชั้นโลหะชาร์จเนื่องจากการสะสมประจุบนพื้นผิวซิลิคอน ซึ่งคล้ายกับลักษณะการเก็บประจุและการสลายของตัวเก็บประจุธรรมดา
SiO2 ยังมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่คล้ายกันมากกับ Si เวเฟอร์ซิลิคอนจะขยายตัวในระหว่างกระบวนการที่มีอุณหภูมิสูงและหดตัวระหว่างการทำความเย็น
SiO2 จะขยายหรือหดตัวในอัตราที่ใกล้เคียงกับ Si มาก ซึ่งช่วยลดการบิดเบี้ยวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนในระหว่างกระบวนการระบายความร้อน นอกจากนี้ยังช่วยหลีกเลี่ยงการแยกฟิล์มออกไซด์ออกจากพื้นผิวซิลิกอนเนื่องจากความเครียดของฟิล์ม
(3)อิเล็กทริกเกตออกไซด์
สำหรับโครงสร้างเกตออกไซด์ที่ใช้บ่อยที่สุดและสำคัญที่สุดในเทคโนโลยี MOS ชั้นออกไซด์ที่บางมากจะถูกนำมาใช้เป็นวัสดุอิเล็กทริก เนื่องจากชั้นเกทออกไซด์และ Si ที่อยู่ด้านล่างมีคุณสมบัติที่มีคุณภาพและความเสถียรสูง โดยทั่วไปชั้นเกทออกไซด์จะได้มาจากการเติบโตทางความร้อน
SiO2 มีความเป็นฉนวนสูง (107V/m) และมีความต้านทานสูง (ประมาณ 1,017Ω·cm)
กุญแจสำคัญในความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ MOS คือความสมบูรณ์ของชั้นเกทออกไซด์ โครงสร้างเกตในอุปกรณ์ MOS ควบคุมการไหลของกระแส เนื่องจากออกไซด์นี้เป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานของไมโครชิปที่ใช้เทคโนโลยีฟิลด์เอฟเฟกต์
ดังนั้น คุณภาพสูง ความสม่ำเสมอของความหนาของฟิล์มที่ดีเยี่ยม และไม่มีสิ่งเจือปนจึงเป็นข้อกำหนดขั้นพื้นฐาน การปนเปื้อนใด ๆ ที่อาจทำให้การทำงานของโครงสร้างเกตออกไซด์เสื่อมลงจะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด
(4)อุปสรรคยาสลบ
SiO2 สามารถใช้เป็นชั้นปิดบังที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเลือกเติมสารเติมแต่งบนพื้นผิวซิลิกอน เมื่อชั้นออกไซด์ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวซิลิคอน SiO2 ในส่วนโปร่งใสของหน้ากากจะถูกแกะสลักเพื่อสร้างเป็นหน้าต่างซึ่งวัสดุเติมสามารถเข้าไปในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนได้
ในกรณีที่ไม่มีหน้าต่าง ออกไซด์สามารถปกป้องพื้นผิวซิลิกอนและป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกฟุ้งกระจาย ดังนั้นจึงทำให้สามารถเลือกฝังสิ่งเจือปนได้
สารเจือปนเคลื่อนที่ช้าๆ ใน SiO2 เมื่อเทียบกับ Si ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ชั้นออกไซด์บางๆ เท่านั้นเพื่อปิดกั้นสารเจือปน (โปรดทราบว่าอัตรานี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ)
ชั้นออกไซด์บางๆ (เช่น หนา 150 Å) สามารถใช้ในพื้นที่ที่จำเป็นต้องมีการฝังไอออน ซึ่งสามารถใช้เพื่อลดความเสียหายต่อพื้นผิวซิลิกอน
นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถควบคุมความลึกของจุดเชื่อมต่อได้ดีขึ้นในระหว่างการฝังสิ่งเจือปนโดยการลดผลกระทบจากช่องสัญญาณ หลังจากการฝัง สามารถเลือกเอาออกไซด์ออกด้วยกรดไฮโดรฟลูออริกเพื่อทำให้พื้นผิวซิลิคอนเรียบอีกครั้ง
(5)ชั้นอิเล็กทริกระหว่างชั้นโลหะ
