Теплофизические исследования и разработка реакторного блока установки быстрой термической обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.07, кандидат технических наук Сосунов, Александр Геннадьевич

• Сосунов, Александр Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сосунов, Александр Геннадьевич

Введение.

1. Проблемы разработки и использования установок быстрой термической обработки.

1.1 Технологические процессы в установках БТО.

1.2 Блоки нагрева пластин в установках БТО.

1.3 Контроль быстрого термического процесса.

1.4 Оценка современных установок БТО. Выводы по 1 разделу.

2. Теоретическое исследование тепловых полей в камере БТО.

2.1 Расчёт температуры пластины в установке БТО при импульсном нагреве.

2.2 Светотехнический расчёт реактора с ИК- нагревом.

2.3 Расчёт мощности ламп для ИК-нагрева.

2.4 Температурные напряжения в полупроводниковой пластине при обработке в камере БТО.

Выводы по 2 разделу.

3. Экспериментальные исследования температурных полей в камере БТО.

3.1 Методики контроля и регулирования температуры в реакторе установки БТО.

3.2 Расположение тепловых источников в реакторе установки БТО.

3.3 Результаты измерения температуры в реакторе. Выводы по 3 разделу.

4. Установка быстрой термической обработки, конструкция и применение.

4.1 Описание работы промышленной установки, её конструктивные особенности.

4.2 Технологические испытания установки.

4.3 Экспериментальное исследование образцов ионнолегированных структур после операций термообработки.

Выводы по 4 разделу. Общие выводы. Литература.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплофизические исследования и разработка реакторного блока установки быстрой термической обработки»

Быстрая термическая обработка (БТО) полупроводниковых структур является одним из методов импульсной термообработки, характеризующейся длительностью теплового импульса от единиц до десятков секунд. Нагрев полупроводниковых пластин осуществляется мощными тепловыми потоками до равновесной температуры, определяемой тепловым балансом.

Технология быстрой термической обработки достигла в последнее время значительных успехов. Динамическая обратная связь, многозонный контроль и осесимметричная конструкция камеры позволили повысить технологичность и усовершенствовать управление процессом. [1-3]

Исследования показали [3], что БТО обеспечивает высокое качество отжига ионно-легированных слоев (ИЛС), формирование омических контактов, получение силицидов металлов, тонких окисных и диэлектрических плёнок, оплавление плёнок фосфоросиликатного и боросиликатного стекол, рекристаллизацию аморфных и поликристаллических плёнок. Необходимым условием получения качественной обработки БТО является равномерность, стабильность поля температур в реакторе, а так же управление величиной теплового потока. [4-6]

В производстве полупроводниковых приборов прослеживается тенденция к индивидуальной обработке пластин, за исключением процессов предварительного термического окисления, отжига и процессов осаждения слоёв из газовой фазы при пониженном давлении (LPCVD). Индивидуальная обработка пластин облегчает кластеризацию, снижает время цикла, уменьшает риск появления дефектов в операции вследствие малого количества обрабатываемых пластин, обеспечивает более чистую среду благодаря уменьшенному объему реактора, позволяет создать более совершенное управление процессом.

В течение нескольких лет установки БТО, заявляя о перечисленных преимуществах, пытались пробиться на рынок печей периодического действия. Хотя увеличение размеров пластин от 150 до 200 мм предоставила установкам БТО возможность конкурировать с печами групповой обработки пластин, контроль температур все же оставался проблемой. В настоящее время по мере перехода промышленности к большим размерам пластин и по мере ужесточения требований, предъявляемых к термическому балансу, толщине и равномерности пленок, индивидуальная предварительная термическая обработка пластин опять привлекла к себе серьезное внимание.

