सेमीकंडक्टर प्रक्रिया और उपकरण（3/7）-हीटिंग प्रक्रिया और उपकरण

1. सिंहावलोकन

हीटिंग, जिसे थर्मल प्रसंस्करण के रूप में भी जाना जाता है, विनिर्माण प्रक्रियाओं को संदर्भित करता है जो उच्च तापमान पर काम करते हैं, आमतौर पर एल्यूमीनियम के पिघलने बिंदु से अधिक।

हीटिंग प्रक्रिया आमतौर पर उच्च तापमान वाली भट्टी में की जाती है और इसमें सेमीकंडक्टर निर्माण में क्रिस्टल दोष की मरम्मत के लिए ऑक्सीकरण, अशुद्धता प्रसार और एनीलिंग जैसी प्रमुख प्रक्रियाएं शामिल होती हैं।

ऑक्सीकरण: यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक सिलिकॉन वेफर को उच्च तापमान ताप उपचार के लिए ऑक्सीजन या जल वाष्प जैसे ऑक्सीडेंट के वातावरण में रखा जाता है, जिससे सिलिकॉन वेफर की सतह पर एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है जिससे ऑक्साइड फिल्म बनती है।

अशुद्धता प्रसार: प्रक्रिया आवश्यकताओं के अनुसार सिलिकॉन सब्सट्रेट में अशुद्धता तत्वों को पेश करने के लिए उच्च तापमान स्थितियों के तहत थर्मल प्रसार सिद्धांतों के उपयोग को संदर्भित करता है, ताकि इसमें एक विशिष्ट एकाग्रता वितरण हो, जिससे सिलिकॉन सामग्री के विद्युत गुणों में बदलाव हो सके।

आयन इम्प्लांटेशन के कारण होने वाले जाली दोषों को ठीक करने के लिए आयन इम्प्लांटेशन के बाद सिलिकॉन वेफर को गर्म करने की प्रक्रिया को एनीलिंग कहा जाता है।

ऑक्सीकरण/प्रसार/एनीलिंग के लिए तीन बुनियादी प्रकार के उपकरणों का उपयोग किया जाता है:

• क्षैतिज भट्ठी;
• ऊर्ध्वाधर भट्टी;
• तीव्र ताप भट्टी: तीव्र ताप उपचार उपकरण

पारंपरिक ताप उपचार प्रक्रियाएं मुख्य रूप से आयन आरोपण से होने वाली क्षति को खत्म करने के लिए दीर्घकालिक उच्च तापमान उपचार का उपयोग करती हैं, लेकिन इसके नुकसान अपूर्ण दोष निष्कासन और प्रत्यारोपित अशुद्धियों की कम सक्रियण दक्षता हैं।

इसके अलावा, उच्च एनीलिंग तापमान और लंबे समय के कारण, अशुद्धता पुनर्वितरण होने की संभावना है, जिससे बड़ी मात्रा में अशुद्धियां फैल जाएंगी और उथले जंक्शनों और संकीर्ण अशुद्धता वितरण की आवश्यकताओं को पूरा करने में विफल हो जाएंगी।

रैपिड थर्मल प्रोसेसिंग (आरटीपी) उपकरण का उपयोग करके आयन-प्रत्यारोपित वेफर्स की रैपिड थर्मल एनीलिंग एक गर्मी उपचार विधि है जो बहुत ही कम समय में पूरे वेफर को एक निश्चित तापमान (आमतौर पर 400-1300 डिग्री सेल्सियस) तक गर्म करती है।

फर्नेस हीटिंग एनीलिंग की तुलना में, इसमें कम थर्मल बजट, डोपिंग क्षेत्र में अशुद्धता आंदोलन की छोटी सीमा, कम प्रदूषण और कम प्रसंस्करण समय के फायदे हैं।

तीव्र थर्मल एनीलिंग प्रक्रिया विभिन्न प्रकार के ऊर्जा स्रोतों का उपयोग कर सकती है, और एनीलिंग समय सीमा बहुत व्यापक है (100 से 10-9 सेकंड तक, जैसे लैंप एनीलिंग, लेजर एनीलिंग, आदि)। यह अशुद्धता पुनर्वितरण को प्रभावी ढंग से दबाते हुए अशुद्धियों को पूरी तरह से सक्रिय कर सकता है। यह वर्तमान में 200 मिमी से अधिक वेफर व्यास वाले उच्च-स्तरीय एकीकृत सर्किट निर्माण प्रक्रियाओं में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

2. दूसरी हीटिंग प्रक्रिया

2.1 ऑक्सीकरण प्रक्रिया

एकीकृत सर्किट निर्माण प्रक्रिया में, सिलिकॉन ऑक्साइड फिल्म बनाने की दो विधियाँ हैं: थर्मल ऑक्सीकरण और जमाव।

ऑक्सीकरण प्रक्रिया थर्मल ऑक्सीकरण द्वारा सिलिकॉन वेफर्स की सतह पर SiO2 बनाने की प्रक्रिया को संदर्भित करती है। थर्मल ऑक्सीकरण द्वारा बनाई गई SiO2 फिल्म का उपयोग इसके बेहतर विद्युत इन्सुलेशन गुणों और प्रक्रिया व्यवहार्यता के कारण एकीकृत सर्किट निर्माण प्रक्रिया में व्यापक रूप से किया जाता है।

इसके सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग इस प्रकार हैं:

• उपकरणों को खरोंच और संदूषण से बचाएं;
• आवेशित वाहकों के क्षेत्र अलगाव को सीमित करना (सतह निष्क्रियता);
• गेट ऑक्साइड या भंडारण सेल संरचनाओं में ढांकता हुआ सामग्री;
• डोपिंग में इम्प्लांट मास्किंग;
• धातु प्रवाहकीय परतों के बीच एक ढांकता हुआ परत।

(1)डिवाइस सुरक्षा और अलगाव

वेफर (सिलिकॉन वेफर) की सतह पर उगाया गया SiO2 सिलिकॉन के भीतर संवेदनशील उपकरणों को अलग करने और उनकी सुरक्षा करने के लिए एक प्रभावी बाधा परत के रूप में काम कर सकता है।

क्योंकि SiO2 एक कठोर और गैर-छिद्रपूर्ण (घना) पदार्थ है, इसका उपयोग सिलिकॉन सतह पर सक्रिय उपकरणों को प्रभावी ढंग से अलग करने के लिए किया जा सकता है। कठोर SiO2 परत सिलिकॉन वेफर को विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान होने वाली खरोंच और क्षति से बचाएगी।

(2)सतह निष्क्रियता

सतह निष्क्रियता थर्मल रूप से उगाए गए SiO2 का एक प्रमुख लाभ यह है कि यह सिलिकॉन के लटकते बंधनों को रोककर सतह की घनत्व को कम कर सकता है, एक प्रभाव जिसे सतह निष्क्रियता के रूप में जाना जाता है।

यह विद्युत क्षरण को रोकता है और नमी, आयनों या अन्य बाहरी संदूषकों के कारण होने वाले रिसाव प्रवाह के मार्ग को कम करता है। कठोर SiO2 परत Si को पोस्ट-प्रोडक्शन के दौरान होने वाली खरोंच और प्रक्रिया क्षति से बचाती है।

Si सतह पर विकसित SiO2 परत Si सतह पर विद्युत सक्रिय संदूषकों (मोबाइल आयन संदूषण) को बांध सकती है। जंक्शन उपकरणों के लीकेज करंट को नियंत्रित करने और स्थिर गेट ऑक्साइड को बढ़ाने के लिए पैशन भी महत्वपूर्ण है।

उच्च गुणवत्ता वाली निष्क्रियता परत के रूप में, ऑक्साइड परत की गुणवत्ता की आवश्यकताएं होती हैं जैसे समान मोटाई, कोई पिनहोल और रिक्तियां नहीं।

ऑक्साइड परत को सी सतह निष्क्रियता परत के रूप में उपयोग करने का एक अन्य कारक ऑक्साइड परत की मोटाई है। सिलिकॉन सतह पर चार्ज संचय के कारण धातु की परत को चार्ज होने से रोकने के लिए ऑक्साइड परत पर्याप्त मोटी होनी चाहिए, जो सामान्य कैपेसिटर की चार्ज भंडारण और ब्रेकडाउन विशेषताओं के समान है।

SiO2 का तापीय विस्तार गुणांक भी Si के समान ही है। सिलिकॉन वेफर्स उच्च तापमान प्रक्रियाओं के दौरान फैलते हैं और ठंडा होने के दौरान सिकुड़ते हैं।

SiO2, Si के बहुत करीब की दर पर फैलता या सिकुड़ता है, जो थर्मल प्रक्रिया के दौरान सिलिकॉन वेफर के विरूपण को कम करता है। यह फिल्म तनाव के कारण सिलिकॉन सतह से ऑक्साइड फिल्म को अलग होने से भी बचाता है।

(3)गेट ऑक्साइड ढांकता हुआ

एमओएस प्रौद्योगिकी में सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली और महत्वपूर्ण गेट ऑक्साइड संरचना के लिए, एक बेहद पतली ऑक्साइड परत का उपयोग ढांकता हुआ सामग्री के रूप में किया जाता है। चूंकि गेट ऑक्साइड परत और उसके नीचे सी में उच्च गुणवत्ता और स्थिरता की विशेषताएं हैं, इसलिए गेट ऑक्साइड परत आमतौर पर थर्मल विकास द्वारा प्राप्त की जाती है।

SiO2 में उच्च ढांकता हुआ ताकत (107V/m) और उच्च प्रतिरोधकता (लगभग 1017Ω·cm) है।

एमओएस उपकरणों की विश्वसनीयता की कुंजी गेट ऑक्साइड परत की अखंडता है। एमओएस उपकरणों में गेट संरचना धारा के प्रवाह को नियंत्रित करती है। क्योंकि यह ऑक्साइड क्षेत्र-प्रभाव प्रौद्योगिकी पर आधारित माइक्रोचिप्स के कार्य का आधार है,

इसलिए, उच्च गुणवत्ता, उत्कृष्ट फिल्म मोटाई एकरूपता और अशुद्धियों की अनुपस्थिति इसकी बुनियादी आवश्यकताएं हैं। कोई भी संदूषण जो गेट ऑक्साइड संरचना के कार्य को ख़राब कर सकता है उसे सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए।

(4)डोपिंग बाधा

SiO2 का उपयोग सिलिकॉन सतह के चयनात्मक डोपिंग के लिए एक प्रभावी मास्किंग परत के रूप में किया जा सकता है। एक बार जब सिलिकॉन सतह पर ऑक्साइड परत बन जाती है, तो मास्क के पारदर्शी हिस्से में SiO2 को एक खिड़की बनाने के लिए उकेरा जाता है, जिसके माध्यम से डोपिंग सामग्री सिलिकॉन वेफर में प्रवेश कर सकती है।