SiO2 ไม่นำไฟฟ้าภายใต้สภาวะปกติ ดังนั้นจึงเป็นฉนวนที่มีประสิทธิภาพระหว่างชั้นโลหะในไมโครชิป SiO2 สามารถป้องกันการลัดวงจรระหว่างชั้นโลหะด้านบนและชั้นโลหะด้านล่างได้ เช่นเดียวกับฉนวนบนสายไฟที่สามารถป้องกันการลัดวงจรได้
ข้อกำหนดด้านคุณภาพของออกไซด์คือไม่มีรูเข็มและช่องว่าง มักมีการเติมสารเจือเพื่อให้ได้ของเหลวที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถลดการแพร่กระจายของการปนเปื้อนได้ดีขึ้น โดยปกติจะได้มาโดยการสะสมไอสารเคมีมากกว่าการเติบโตทางความร้อน
กระบวนการออกซิเดชันมักแบ่งออกเป็น: ขึ้นอยู่กับก๊าซปฏิกิริยา
- ออกซิเดชันของออกซิเจนแห้ง: Si + O2 → SiO2;
- ออกซิเดชันของออกซิเจนเปียก: 2H2O (ไอน้ำ) + Si→SiO2+2H2;
- ออกซิเดชันที่เจือด้วยคลอรีน: ก๊าซคลอรีน เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl), ไดคลอโรเอทิลีน DCE (C2H2Cl2) หรืออนุพันธ์ของก๊าซคลอรีน จะถูกเติมลงในออกซิเจนเพื่อปรับปรุงอัตราการออกซิเดชันและคุณภาพของชั้นออกไซด์
(1)กระบวนการออกซิเดชันของออกซิเจนแห้ง: โมเลกุลออกซิเจนในก๊าซปฏิกิริยาจะกระจายผ่านชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นแล้ว ไปถึงส่วนต่อประสานระหว่าง SiO2 และ Si ทำปฏิกิริยากับ Si จากนั้นก่อตัวเป็นชั้น SiO2
SiO2 ที่เตรียมโดยการออกซิเดชันของออกซิเจนแห้งมีโครงสร้างหนาแน่น มีความหนาสม่ำเสมอ มีความสามารถในการปิดบังที่แข็งแกร่งสำหรับการฉีดและการแพร่กระจาย และความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการสูง ข้อเสียคืออัตราการเติบโตช้า
โดยทั่วไปวิธีนี้ใช้สำหรับออกซิเดชันคุณภาพสูง เช่น ออกซิเดชันไดอิเล็กทริกเกต, ออกซิเดชันชั้นบัฟเฟอร์บาง หรือสำหรับการเริ่มต้นออกซิเดชันและยุติการเกิดออกซิเดชันในระหว่างการออกซิเดชันของชั้นบัฟเฟอร์หนา
(2)กระบวนการออกซิเดชันของออกซิเจนเปียก: ไอน้ำสามารถถูกพาไปในออกซิเจนโดยตรงหรือสามารถได้รับจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนและออกซิเจน อัตราการเกิดออกซิเดชันสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับอัตราส่วนความดันบางส่วนของไฮโดรเจนหรือไอน้ำต่อออกซิเจน
โปรดทราบว่าเพื่อความปลอดภัย อัตราส่วนของไฮโดรเจนต่อออกซิเจนไม่ควรเกิน 1.88:1 ออกซิเดชันของออกซิเจนเปียกเกิดจากการมีทั้งออกซิเจนและไอน้ำในก๊าซที่ทำปฏิกิริยา และไอน้ำจะสลายตัวเป็นไฮโดรเจนออกไซด์ (H O) ที่อุณหภูมิสูง
อัตราการแพร่กระจายของไฮโดรเจนออกไซด์ในซิลิคอนออกไซด์จะเร็วกว่าออกซิเจนมาก ดังนั้นอัตราการออกซิเดชันของออกซิเจนเปียกจึงสูงกว่าอัตราออกซิเดชันของออกซิเจนแห้งประมาณหนึ่งลำดับความสำคัญ
(3)กระบวนการออกซิเดชั่นที่เจือด้วยคลอรีน: นอกเหนือจากการออกซิเดชันของออกซิเจนแห้งและออกซิเจนเปียกแบบดั้งเดิมแล้ว ยังสามารถเติมก๊าซคลอรีน เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl), ไดคลอโรเอทิลีน DCE (C2H2Cl2) หรืออนุพันธ์ของก๊าซนั้นลงในออกซิเจนเพื่อปรับปรุงอัตราการออกซิเดชันและคุณภาพของชั้นออกไซด์ .