В типовом процессе по 0,25-0,5 мкм - технологии в печах групповой обработки используется 10-15 операций предварительного окисления и отжига для формирования активных областей и изоляции приборов [1, 2]. Толщина термических окислов находится в диапазоне от 40 А для затворных окислов, до >0,5 мкм для полевых окислов в LOCOS изоляции (технология изготовления МОП ИС с толстым защитным слоем оксида кремния). Эти процессы обычно выполняются в печах групповой обработки при температурах от 600 до 1100 °С. Время отжига находится в диапазоне от 90 мин для разгонки карманов до 10 мин для активации истока/стока или отжига борфосфоросиликатного стекла. Учитьюая последние успехи в разработке оборудования БТО печи групповой обработки не могут обеспечивать лучшие показатели по издержкам владения оборудованием или возможностям обработки в указанных временных и температурных режимах.

Тонкие окислы и оксинитриды, выращенные в установке БТО, по электрическим характеристикам эквивалентны слоям, выращенным в печах [3-8]. В производстве установки БТО пока еще редко используются для затворных и туннельных окислов. Первые установки характеризовались неудовлетворительной равномерностью и воспроизводимостью обработки по сравнению с печами групповой обработки. Одной из причин низкого качества является несовершенство конструкции нагревателя в камере установки БТО.

Другое препятствие во внедрении в производство установок БТО заключается в широкой базе используемых печей групповой обработки. Предварительная обработка диэлектриков в установках БТО должна быть отделена от отжига истока/стока, борфосфорсиликатного стекла или отжига TiSi2 для предотвращения перекрестных загрязнений. В некоторых производствах установки БТО используются только для предварительной обработки.

Исходя из изложенного выше, для перехода в производстве от печей групповой обработки к оборудованию БТО, необходимы большие капиталовложения. Это препятствие, видимо, обусловит распространение оборудования БТО только в производстве следующего поколения ( пластин диаметра 300 мм).

Результаты опытной эксплуатации отечественного оборудования БТО показали целесообразность создания подобных установок для технологии формирования тонких плёнок с эксплуатационными характеристиками и уровнем надёжности, соответствующими мировым стандартам. Анализ существующего оборудования БТО показал, что наиболее критичным с точки зрения качества получаемых структур является реакторный блок установки. Оптимизация его конструктивных параметров позволит значительно повысить качество формируемых слоёв. Отсюда тема диссертации, посвященная разработке реакторного блока установок БТО, является актуальной.

Целью работы является анализ температурных полей в реакторе, разработка принципов конструирования нагревателей и реакторного блока установок БТО. В работе обсуждается модель создания равномерного температурного поля внутри реакторного блока с целью обеспечения изотермического процесса термообработки. Определены основные параметры, влияющие на качество формируемых структур и установлена их функциональная связь. Разработан реакторный блок установки БТО с учётом оптимизации основных конструктивных параметров. Прилагается программа оптимизации конструкции реактора при заданных температурных параметрах и метод контроля температуры в зоне термообработки.

Новизна исследования заключается в разработке теоретических положений, необходимых при конструировании реакторного блока установок БТО, в выборе контроля температурного режима обработки. Научное и прикладное значение:

1. Разработана программа расчёта неравномерности облучённости и геометрических параметров реактора установки БТО.

2. Разработана методика расчета мощности ламп и их распределения в реакторе установки БТО.

3. Разработан критерий выбора допустимого перепада температур по поверхности обрабатываемой пластины

4. Разработаны маршруты формирования реальных полупроводниковых структур с использованием установок БТО.

На защиту выносятся: 1. Результаты исследования температурных полей при импульсном нагреве.

2. Результаты исследования тепловых полей в реакторе установки БТО при ИК-нагреве.

3. Результаты разработки методики контроля температуры в реакторе установок БТО.

4. Результаты разработки реактора установки БТО.

Результаты исследований изложены в диссертации в четырёх разделах и приложении.

В первом разделе дан анализ развития установок БТО, обсуждаются варианты реакторов и методов контроля температуры.