जहां कोई खिड़कियां नहीं हैं, ऑक्साइड सिलिकॉन सतह की रक्षा कर सकता है और अशुद्धियों को फैलने से रोक सकता है, इस प्रकार चयनात्मक अशुद्धता प्रत्यारोपण को सक्षम कर सकता है।

डोपेंट SiO2 में Si की तुलना में धीरे-धीरे चलते हैं, इसलिए डोपेंट को अवरुद्ध करने के लिए केवल एक पतली ऑक्साइड परत की आवश्यकता होती है (ध्यान दें कि यह दर तापमान पर निर्भर है)।

एक पतली ऑक्साइड परत (उदाहरण के लिए, 150 Å मोटी) का उपयोग उन क्षेत्रों में भी किया जा सकता है जहां आयन आरोपण की आवश्यकता होती है, जिसका उपयोग सिलिकॉन सतह को नुकसान को कम करने के लिए किया जा सकता है।

यह चैनलिंग प्रभाव को कम करके अशुद्धता आरोपण के दौरान जंक्शन गहराई के बेहतर नियंत्रण की भी अनुमति देता है। आरोपण के बाद, सिलिकॉन की सतह को फिर से सपाट बनाने के लिए ऑक्साइड को हाइड्रोफ्लोरोइक एसिड के साथ चुनिंदा रूप से हटाया जा सकता है।

(5)धातु की परतों के बीच ढांकता हुआ परत

SiO2 सामान्य परिस्थितियों में बिजली का संचालन नहीं करता है, इसलिए यह माइक्रोचिप्स में धातु की परतों के बीच एक प्रभावी इन्सुलेटर है। SiO2 ऊपरी धातु परत और निचली धातु परत के बीच शॉर्ट सर्किट को रोक सकता है, जैसे तार पर इंसुलेटर शॉर्ट सर्किट को रोक सकता है।

ऑक्साइड के लिए गुणवत्ता की आवश्यकता यह है कि यह पिनहोल और रिक्तियों से मुक्त हो। अधिक प्रभावी तरलता प्राप्त करने के लिए इसे अक्सर डोप किया जाता है, जो संदूषण प्रसार को बेहतर ढंग से कम कर सकता है। यह आमतौर पर तापीय वृद्धि के बजाय रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा प्राप्त किया जाता है।

प्रतिक्रिया गैस के आधार पर, ऑक्सीकरण प्रक्रिया को आमतौर पर इसमें विभाजित किया जाता है:

• शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण: Si + O2→SiO2;
• गीली ऑक्सीजन ऑक्सीकरण: 2H2O (जल वाष्प) + Si→SiO2+2H2;
• क्लोरीन-डोप्ड ऑक्सीकरण: ऑक्सीकरण दर और ऑक्साइड परत की गुणवत्ता में सुधार के लिए क्लोरीन गैस, जैसे हाइड्रोजन क्लोराइड (एचसीएल), डाइक्लोरोएथिलीन डीसीई (सी2एच2सीएल2) या इसके डेरिवेटिव को ऑक्सीजन में जोड़ा जाता है।

(1)शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण प्रक्रिया: प्रतिक्रिया गैस में ऑक्सीजन अणु पहले से बनी ऑक्साइड परत के माध्यम से फैलते हैं, SiO2 और Si के बीच इंटरफेस तक पहुंचते हैं, Si के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, और फिर एक SiO2 परत बनाते हैं।

शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण द्वारा तैयार SiO2 में सघन संरचना, समान मोटाई, इंजेक्शन और प्रसार के लिए मजबूत मास्किंग क्षमता और उच्च प्रक्रिया दोहराव क्षमता होती है। इसका नुकसान यह है कि विकास दर धीमी है.

इस विधि का उपयोग आम तौर पर उच्च गुणवत्ता वाले ऑक्सीकरण के लिए किया जाता है, जैसे गेट ढांकता हुआ ऑक्सीकरण, पतली बफर परत ऑक्सीकरण, या मोटी बफर परत ऑक्सीकरण के दौरान ऑक्सीकरण शुरू करने और ऑक्सीकरण समाप्त करने के लिए।

(2)गीली ऑक्सीजन ऑक्सीकरण प्रक्रिया: जलवाष्प को सीधे ऑक्सीजन में ले जाया जा सकता है, या इसे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की प्रतिक्रिया द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। हाइड्रोजन या जल वाष्प और ऑक्सीजन के आंशिक दबाव अनुपात को समायोजित करके ऑक्सीकरण दर को बदला जा सकता है।

ध्यान दें कि सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, हाइड्रोजन से ऑक्सीजन का अनुपात 1.88:1 से अधिक नहीं होना चाहिए। गीली ऑक्सीजन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया गैस में ऑक्सीजन और जल वाष्प दोनों की उपस्थिति के कारण होता है, और जल वाष्प उच्च तापमान पर हाइड्रोजन ऑक्साइड (एचओ) में विघटित हो जाएगा।

सिलिकॉन ऑक्साइड में हाइड्रोजन ऑक्साइड की प्रसार दर ऑक्सीजन की तुलना में बहुत तेज है, इसलिए गीली ऑक्सीजन ऑक्सीकरण दर शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण दर से लगभग एक क्रम अधिक है।

(3)क्लोरीन-डोप्ड ऑक्सीकरण प्रक्रिया: पारंपरिक शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण और गीले ऑक्सीजन ऑक्सीकरण के अलावा, ऑक्सीकरण दर और ऑक्साइड परत की गुणवत्ता में सुधार के लिए क्लोरीन गैस, जैसे हाइड्रोजन क्लोराइड (एचसीएल), डाइक्लोरोएथिलीन डीसीई (सी2एच2सीएल2) या इसके डेरिवेटिव को ऑक्सीजन में जोड़ा जा सकता है। .