สาเหตุหลักที่ทำให้อัตราการออกซิเดชันเพิ่มขึ้นคือเมื่อเติมคลอรีนสำหรับออกซิเดชัน สารทำปฏิกิริยาไม่เพียงแต่จะมีไอน้ำที่สามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันได้เท่านั้น แต่คลอรีนยังสะสมอยู่ใกล้ส่วนต่อประสานระหว่าง Si และ SiO2 อีกด้วย ในกรณีที่มีออกซิเจน สารประกอบคลอโรซิลิคอนจะถูกแปลงเป็นซิลิคอนออกไซด์อย่างง่ายดาย ซึ่งสามารถกระตุ้นการเกิดออกซิเดชันได้
เหตุผลหลักในการปรับปรุงคุณภาพของชั้นออกไซด์ก็คืออะตอมของคลอรีนในชั้นออกไซด์สามารถทำให้กิจกรรมของโซเดียมไอออนบริสุทธิ์ได้ ซึ่งช่วยลดข้อบกพร่องในการเกิดออกซิเดชันที่เกิดจากการปนเปื้อนของโซเดียมไอออนของอุปกรณ์และวัตถุดิบในกระบวนการผลิต ดังนั้นการเติมคลอรีนจึงเกี่ยวข้องกับกระบวนการออกซิเดชันของออกซิเจนแห้งส่วนใหญ่
2.2 กระบวนการแพร่กระจาย
การแพร่กระจายแบบดั้งเดิมหมายถึงการถ่ายโอนสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าจนกว่าจะมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกัน กระบวนการแพร่กระจายเป็นไปตามกฎของฟิค การแพร่กระจายสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างสารตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป และความเข้มข้นและความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นที่ต่างๆ ทำให้เกิดการกระจายตัวของสารไปสู่สภาวะสมดุลที่สม่ำเสมอ
คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์คือสามารถปรับค่าการนำไฟฟ้าได้โดยการเติมสารเจือปนประเภทหรือความเข้มข้นที่แตกต่างกัน ในการผลิตวงจรรวม กระบวนการนี้มักจะทำได้โดยผ่านกระบวนการเติมสารหรือการแพร่กระจาย
ขึ้นอยู่กับเป้าหมายการออกแบบ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน เจอร์เมเนียม หรือสารประกอบ III-V สามารถรับคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันสองแบบ ได้แก่ ชนิด N หรือชนิด P โดยการเติมสารเจือปนของผู้ให้หรือสารเจือปนของตัวรับ
การเติมเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ดำเนินการผ่านสองวิธี: การแพร่หรือการฝังไอออน ซึ่งแต่ละวิธีมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง:
ยาสลบแบบแพร่มีราคาถูกกว่า แต่ไม่สามารถควบคุมความเข้มข้นและความลึกของวัสดุยาสลบได้อย่างแม่นยำ
แม้ว่าการฝังไอออนจะมีราคาค่อนข้างแพง แต่ก็ทำให้สามารถควบคุมโปรไฟล์ความเข้มข้นของสารเจือปนได้อย่างแม่นยำ
ก่อนทศวรรษ 1970 ขนาดของกราฟิกวงจรรวมอยู่ที่ 10μm และโดยทั่วไปแล้วเทคโนโลยีการแพร่กระจายความร้อนแบบดั้งเดิมจะถูกนำมาใช้สำหรับการเติม
กระบวนการแพร่กระจายส่วนใหญ่จะใช้เพื่อปรับเปลี่ยนวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ การกระจายสารต่างๆ ลงในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ จะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ เปลี่ยนแปลงได้
ตัวอย่างเช่น โดยการกระจายธาตุไตรวาเลนต์โบรอนไปเป็นซิลิคอน จะเกิดสารกึ่งตัวนำชนิด P โดยการเติมองค์ประกอบเพนตะวาเลนต์ฟอสฟอรัสหรือสารหนูจะเกิดสารกึ่งตัวนำชนิด N เมื่อสารกึ่งตัวนำชนิด P ที่มีรูมากกว่ามาสัมผัสกับสารกึ่งตัวนำชนิด N ที่มีอิเล็กตรอนมากกว่า จะเกิดรอยต่อ PN
เมื่อขนาดคุณสมบัติลดลง กระบวนการแพร่กระจายของไอโซโทรปิกจะทำให้สารเจือปนกระจายไปยังอีกด้านของชั้นชีลด์ออกไซด์ได้ ส่งผลให้เกิดการลัดวงจรระหว่างบริเวณที่อยู่ติดกัน