Во втором разделе изложены результаты исследования тепловых полей в реакторе при импульсном ИК-нагреве, описан метод расчета геометрии осветителя в блоке нагрева.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований температурных полей в реакторе установки БТО при ИК-нагреве. Обсуждаются оптимальные варианты расположения тепловых источников, формируются принципы построения реактора.

Четвёртый раздел посвящен анализу работы установки БТО, рассматриваются её конструктивные особенности. Приведены результаты технологических испытаний установки, а так же результаты исследования образцов ионнолегированных структур после операции отжига.

В заключение приведены общие выводы по результатам исследования.

Результаты внедрения даны в приложениях.

Отдельные положения работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» в 1997-1999г.

По теме диссертации опубликовано 2 статьи и 3 тезисов.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в подготовке работы научному руководителю - профессору Тимофееву Владимиру Николаевичу, научному консультанту - к.т.н. Сажневу Сергею Викторовичу, а также сотрудникам 17 отделения НИИТМ : Сафонову Виктору Алексеевичу, Маркиянову Виктору Петровичу, Фюрсту Леониду Георгиевичу, Приваловой Ольге Владленовне.

Заключение диссертации по теме «Оборудование производства электронной техники», Сосунов, Александр Геннадьевич

Общие выводы.

1. Показано, что быстрая термическая обработка на данный момент является перспективным направлением в области электронных технологий. Оборудование БТО всё шире используется в технологических процессах, например в процессах обработки затворных, расходуемых окислов, окислов контактных площадок и отжига с целью уплотнения структуры. Главным достоинство данного оборудования - высокое качество обрабатываемых структур, что достигается путём создания равномерного теплового поля в реакторе и на пластине.

2. Показано, что наиболее важным узлом оборудования БТО является блок нагрева. В работе, на основе теоретических и экспериментальных исследований создана конструкция нового реактора с нагревательным блоком, обеспечивающим равномерный нагрев пластин.

3. Установлено, что применение импульсных методов нагрева приводит к структурным изменениям, связанным с градиентом температур в поверхностном слое пластины. Показано, что наиболее целесообразным является нагрев пластин тепловыми ПК-источниками с постоянным излучением.

4. На основании анализа напряжённо-деформированного состояния пластины в реакторе предлагается критерий выбора допустимого градиента температур вдоль диаметра пластины. Показано, что в кремниевых пластинах диаметром 150 мм во избежание пластических деформаций перепад температур не должен превышать 14 °С.

5. Предложена методика расчёта мощности ламп ПК- нагрева пластин. Получены зависимости, позволяющие определить скорость нарастания температуры пластины, что необходимо для анализа переходных процессов в системе регулирования мощности ламп.

6. Показано, что для эффективного контроля температуры в реакторе БТО возможно применение термопар, включённых в контур управления с обратной связью.

7. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено оптимальное расположение тепловых источников в осветителе. Показано, что для наиболее эффективного использования осветителей их надо располагать взаимноперпендикулярно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сосунов, Александр Геннадьевич, 2000 год

1. Sedgwik Т.О (1987) Rapid Thermal processing: how well is it doing and where is it going?, MRS Symp. Proc vol92,3.12.

2. Edgar T.F. and T.Breedijk (1994), Owerview of process control issuses in Rapid thermal processing. RTP 94, Monterey, USA,266,277.

3. Iscoff R. (1994), In -situ deposition rate monitoring for thin films, Semiconductor International, August 94, 69,76.

4. Barna G.G., L.M. Loewenstein, S.A. Henck, P. Chapados, K.J. Branker R.J. Gale and others (1994), Dry etch process and sensors, Solid State Technology, January 94,47,53.

5. Moslehi M.M., C.J. Davis and others (1994), Single-wafer processing tools for agile semiconductor production, Solid State Technology, January 94, 35,45.

6. Moslehi M.M.,(1990) Noninvasive sensors for in-situ process monitoring and control in advanced microelectronics manufacturing, Rapid Thermal and Related Processing Techniques, Santa Clara, USA, Proc. SPIE, 280,294.