ऑक्सीकरण दर में वृद्धि का मुख्य कारण यह है कि जब ऑक्सीकरण के लिए क्लोरीन मिलाया जाता है, तो न केवल अभिकारक में जल वाष्प होता है जो ऑक्सीकरण को तेज कर सकता है, बल्कि क्लोरीन Si और SiO2 के बीच इंटरफेस के पास भी जमा हो जाता है। ऑक्सीजन की उपस्थिति में, क्लोरोसिलिकॉन यौगिक आसानी से सिलिकॉन ऑक्साइड में परिवर्तित हो जाते हैं, जो ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित कर सकते हैं।

ऑक्साइड परत की गुणवत्ता में सुधार का मुख्य कारण यह है कि ऑक्साइड परत में क्लोरीन परमाणु सोडियम आयनों की गतिविधि को शुद्ध कर सकते हैं, जिससे उपकरणों और प्रक्रिया कच्चे माल के सोडियम आयन संदूषण द्वारा शुरू किए गए ऑक्सीकरण दोषों को कम किया जा सकता है। इसलिए, क्लोरीन डोपिंग अधिकांश शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं में शामिल है।

2.2 प्रसार प्रक्रिया

पारंपरिक प्रसार से तात्पर्य उच्च सांद्रता वाले क्षेत्रों से कम सांद्रता वाले क्षेत्रों में पदार्थों के स्थानांतरण से है जब तक कि वे समान रूप से वितरित न हो जाएं। प्रसार प्रक्रिया फ़िक के नियम का पालन करती है। प्रसार दो या दो से अधिक पदार्थों के बीच हो सकता है, और विभिन्न क्षेत्रों के बीच सांद्रता और तापमान का अंतर पदार्थों के वितरण को एक समान संतुलन स्थिति में ले जाता है।

अर्धचालक सामग्रियों के सबसे महत्वपूर्ण गुणों में से एक यह है कि उनकी चालकता को विभिन्न प्रकार या डोपेंट की सांद्रता को जोड़कर समायोजित किया जा सकता है। एकीकृत सर्किट निर्माण में, यह प्रक्रिया आमतौर पर डोपिंग या प्रसार प्रक्रियाओं के माध्यम से प्राप्त की जाती है।

डिज़ाइन लक्ष्यों के आधार पर, अर्धचालक सामग्री जैसे सिलिकॉन, जर्मेनियम या III-V यौगिक, दाता अशुद्धियों या स्वीकर्ता अशुद्धियों के साथ डोपिंग द्वारा दो अलग अर्धचालक गुण, एन-प्रकार या पी-प्रकार प्राप्त कर सकते हैं।

सेमीकंडक्टर डोपिंग मुख्य रूप से दो तरीकों से की जाती है: प्रसार या आयन आरोपण, प्रत्येक की अपनी विशेषताएं होती हैं:

डिफ्यूजन डोपिंग कम खर्चीली है, लेकिन डोपिंग सामग्री की सांद्रता और गहराई को सटीक रूप से नियंत्रित नहीं किया जा सकता है;

जबकि आयन प्रत्यारोपण अपेक्षाकृत महंगा है, यह डोपेंट एकाग्रता प्रोफाइल के सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है।

1970 के दशक से पहले, एकीकृत सर्किट ग्राफिक्स का फीचर आकार 10μm के क्रम पर था, और पारंपरिक थर्मल प्रसार तकनीक का उपयोग आमतौर पर डोपिंग के लिए किया जाता था।

प्रसार प्रक्रिया का उपयोग मुख्य रूप से अर्धचालक सामग्रियों को संशोधित करने के लिए किया जाता है। विभिन्न पदार्थों को अर्धचालक पदार्थों में फैलाकर उनकी चालकता और अन्य भौतिक गुणों को बदला जा सकता है।

उदाहरण के लिए, त्रिसंयोजक तत्व बोरान को सिलिकॉन में विसरित करके, एक पी-प्रकार अर्धचालक बनता है; पेंटावेलेंट तत्व फॉस्फोरस या आर्सेनिक को मिलाने से एन-प्रकार का अर्धचालक बनता है। जब अधिक छेद वाला पी-प्रकार अर्धचालक अधिक इलेक्ट्रॉनों वाले एन-प्रकार अर्धचालक के संपर्क में आता है, तो एक पीएन जंक्शन बनता है।

जैसे-जैसे फीचर का आकार सिकुड़ता है, आइसोट्रोपिक प्रसार प्रक्रिया डोपेंट के लिए ढाल ऑक्साइड परत के दूसरी तरफ फैलना संभव बनाती है, जिससे आसन्न क्षेत्रों के बीच शॉर्ट्स हो जाते हैं।