ยกเว้นการใช้งานพิเศษบางอย่าง (เช่น การแพร่กระจายในระยะยาวเพื่อสร้างพื้นที่ต้านทานไฟฟ้าแรงสูงที่กระจายสม่ำเสมอ) กระบวนการแพร่กระจายจะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยการฝังไอออน
อย่างไรก็ตาม ในการผลิตเทคโนโลยีที่ต่ำกว่า 10 นาโนเมตร เนื่องจากขนาดของ Fin ในอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามครีบสามมิติ (FinFET) มีขนาดเล็กมาก การฝังไอออนจะสร้างความเสียหายให้กับโครงสร้างเล็กๆ ของมัน การใช้กระบวนการแพร่กระจายแหล่งของแข็งอาจช่วยแก้ปัญหานี้ได้
2.3 กระบวนการย่อยสลาย
กระบวนการหลอมเรียกอีกอย่างว่าการหลอมด้วยความร้อน กระบวนการนี้คือการวางเวเฟอร์ซิลิคอนในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงในช่วงระยะเวลาหนึ่งเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคบนพื้นผิวหรือภายในของเวเฟอร์ซิลิคอนเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของกระบวนการเฉพาะ
พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในกระบวนการหลอมคืออุณหภูมิและเวลา ยิ่งอุณหภูมิสูงและใช้เวลานานเท่าใด งบประมาณการระบายความร้อนก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย
ในกระบวนการผลิตวงจรรวมจริง งบประมาณด้านความร้อนจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวด หากมีกระบวนการอบอ่อนหลายกระบวนการในโฟลว์กระบวนการ งบประมาณด้านความร้อนสามารถแสดงเป็นการซ้อนทับของการบำบัดความร้อนหลายรายการได้
อย่างไรก็ตาม ด้วยการย่อขนาดโหนดกระบวนการ งบประมาณการระบายความร้อนที่อนุญาตในกระบวนการทั้งหมดจะน้อยลงเรื่อยๆ กล่าวคือ อุณหภูมิของกระบวนการระบายความร้อนที่อุณหภูมิสูงจะลดลง และเวลาจะสั้นลง
โดยปกติแล้ว กระบวนการหลอมจะรวมกับการฝังไอออน การสะสมของฟิล์มบาง การสร้างซิลิไซด์ของโลหะ และกระบวนการอื่นๆ สิ่งที่พบบ่อยที่สุดคือการหลอมด้วยความร้อนหลังการฝังไอออน
การฝังไอออนจะส่งผลกระทบต่ออะตอมของสารตั้งต้น ทำให้พวกมันแยกตัวออกจากโครงสร้างโครงตาข่ายเดิม และทำให้โครงตาข่ายของสารตั้งต้นเสียหาย การอบอ่อนด้วยความร้อนสามารถซ่อมแซมความเสียหายของโครงตาข่ายที่เกิดจากการฝังไอออน และยังสามารถย้ายอะตอมของสิ่งเจือปนที่ฝังไว้จากช่องว่างของโครงตาข่ายไปยังบริเวณโครงตาข่าย ได้ด้วยเหตุนี้จึงเปิดใช้งานพวกมันได้
อุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการซ่อมแซมความเสียหายของโครงตาข่ายคือประมาณ 500°C และอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการเปิดใช้งานสิ่งเจือปนคือประมาณ 950°C ตามทฤษฎี ยิ่งเวลาการหลอมนานขึ้นและอุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเปิดใช้งานของสิ่งเจือปนก็จะยิ่งสูงขึ้น แต่งบประมาณด้านความร้อนที่สูงเกินไปจะนำไปสู่การแพร่กระจายของสิ่งเจือปนมากเกินไป ทำให้กระบวนการไม่สามารถควบคุมได้ และส่งผลให้อุปกรณ์และประสิทธิภาพของวงจรเสื่อมลงในที่สุด
ดังนั้น ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต การอบอ่อนด้วยเตาเผาในระยะยาวแบบดั้งเดิมจึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยการอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว (RTA)
ในกระบวนการผลิต ฟิล์มบางประเภทจำเป็นต้องผ่านกระบวนการอบอ่อนด้วยความร้อนหลังจากการสะสมเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีบางอย่างของฟิล์ม ตัวอย่างเช่น ฟิล์มที่หลวมจะมีความหนาแน่น ส่งผลให้อัตราการกัดแบบแห้งหรือแบบเปียกเปลี่ยนไป
