Методы и оборудование быстрого термического отжига

Перечень термических процессов, используемых в технологическом маршруте изготовления ИС достаточно широк, среди наиболее важных из них необходимо отметить отжиг ионно-легированных слоёв (ИЛС), формирование плёнок силицидов металлов, отжиг омических контактов и металлизации, формирование плёнок термического оксида кремния, нитрида и оксинитрида кремния. Ещё совсем недавно большинство термических операций выполнялось в печи, которая представляла собой кварцевую трубу, вокруг которой был расположен нагреватель, а кассета с пластинами вдвигалась в зону нагрева и после выдержки в течение нескольких минут — десятков минут извлекалась наружу. В связи с уменьшением топологической нормы применение печного отжига стало невозможным, так как при длительных высокотемпературных обработках происходит сильное перераспределение легирующей примеси. Быстрый термический отжиг (БТО) — это процесс поштучной термообработки полупроводниковых пластин, протекающий в диапазоне длительностей отжига от единиц до десятков секунд, при этом максимальная температура отжига задаётся в диапазоне от 300 до 1400 °C, а скорость нагрева в пределах от 50 до 300 °C с-1. Характерной особенностью БТО является использование для нагрева мощного источника некогерентного электромагнитного излучения — обычно галогеновых ламп накаливания. Известны две основные конструкции реактора установок быстрого отжига. В первом варианте конструкции используются длинные цилиндрические галогеновые лампы, расположенные рядами с обеих сторон полупроводниковой пластины, таким образом, чтобы обеспечивать максимальную однородность нагрева (рис.1). Во втором случае, лампы имеют меньшую длину и установлены вертикально с одной стороны от пластины (рис.2). При этом лампы разбиты на группы, электропитание которых осуществляется от отдельных источников, а контроль температуры реализуется в нескольких зонах. Это позволяет более эффективно, чем в первом случае, управлять распределением температуры по площади пластины, добиваясь высокой однородности термообработки. В связи с этим, в настоящее время установки второго типа нашли более широкое применение, чем установки первого типа.

импульсный лазерный отжиг полупроводниковый.

Рис. 2. Система БТО: лампы накаливания с вертикальным расположением нитей Для быстрого отжига используются два режима нагрева пластины. Первый режим характеризуется постоянной величиной плотности мощности падающего излучения W в течение всего времени отжига и прост с точки зрения его реализации. Полагая, что вся подводимая к пластине энергия излучения расходуется на нагрев и тепловое излучение пластины, время t1, необходимое для достижения образцом температуры Tmax, определяется из соотношения:

t1 = с Сpд {ln[(Tmax +T)(Tmax — Т0)] - ln[(TmaxT)(Tmax + Т0)] + 2[arctg (T/ Tmax) arctg (T0/ Tmax)]}/8еу (Tmax)3, (1).

где Т0 и Tmax=[(W+2еуТ04)/2еу]¼ начальная и установившаяся температуры, соответственно; Сp и с — удельная теплоемкость и плотность кремния; д и е — толщина и излучательная способность нагреваемой пластины; у — постоянная Стефана — Больцмана; W — плотность мощности излучения.

Рис. 3. Зависимости температуры пластины от времени нагрева для различных значений мощности падающего излучения На рис. 3 представлены типичные кривые нагрева полупроводниковой пластины, рассчитанные по формуле (1). Видно, что значение Tmax определяется только величиной плотности мощности падающего излучения. В результате величина t1 и скорость нагрева до максимальной температуры изменяются при вариации величины Tmax, что не всегда удобно с технологической точки зрения. Второй режим нагрева более сложен при его аппаратной реализации, однако даёт большие технологические возможности, что обусловило его широкое применение. Метод характеризуется тем, что независимо задаётся как скорость нагрева до максимальной температуры, так и сама максимальная температура. В этом случае управление величиной W в каждый момент времени осуществляется компьютером по сигналу обратной связи с системы термопар или пирометра. Охлаждение пластин происходит самопроизвольно при выключении источника нагрева за счёт излучения и передачи.

Последний механизм охлаждения позволяет в некоторых пределах регулировать её скорость за счёт правильного выбора типа охлаждающего газа (теплопроводности газа), а также изменения скорости продувки газа через реактор.

Типичный процесс отжига протекает полностью в автоматическом режиме и выглядит следующим образом. Пластина из загрузочной кассеты с помощью робота-загрузчика перемещается в шлюзовую камеру, из которой откачивается или вытесняется инертным газом воздух. Затем пластина передаётся в реактор, где располагается на специальном держателе. Реактор продувается газом, после чего выставляется рабочий расход процессного газа и производится нагрев пластины по предварительно выбранной программе. После этого пластина в течение некоторого времени охлаждается в реакторе, а затем через шлюзовую камеру передаётся в приёмную кассету, а процесс полностью повторяется со следующей пластиной.