कुछ विशेष उपयोगों (जैसे समान रूप से वितरित उच्च-वोल्टेज प्रतिरोधी क्षेत्रों को बनाने के लिए दीर्घकालिक प्रसार) को छोड़कर, प्रसार प्रक्रिया को धीरे-धीरे आयन आरोपण द्वारा बदल दिया गया है।

हालाँकि, 10nm से नीचे की प्रौद्योगिकी पीढ़ी में, चूंकि त्रि-आयामी फिन क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (FinFET) डिवाइस में फिन का आकार बहुत छोटा है, आयन प्रत्यारोपण इसकी छोटी संरचना को नुकसान पहुंचाएगा। ठोस स्रोत प्रसार प्रक्रिया का उपयोग इस समस्या का समाधान कर सकता है।

2.3 ह्रास प्रक्रिया

एनीलिंग प्रक्रिया को थर्मल एनीलिंग भी कहा जाता है। प्रक्रिया में एक विशिष्ट प्रक्रिया उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए सिलिकॉन वेफर की सतह पर या अंदर की सूक्ष्म संरचना को बदलने के लिए सिलिकॉन वेफर को एक निश्चित अवधि के लिए उच्च तापमान वाले वातावरण में रखा जाता है।

एनीलिंग प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर तापमान और समय हैं। तापमान जितना अधिक होगा और समय जितना अधिक होगा, थर्मल बजट उतना ही अधिक होगा।

वास्तविक एकीकृत सर्किट निर्माण प्रक्रिया में, थर्मल बजट को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है। यदि प्रक्रिया प्रवाह में कई एनीलिंग प्रक्रियाएं हैं, तो थर्मल बजट को कई ताप उपचारों के सुपरपोजिशन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।

हालाँकि, प्रक्रिया नोड्स के लघुकरण के साथ, पूरी प्रक्रिया में स्वीकार्य थर्मल बजट छोटा और छोटा हो जाता है, अर्थात, उच्च तापमान वाली थर्मल प्रक्रिया का तापमान कम हो जाता है और समय कम हो जाता है।

आमतौर पर, एनीलिंग प्रक्रिया को आयन आरोपण, पतली फिल्म जमाव, धातु सिलिसाइड गठन और अन्य प्रक्रियाओं के साथ जोड़ा जाता है। आयन प्रत्यारोपण के बाद थर्मल एनीलिंग सबसे आम है।

आयन आरोपण सब्सट्रेट परमाणुओं को प्रभावित करेगा, जिससे वे मूल जाली संरचना से अलग हो जाएंगे और सब्सट्रेट जाली को नुकसान पहुंचाएंगे। थर्मल एनीलिंग आयन प्रत्यारोपण के कारण होने वाली जाली क्षति की मरम्मत कर सकती है और प्रत्यारोपित अशुद्धता परमाणुओं को जाली अंतराल से जाली साइटों पर भी ले जा सकती है, जिससे उन्हें सक्रिय किया जा सकता है।

जाली क्षति की मरम्मत के लिए आवश्यक तापमान लगभग 500°C है, और अशुद्धता सक्रियण के लिए आवश्यक तापमान लगभग 950°C है। सिद्धांत रूप में, एनीलिंग समय जितना लंबा होगा और तापमान जितना अधिक होगा, अशुद्धियों की सक्रियण दर उतनी ही अधिक होगी, लेकिन बहुत अधिक थर्मल बजट से अशुद्धियों का अत्यधिक प्रसार होगा, जिससे प्रक्रिया अनियंत्रित हो जाएगी और अंततः डिवाइस और सर्किट के प्रदर्शन में गिरावट आएगी।

इसलिए, विनिर्माण प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, पारंपरिक दीर्घकालिक भट्ठी एनीलिंग को धीरे-धीरे रैपिड थर्मल एनीलिंग (आरटीए) द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है।

विनिर्माण प्रक्रिया में, कुछ विशिष्ट फिल्मों को फिल्म के कुछ भौतिक या रासायनिक गुणों को बदलने के लिए जमाव के बाद थर्मल एनीलिंग प्रक्रिया से गुजरना पड़ता है। उदाहरण के लिए, एक ढीली फिल्म घनी हो जाती है, जिससे उसकी सूखी या गीली नक़्क़ाशी दर बदल जाती है;

आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली एक अन्य एनीलिंग प्रक्रिया धातु सिलिसाइड के निर्माण के दौरान होती है। कोबाल्ट, निकल, टाइटेनियम आदि जैसी धातु की फिल्में सिलिकॉन वेफर की सतह पर छिड़क दी जाती हैं, और अपेक्षाकृत कम तापमान पर तेजी से थर्मल एनीलिंग के बाद, धातु और सिलिकॉन एक मिश्र धातु बना सकते हैं।

कुछ धातुएँ अलग-अलग तापमान स्थितियों के तहत अलग-अलग मिश्र धातु चरण बनाती हैं। आम तौर पर, प्रक्रिया के दौरान कम संपर्क प्रतिरोध और शरीर प्रतिरोध के साथ एक मिश्र धातु चरण बनाने की उम्मीद की जाती है।

विभिन्न थर्मल बजट आवश्यकताओं के अनुसार, एनीलिंग प्रक्रिया को उच्च तापमान भट्टी एनीलिंग और रैपिड थर्मल एनीलिंग में विभाजित किया गया है।