กระบวนการหลอมที่ใช้กันทั่วไปอีกกระบวนการหนึ่งเกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของโลหะซิลิไซด์ ฟิล์มโลหะ เช่น โคบอลต์ นิกเกิล ไทเทเนียม ฯลฯ จะถูกสปัตเตอร์ลงบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน และหลังจากการอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ โลหะและซิลิกอนก็สามารถสร้างโลหะผสมได้
โลหะบางชนิดจะเกิดเฟสโลหะผสมที่แตกต่างกันภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ต่างกัน โดยทั่วไปหวังว่าจะสร้างเฟสอัลลอยด์ที่มีความต้านทานต่อการสัมผัสและความต้านทานต่อร่างกายต่ำกว่าในระหว่างกระบวนการ
ตามข้อกำหนดด้านงบประมาณด้านความร้อนที่แตกต่างกัน กระบวนการหลอมจะแบ่งออกเป็นการหลอมด้วยเตาอุณหภูมิสูงและการหลอมด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว
- การหลอมท่อเตาอุณหภูมิสูง:
เป็นวิธีหลอมแบบดั้งเดิมที่มีอุณหภูมิสูง ใช้เวลาหลอมนาน และงบประมาณสูง
ในกระบวนการพิเศษบางอย่าง เช่น เทคโนโลยีการแยกการฉีดออกซิเจนสำหรับการเตรียมซับสเตรต SOI และกระบวนการแพร่กระจายในหลุมลึก มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยทั่วไปกระบวนการดังกล่าวต้องใช้งบประมาณด้านความร้อนที่สูงขึ้นเพื่อให้ได้โครงตาข่ายที่สมบูรณ์แบบหรือการกระจายสิ่งเจือปนที่สม่ำเสมอ
- การหลอมด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว:
เป็นกระบวนการแปรรูปเวเฟอร์ซิลิคอนโดยการให้ความร้อน/ความเย็นที่รวดเร็วเป็นพิเศษ และการคงอยู่ชั่วคราวที่อุณหภูมิเป้าหมาย บางครั้งเรียกว่า Rapid Thermal Processing (RTP)
ในกระบวนการสร้างรอยต่อที่ตื้นเป็นพิเศษ การอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วช่วยให้เกิดการปรับประนีประนอมระหว่างการซ่อมแซมข้อบกพร่องแบบตาข่าย การเปิดใช้งานสิ่งเจือปน และการลดการแพร่กระจายของสิ่งเจือปนให้เหลือน้อยที่สุด และเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในกระบวนการผลิตของโหนดเทคโนโลยีขั้นสูง
กระบวนการเพิ่ม/ลดอุณหภูมิและการคงอยู่ชั่วคราวที่อุณหภูมิเป้าหมายรวมกันถือเป็นงบประมาณด้านความร้อนของการอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว
การหลอมด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วแบบดั้งเดิมจะมีอุณหภูมิประมาณ 1,000°C และใช้เวลาไม่กี่วินาที ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ข้อกำหนดสำหรับการหลอมด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วมีความเข้มงวดมากขึ้น และการหลอมแบบแฟลช การหลอมแบบหนามแหลม และการหลอมด้วยเลเซอร์ก็ค่อยๆ พัฒนาขึ้น โดยเวลาในการหลอมจะสูงถึงมิลลิวินาที และมีแนวโน้มที่จะพัฒนาไปสู่ระดับไมโครวินาทีและต่ำกว่าไมโครวินาทีด้วยซ้ำ
3. อุปกรณ์กระบวนการทำความร้อนสามเครื่อง
3.1 อุปกรณ์การแพร่กระจายและออกซิเดชั่น
กระบวนการแพร่ส่วนใหญ่ใช้หลักการแพร่กระจายความร้อนภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง (ปกติคือ 900-1200°C) เพื่อรวมองค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์เข้ากับพื้นผิวซิลิกอนที่ระดับความลึกที่ต้องการเพื่อให้มีการกระจายความเข้มข้นเฉพาะ เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ วัสดุและสร้างโครงสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
ในเทคโนโลยีวงจรรวมซิลิคอน กระบวนการแพร่กระจายใช้เพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ PN หรือส่วนประกอบ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ สายไฟเชื่อมต่อระหว่างกัน ไดโอด และทรานซิสเตอร์ในวงจรรวม และยังใช้สำหรับการแยกระหว่างส่วนประกอบต่างๆ อีกด้วย
เนื่องจากไม่สามารถควบคุมการกระจายความเข้มข้นของสารโด๊ปได้อย่างแม่นยำ กระบวนการแพร่จึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยกระบวนการเติมไอออนในการผลิตวงจรรวมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นเวเฟอร์ตั้งแต่ 200 มม. ขึ้นไป แต่ยังคงใช้ในปริมาณเล็กน้อยในงานหนัก กระบวนการเติมสารต้องห้าม
อุปกรณ์การแพร่กระจายแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่เป็นเตากระจายแนวนอนและยังมีเตากระจายแนวตั้งจำนวนเล็กน้อย
เตากระจายแนวนอน:
เป็นอุปกรณ์บำบัดความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการแพร่ของวงจรรวมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นเวเฟอร์น้อยกว่า 200 มม. ลักษณะเฉพาะของมันคือตัวเตาให้ความร้อน ท่อปฏิกิริยา และเรือควอทซ์ที่บรรทุกเวเฟอร์ทั้งหมดถูกวางในแนวนอน ดังนั้นจึงมีลักษณะกระบวนการที่มีความสม่ำเสมอที่ดีระหว่างเวเฟอร์
มันไม่ได้เป็นเพียงอุปกรณ์ส่วนหน้าที่สำคัญอย่างหนึ่งในสายการผลิตวงจรรวมเท่านั้น แต่ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการแพร่กระจาย ออกซิเดชัน การหลอม การผสมโลหะผสม และกระบวนการอื่น ๆ ในอุตสาหกรรม เช่น อุปกรณ์แยก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และเส้นใยนำแสง .
เตากระจายแนวตั้ง:
โดยทั่วไปหมายถึงอุปกรณ์รักษาความร้อนแบบแบตช์ที่ใช้ในกระบวนการวงจรรวมสำหรับเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. และ 300 มม. หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นเตาแนวตั้ง
ลักษณะโครงสร้างของเตากระจายแนวตั้งคือ ตัวเตาทำความร้อน ท่อปฏิกิริยา และเรือควอทซ์ที่บรรทุกเวเฟอร์ทั้งหมดถูกวางในแนวตั้ง และวางเวเฟอร์ในแนวนอน มีลักษณะของความสม่ำเสมอที่ดีภายในเวเฟอร์ ระบบอัตโนมัติในระดับสูง และประสิทธิภาพของระบบที่เสถียร ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของสายการผลิตวงจรรวมขนาดใหญ่
เตากระจายแนวตั้งเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่สำคัญในสายการผลิตวงจรรวมเซมิคอนดักเตอร์ และยังใช้กันทั่วไปในกระบวนการที่เกี่ยวข้องในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (IGBT) และอื่นๆ
เตากระจายแนวตั้งใช้ได้กับกระบวนการออกซิเดชัน เช่น ปฏิกิริยาออกซิเดชันของออกซิเจนแห้ง ปฏิกิริยาออกซิเดชันของการสังเคราะห์ไฮโดรเจน-ออกซิเจน ปฏิกิริยาออกซิเดชันของซิลิคอนออกซีไนไตรด์ และกระบวนการเจริญเติบโตของฟิล์มบาง เช่น ซิลิคอนไดออกไซด์ โพลีซิลิคอน ซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4) และการสะสมของชั้นอะตอม
นอกจากนี้ยังใช้กันทั่วไปในกระบวนการหลอมที่อุณหภูมิสูง การหลอมทองแดง และกระบวนการผสม ในแง่ของกระบวนการแพร่ บางครั้งเตาแพร่แนวตั้งก็ใช้ในกระบวนการเติมสารหนักเช่นกัน
3.2 อุปกรณ์อบอ่อนอย่างรวดเร็ว