• उच्च तापमान भट्टी ट्यूब एनीलिंग:

यह उच्च तापमान, लंबे एनीलिंग समय और उच्च बजट वाली एक पारंपरिक एनीलिंग विधि है।

कुछ विशेष प्रक्रियाओं में, जैसे एसओआई सब्सट्रेट तैयार करने के लिए ऑक्सीजन इंजेक्शन आइसोलेशन तकनीक और गहरे-कुएं प्रसार प्रक्रियाओं में, इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ऐसी प्रक्रियाओं को आम तौर पर एक आदर्श जाली या समान अशुद्धता वितरण प्राप्त करने के लिए उच्च तापीय बजट की आवश्यकता होती है।

• रैपिड थर्मल एनीलिंग:

यह सिलिकॉन वेफर्स को लक्ष्य तापमान पर अत्यधिक तेजी से गर्म/ठंडा करने और थोड़े समय के लिए संसाधित करने की प्रक्रिया है, जिसे कभी-कभी रैपिड थर्मल प्रोसेसिंग (आरटीपी) भी कहा जाता है।

अल्ट्रा-उथले जंक्शन बनाने की प्रक्रिया में, तेजी से थर्मल एनीलिंग जाली दोष की मरम्मत, अशुद्धता सक्रियण और अशुद्धता प्रसार को कम करने के बीच एक समझौता अनुकूलन प्राप्त करता है, और उन्नत प्रौद्योगिकी नोड्स की निर्माण प्रक्रिया में अपरिहार्य है।

तापमान में वृद्धि/गिरावट की प्रक्रिया और लक्ष्य तापमान पर कम समय तक रुकना मिलकर रैपिड थर्मल एनीलिंग का थर्मल बजट बनता है।

पारंपरिक रैपिड थर्मल एनीलिंग का तापमान लगभग 1000°C होता है और इसमें कुछ सेकंड लगते हैं। हाल के वर्षों में, रैपिड थर्मल एनीलिंग की आवश्यकताएं तेजी से सख्त हो गई हैं, और फ्लैश एनीलिंग, स्पाइक एनीलिंग और लेजर एनीलिंग धीरे-धीरे विकसित हुई हैं, एनीलिंग का समय मिलीसेकंड तक पहुंच गया है, और यहां तक ​​कि माइक्रोसेकंड और उप-माइक्रोसेकंड की ओर भी विकसित हो रहा है।

3 . तीन हीटिंग प्रक्रिया उपकरण

3.1 प्रसार और ऑक्सीकरण उपकरण

प्रसार प्रक्रिया मुख्य रूप से उच्च तापमान (आमतौर पर 900-1200 ℃) स्थितियों के तहत थर्मल प्रसार के सिद्धांत का उपयोग करती है ताकि इसे एक विशिष्ट एकाग्रता वितरण देने के लिए आवश्यक गहराई पर सिलिकॉन सब्सट्रेट में अशुद्धता तत्वों को शामिल किया जा सके, ताकि विद्युत गुणों को बदला जा सके। सामग्री और एक अर्धचालक उपकरण संरचना बनाते हैं।

सिलिकॉन एकीकृत सर्किट प्रौद्योगिकी में, प्रसार प्रक्रिया का उपयोग एकीकृत सर्किट में पीएन जंक्शन या घटकों जैसे प्रतिरोधक, कैपेसिटर, इंटरकनेक्ट वायरिंग, डायोड और ट्रांजिस्टर बनाने के लिए किया जाता है, और घटकों के बीच अलगाव के लिए भी उपयोग किया जाता है।

डोपिंग सांद्रता के वितरण को सटीक रूप से नियंत्रित करने में असमर्थता के कारण, 200 मिमी और उससे अधिक के वेफर व्यास वाले एकीकृत सर्किट के निर्माण में प्रसार प्रक्रिया को धीरे-धीरे आयन आरोपण डोपिंग प्रक्रिया द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, लेकिन भारी मात्रा में अभी भी थोड़ी मात्रा का उपयोग किया जाता है। डोपिंग प्रक्रियाएं.

पारंपरिक प्रसार उपकरण मुख्य रूप से क्षैतिज प्रसार भट्टियां हैं, और थोड़ी संख्या में ऊर्ध्वाधर प्रसार भट्टियां भी हैं।

क्षैतिज प्रसार भट्टी:

यह एक ताप उपचार उपकरण है जिसका व्यापक रूप से 200 मिमी से कम वेफर व्यास वाले एकीकृत सर्किट की प्रसार प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है। इसकी विशेषताएं यह हैं कि हीटिंग फर्नेस बॉडी, रिएक्शन ट्यूब और वेफर्स ले जाने वाली क्वार्ट्ज नाव सभी क्षैतिज रूप से रखी गई हैं, इसलिए इसमें वेफर्स के बीच अच्छी एकरूपता की प्रक्रिया विशेषताएं हैं।

यह न केवल एकीकृत सर्किट उत्पादन लाइन पर महत्वपूर्ण फ्रंट-एंड उपकरणों में से एक है, बल्कि असतत उपकरणों, पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और ऑप्टिकल फाइबर जैसे उद्योगों में प्रसार, ऑक्सीकरण, एनीलिंग, मिश्र धातु और अन्य प्रक्रियाओं में भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। .