อุปกรณ์ Rapid Thermal Processing (RTP) เป็นอุปกรณ์บำบัดความร้อนแบบเวเฟอร์เดี่ยวที่สามารถเพิ่มอุณหภูมิของเวเฟอร์ให้เป็นอุณหภูมิที่ต้องการในกระบวนการ (200-1300°C) ได้อย่างรวดเร็ว และสามารถทำให้เย็นลงได้อย่างรวดเร็ว อัตราการทำความร้อน/ความเย็นโดยทั่วไปอยู่ที่ 20-250°C/s
นอกเหนือจากแหล่งพลังงานที่หลากหลายและเวลาในการหลอมแล้ว อุปกรณ์ RTP ยังมีประสิทธิภาพของกระบวนการที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ เช่น การควบคุมงบประมาณด้านความร้อนที่ดีเยี่ยม และความสม่ำเสมอของพื้นผิวที่ดีขึ้น (โดยเฉพาะสำหรับเวเฟอร์ขนาดใหญ่) การซ่อมแซมความเสียหายของเวเฟอร์ที่เกิดจากการฝังไอออน และ หลายห้องสามารถดำเนินการตามขั้นตอนกระบวนการที่แตกต่างกันได้พร้อมกัน
นอกจากนี้ อุปกรณ์ RTP ยังสามารถแปลงและปรับก๊าซในกระบวนการได้อย่างยืดหยุ่นและรวดเร็ว เพื่อให้กระบวนการบำบัดความร้อนหลายรายการสามารถเสร็จสิ้นในกระบวนการบำบัดความร้อนเดียวกันได้
อุปกรณ์ RTP มักใช้ในการอบอ่อนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว (RTA) หลังจากการฝังไอออน อุปกรณ์ RTP จำเป็นต่อการซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดจากการฝังไอออน กระตุ้นโปรตอนเจือ และยับยั้งการแพร่กระจายของสิ่งเจือปนอย่างมีประสิทธิภาพ
โดยทั่วไป อุณหภูมิในการซ่อมแซมข้อบกพร่องของโครงตาข่ายจะอยู่ที่ประมาณ 500°C ในขณะที่ต้องใช้อุณหภูมิ 950°C ในการเปิดใช้งานอะตอมที่เจือปน การเปิดใช้งานสิ่งสกปรกนั้นสัมพันธ์กับเวลาและอุณหภูมิ ยิ่งเวลานานและอุณหภูมิสูงขึ้น สิ่งสกปรกก็จะยิ่งถูกกระตุ้นมากขึ้นเท่านั้น แต่จะไม่เอื้อต่อการยับยั้งการแพร่กระจายของสิ่งสกปรก
เนื่องจากอุปกรณ์ RTP มีคุณลักษณะของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น/ลดลงอย่างรวดเร็วและมีระยะเวลาสั้น กระบวนการหลอมหลังจากการฝังไอออนจึงสามารถเลือกพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการซ่อมแซมข้อบกพร่องของโครงตาข่าย การกระตุ้นสิ่งเจือปน และการยับยั้งการแพร่กระจายของสิ่งเจือปน
RTA แบ่งออกเป็นสี่ประเภทหลักๆ ดังต่อไปนี้:
(1)การหลอมเข็ม
ลักษณะเฉพาะคือเน้นที่กระบวนการทำความร้อน/ทำความเย็นอย่างรวดเร็ว แต่โดยพื้นฐานแล้วไม่มีกระบวนการเก็บความร้อน การหลอมแบบแหลมจะอยู่ที่จุดอุณหภูมิสูงในช่วงเวลาสั้น ๆ และหน้าที่หลักของมันคือการเปิดใช้งานองค์ประกอบยาสลบ
ในการใช้งานจริง แผ่นเวเฟอร์จะเริ่มร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วจากจุดอุณหภูมิสแตนด์บายที่มั่นคง และเย็นลงทันทีหลังจากถึงจุดอุณหภูมิเป้าหมาย
เนื่องจากเวลาการบำรุงรักษาที่จุดอุณหภูมิเป้าหมาย (เช่น จุดอุณหภูมิสูงสุด) นั้นสั้นมาก กระบวนการหลอมจึงสามารถเพิ่มระดับการเปิดใช้งานสิ่งเจือปนได้สูงสุด และลดระดับการแพร่กระจายของสิ่งเจือปนให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะที่มีคุณลักษณะการซ่อมแซมการหลอมที่มีข้อบกพร่องที่ดี ส่งผลให้สูงขึ้น คุณภาพการยึดเกาะและกระแสรั่วไหลลดลง
การหลอมแบบ Spike ใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการแยกที่ตื้นเป็นพิเศษหลังจาก 65 นาโนเมตร พารามิเตอร์กระบวนการของการหลอมแบบ Spike ส่วนใหญ่ได้แก่ อุณหภูมิสูงสุด เวลาคงตัวสูงสุด ความแตกต่างของอุณหภูมิ และความต้านทานของแผ่นเวเฟอร์หลังกระบวนการ
ยิ่งระยะเวลาพำนักสูงสุดสั้นลงก็ยิ่งดีเท่านั้น โดยส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอัตราการทำความร้อน/ความเย็นของระบบควบคุมอุณหภูมิ แต่บางครั้งบรรยากาศของก๊าซในกระบวนการที่เลือกก็มีผลกระทบเช่นกัน