ऊर्ध्वाधर प्रसार भट्टी:

आम तौर पर 200 मिमी और 300 मिमी के व्यास वाले वेफर्स के लिए एकीकृत सर्किट प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले बैच ताप उपचार उपकरण को संदर्भित किया जाता है, जिसे आमतौर पर ऊर्ध्वाधर भट्टी के रूप में जाना जाता है।

ऊर्ध्वाधर प्रसार भट्टी की संरचनात्मक विशेषताएं यह हैं कि हीटिंग भट्टी का शरीर, प्रतिक्रिया ट्यूब और वेफर ले जाने वाली क्वार्ट्ज नाव सभी लंबवत रखी जाती हैं, और वेफर क्षैतिज रूप से रखा जाता है। इसमें वेफर के भीतर अच्छी एकरूपता, उच्च स्तर की स्वचालन और स्थिर सिस्टम प्रदर्शन की विशेषताएं हैं, जो बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट उत्पादन लाइनों की जरूरतों को पूरा कर सकती हैं।

ऊर्ध्वाधर प्रसार भट्ठी अर्धचालक एकीकृत सर्किट उत्पादन लाइन में महत्वपूर्ण उपकरणों में से एक है और इसका उपयोग आमतौर पर बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (आईजीबीटी) आदि के क्षेत्र में संबंधित प्रक्रियाओं में भी किया जाता है।

ऊर्ध्वाधर प्रसार भट्ठी शुष्क ऑक्सीजन ऑक्सीकरण, हाइड्रोजन-ऑक्सीजन संश्लेषण ऑक्सीकरण, सिलिकॉन ऑक्सीनाइट्राइड ऑक्सीकरण, और सिलिकॉन डाइऑक्साइड, पॉलीसिलिकॉन, सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4), और परमाणु परत जमाव जैसी पतली फिल्म विकास प्रक्रियाओं जैसे ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं पर लागू होती है।

इसका उपयोग आमतौर पर उच्च तापमान एनीलिंग, कॉपर एनीलिंग और मिश्रधातु प्रक्रियाओं में भी किया जाता है। प्रसार प्रक्रिया के संदर्भ में, ऊर्ध्वाधर प्रसार भट्टियों का उपयोग कभी-कभी भारी डोपिंग प्रक्रियाओं में भी किया जाता है।

3.2 रैपिड एनीलिंग उपकरण

रैपिड थर्मल प्रोसेसिंग (आरटीपी) उपकरण एक एकल-वेफर ताप उपचार उपकरण है जो वेफर के तापमान को प्रक्रिया के लिए आवश्यक तापमान (200-1300 डिग्री सेल्सियस) तक तेजी से बढ़ा सकता है और इसे जल्दी से ठंडा कर सकता है। तापन/ठंडा करने की दर आम तौर पर 20-250°C/s होती है।

ऊर्जा स्रोतों और एनीलिंग समय की एक विस्तृत श्रृंखला के अलावा, आरटीपी उपकरण में अन्य उत्कृष्ट प्रक्रिया प्रदर्शन भी हैं, जैसे उत्कृष्ट थर्मल बजट नियंत्रण और बेहतर सतह एकरूपता (विशेष रूप से बड़े आकार के वेफर्स के लिए), आयन आरोपण के कारण वेफर क्षति की मरम्मत, और एकाधिक कक्ष एक साथ विभिन्न प्रक्रिया चरण चला सकते हैं।

इसके अलावा, आरटीपी उपकरण लचीले ढंग से और जल्दी से प्रक्रिया गैसों को परिवर्तित और समायोजित कर सकते हैं, ताकि एक ही गर्मी उपचार प्रक्रिया में कई गर्मी उपचार प्रक्रियाओं को पूरा किया जा सके।

आरटीपी उपकरण का उपयोग आमतौर पर रैपिड थर्मल एनीलिंग (आरटीए) में किया जाता है। आयन प्रत्यारोपण के बाद, आयन आरोपण से होने वाली क्षति की मरम्मत करने, डोप किए गए प्रोटॉन को सक्रिय करने और अशुद्धता प्रसार को प्रभावी ढंग से रोकने के लिए आरटीपी उपकरण की आवश्यकता होती है।

सामान्यतया, जाली दोषों की मरम्मत के लिए तापमान लगभग 500°C होता है, जबकि डोप किए गए परमाणुओं को सक्रिय करने के लिए 950°C की आवश्यकता होती है। अशुद्धियों की सक्रियता समय और तापमान से संबंधित है। जितना लंबा समय और जितना अधिक तापमान, उतनी ही अधिक पूरी तरह से अशुद्धियाँ सक्रिय होती हैं, लेकिन यह अशुद्धियों के प्रसार को रोकने के लिए अनुकूल नहीं है।

क्योंकि आरटीपी उपकरण में तेज तापमान वृद्धि/गिरावट और छोटी अवधि की विशेषताएं हैं, आयन आरोपण के बाद एनीलिंग प्रक्रिया जाली दोष मरम्मत, अशुद्धता सक्रियण और अशुद्धता प्रसार अवरोध के बीच इष्टतम पैरामीटर चयन प्राप्त कर सकती है।

आरटीए को मुख्य रूप से निम्नलिखित चार श्रेणियों में बांटा गया है:

(1)स्पाइक एनीलिंग

इसकी विशेषता यह है कि यह तेजी से गर्म करने/ठंडा करने की प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित करता है, लेकिन मूल रूप से इसमें कोई गर्मी संरक्षण प्रक्रिया नहीं होती है। स्पाइक एनीलिंग उच्च तापमान बिंदु पर बहुत कम समय के लिए रहता है, और इसका मुख्य कार्य डोपिंग तत्वों को सक्रिय करना है।