ตัวอย่างเช่น ฮีเลียมมีปริมาตรอะตอมน้อยและมีอัตราการแพร่ที่รวดเร็ว ซึ่งเอื้อต่อการถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ และสามารถลดความกว้างสูงสุดหรือเวลาคงตัวสูงสุดได้ ดังนั้นบางครั้งจึงเลือกใช้ฮีเลียมเพื่อช่วยทำความร้อนและความเย็น
(2)การหลอมโคมไฟ
เทคโนโลยีการหลอมหลอดไฟถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยทั่วไปแล้วหลอดฮาโลเจนจะใช้เป็นแหล่งความร้อนอบอ่อนอย่างรวดเร็ว อัตราการทำความร้อน/ความเย็นที่สูงและการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำสามารถตอบสนองความต้องการของกระบวนการผลิตที่สูงกว่า 65 นาโนเมตร
อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดของกระบวนการ 45 นาโนเมตรได้อย่างเต็มที่ (หลังจากกระบวนการ 45 นาโนเมตร เมื่อเกิดการสัมผัสนิกเกิล-ซิลิคอนของลอจิก LSI เวเฟอร์จะต้องได้รับความร้อนอย่างรวดเร็วจาก 200°C ถึงมากกว่า 1,000°C ภายในมิลลิวินาที โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการหลอมด้วยเลเซอร์)
(3)การหลอมด้วยเลเซอร์
การหลอมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการโดยใช้เลเซอร์โดยตรงเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์อย่างรวดเร็วจนเพียงพอที่จะละลายผลึกซิลิคอน ทำให้มีการกระตุ้นสูง
ข้อดีของการหลอมด้วยเลเซอร์คือการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วและการควบคุมที่ละเอียดอ่อน ไม่ต้องการความร้อนของเส้นใย และโดยพื้นฐานแล้วไม่มีปัญหาเรื่องอุณหภูมิล่าช้าและอายุการใช้งานของเส้นใย
อย่างไรก็ตาม จากมุมมองทางเทคนิค การหลอมด้วยเลเซอร์มีปัญหากระแสรั่วไหลและข้อบกพร่องของสารตกค้าง ซึ่งจะมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ด้วย
(4)การหลอมแบบแฟลช
การหลอมแบบแฟลชเป็นเทคโนโลยีการหลอมที่ใช้การแผ่รังสีความเข้มสูงเพื่อทำการหลอมแบบขัดขวางบนแผ่นเวเฟอร์ที่อุณหภูมิอุ่นเฉพาะ
เวเฟอร์ถูกอุ่นไว้ที่ 600-800°C จากนั้นใช้การแผ่รังสีความเข้มสูงสำหรับการฉายรังสีพัลส์ในระยะเวลาอันสั้น เมื่ออุณหภูมิสูงสุดของแผ่นเวเฟอร์ถึงอุณหภูมิการอบอ่อนที่ต้องการ การแผ่รังสีจะถูกปิดทันที
อุปกรณ์ RTP ถูกนำมาใช้มากขึ้นในการผลิตวงจรรวมขั้นสูง
นอกเหนือจากการใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการ RTA แล้ว อุปกรณ์ RTP ยังได้เริ่มถูกนำมาใช้ในการเกิดออกซิเดชันด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว ไนไตรเดชันด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว การแพร่กระจายความร้อนอย่างรวดเร็ว การสะสมไอสารเคมีอย่างรวดเร็ว ตลอดจนการสร้างซิลิไซด์ของโลหะและกระบวนการเอพิแทกเซียล
-
เซมิเซร่าสามารถให้ได้ชิ้นส่วนกราไฟท์-รู้สึกนุ่ม/แข็ง-ชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์-ชิ้นส่วนซิลิกอนคาร์ไบด์ CVD, และชิ้นส่วนเคลือบ SiC/TaCด้วยกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์เต็มรูปแบบภายใน 30 วัน
หากคุณสนใจผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ข้างต้นโปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเราในครั้งแรก
โทร: +86-13373889683
WhatsApp: +86-15957878134
Email: sales01@semi-cera.com
เวลาโพสต์: 27 ส.ค.-2024