वास्तविक अनुप्रयोगों में, वेफर एक निश्चित स्थिर स्टैंडबाय तापमान बिंदु से तेजी से गर्म होना शुरू हो जाता है और लक्ष्य तापमान बिंदु तक पहुंचने के बाद तुरंत ठंडा हो जाता है।

चूंकि लक्ष्य तापमान बिंदु (यानी, चरम तापमान बिंदु) पर रखरखाव का समय बहुत कम है, एनीलिंग प्रक्रिया अशुद्धता सक्रियण की डिग्री को अधिकतम कर सकती है और अशुद्धता प्रसार की डिग्री को कम कर सकती है, जबकि अच्छे दोष एनीलिंग मरम्मत विशेषताओं के परिणामस्वरूप उच्च परिणाम प्राप्त होते हैं बॉन्डिंग गुणवत्ता और कम लीकेज करंट।

65nm के बाद अल्ट्रा-उथले जंक्शन प्रक्रियाओं में स्पाइक एनीलिंग का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। स्पाइक एनीलिंग के प्रक्रिया मापदंडों में मुख्य रूप से प्रक्रिया के बाद अधिकतम तापमान, चरम निवास समय, तापमान विचलन और वेफर प्रतिरोध शामिल हैं।

अधिकतम निवास समय जितना कम होगा, उतना बेहतर होगा। यह मुख्य रूप से तापमान नियंत्रण प्रणाली के ताप/शीतलन दर पर निर्भर करता है, लेकिन कभी-कभी चयनित प्रक्रिया गैस वातावरण का भी इस पर एक निश्चित प्रभाव पड़ता है।

उदाहरण के लिए, हीलियम में एक छोटा परमाणु आयतन और तेज़ प्रसार दर होती है, जो तेज़ और समान गर्मी हस्तांतरण के लिए अनुकूल है और चरम चौड़ाई या चरम निवास समय को कम कर सकती है। इसलिए, हीटिंग और शीतलन में सहायता के लिए कभी-कभी हीलियम को चुना जाता है।

(2)लैंप एनीलिंग

लैंप एनीलिंग तकनीक का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हैलोजन लैंप का उपयोग आम तौर पर तेजी से एनीलिंग ताप स्रोतों के रूप में किया जाता है। उनकी उच्च ताप/शीतलन दर और सटीक तापमान नियंत्रण 65nm से ऊपर की विनिर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं।

हालाँकि, यह 45nm प्रक्रिया की कठोर आवश्यकताओं को पूरी तरह से पूरा नहीं कर सकता है (45nm प्रक्रिया के बाद, जब लॉजिक LSI का निकल-सिलिकॉन संपर्क होता है, तो वेफर को मिलीसेकंड के भीतर 200°C से 1000°C तक जल्दी गर्म करने की आवश्यकता होती है, इसलिए आमतौर पर लेजर एनीलिंग की आवश्यकता होती है)।

(3)लेजर एनीलिंग

लेजर एनीलिंग वेफर की सतह के तापमान को तेजी से बढ़ाने के लिए सीधे लेजर का उपयोग करने की प्रक्रिया है जब तक कि यह सिलिकॉन क्रिस्टल को पिघलाने के लिए पर्याप्त न हो जाए, जिससे यह अत्यधिक सक्रिय हो जाए।

लेजर एनीलिंग के फायदे बेहद तेज हीटिंग और संवेदनशील नियंत्रण हैं। इसमें फिलामेंट हीटिंग की आवश्यकता नहीं होती है और तापमान अंतराल और फिलामेंट जीवन के साथ मूल रूप से कोई समस्या नहीं होती है।

हालाँकि, तकनीकी दृष्टिकोण से, लेजर एनीलिंग में लीकेज करंट और अवशेष दोष की समस्याएँ होती हैं, जिसका डिवाइस के प्रदर्शन पर भी एक निश्चित प्रभाव पड़ेगा।

(4)फ़्लैश एनीलिंग

फ्लैश एनीलिंग एक एनीलिंग तकनीक है जो एक विशिष्ट प्रीहीट तापमान पर वेफर्स पर स्पाइक एनीलिंग करने के लिए उच्च तीव्रता वाले विकिरण का उपयोग करती है।

वेफर को 600-800°C तक पहले से गरम किया जाता है, और फिर कम समय के पल्स विकिरण के लिए उच्च तीव्रता वाले विकिरण का उपयोग किया जाता है। जब वेफर का चरम तापमान आवश्यक एनीलिंग तापमान तक पहुँच जाता है, तो विकिरण तुरंत बंद कर दिया जाता है।

उन्नत एकीकृत सर्किट निर्माण में आरटीपी उपकरण का तेजी से उपयोग किया जा रहा है।

आरटीए प्रक्रियाओं में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने के अलावा, आरटीपी उपकरण का उपयोग तेजी से थर्मल ऑक्सीकरण, तेजी से थर्मल नाइट्रिडेशन, तेजी से थर्मल प्रसार, तेजी से रासायनिक वाष्प जमाव, साथ ही धातु सिलिसाइड उत्पादन और एपिटैक्सियल प्रक्रियाओं में भी किया जाने लगा है।

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