7. Sedgwick Т.О., R Kalish and others (1983), Short time annealing for As and В ion implanted Si using tungsten-halogen lamps, MRS Symp. Proc. Vol.23 293,298.

8. Wilson S.R.,R.B. Gregory, W.M. Paulson (1985), An owerview and comparison of rapid Thermal processing Equipment: a users viewpoint MRS Symp. Proc. Vol.52, 209,216.

9. Pettibone D.W. J.R. Suares, A. Gat (1985), The effect of thin dielectric films on the accuracy of pyrometric temperature measurement, MRS Symp. Proc. Vol.52, 209,216.

10. Wittkower A and C.Lee (1994), Surface insensitive open-loop processing with furnace RTP. RTP 94, Monterey,USA, 75,76.

11. Nenyei Z. and A. Tilmann (1993), Reaction time analisis in rapid thermal annealing, RTP 93 Conference, Scottcdale (USA), 429,436.

12. Sorell F.Y. and W.J.K.S. Yu (1994) Applied RTP Optical Modelling: an argument for model- Based Control, IEEE Trans. Semicond. Manuf., 4,7,454,458.15.0sturk M.C. (1993), Thin-film deposition, in « Rapid Thermal Processing Science and

13. Technology», R.B. Fair, Academic Press, New York, 79,122

14. Winkler E. (1989) RTP making Its way into Fab. Areas. Electronic News. Vol.35, №1786, 28-30.

15. Fair R.B., Ruggles B.A.(1990) Thermal Budget Issues for deep Submicron nLSI. Solid State Technology. Vol33,№5. 107-113.

16. Denshi Zairyo (1988) Vol 27, спецвыпуск. 67-77.

17. Lee C.K., Ku J.H., Kwong D.L.(1989) Silicon epitaxial growth by rapid thermal processing chemical vapor deposition. Applied Physic Letters. Vol.54, №18,1775-1777

18. Bader M.E., Hall R.P., Hrasser J. Integrated Processing Equipment. Solid State Technology. 1990. Vol 33, №5 P. 149-154.

19. Kermani A. Single wafer Rapid Thermal CVD for Poly Emmiter Bipolar and BiCMOS Devices. Solid State Technology. 1990. Vol 33, №7 P.41-43.

20. Rapid Thermal Processing Selection Guide. Microelectronic manufacturing and Testing. 1989. Vol. 12. №5 P. 38 -40.

21. Stultz T.J. Impact of Rapid Thermal Processing on Device Technology. Conference EMJCON/WEJT 86. Jan Mateo California. USA. 1986. P. 87-94.

22. Thakur et al., Process Simplification in Dram Manufacturing. IEEE Transactions on Electron Devices. 1998. Vol. 45. №3. P. 609.

23. Thakur, Rapid Thermal Processing and ULSi Electronics? In in Semiconductor Fabtech, 5th ed. 1996, P. 261.

24. The National Technology Roadmap for Semiconductors, Semiconductor Industry Association, 1997.

25. Timans R.N. Morishige, Y. Wasserman, Emmisivity- independet Rapid Thermal Processing Using Radiation Shields. Mat. Res. Symp. Proc. 1997. Vol 470. P.57.

26. Baeri P. Laser and electron Beam interaction with Solids. Ed. Appleton B.R, Geller G.k. P.151.

27. Eaton Semiconduktor Equipiment, 1982.

28. Alard F., Jeunhomme L., Monerie M., Sansonetti P. Electron Letters. 1982 vol 18 №16, P.694.

29. Coher R.L., Williams J.S Feldman L.C. West K.W. Appl. Phys Letters. 1978. Vol 33. №8. P.751.

30. Correra L, Pedulle L. Appl. Phys Letters. 1980 Vol 37. №1. P.55.

31. Соггега L, Pedulle L. Radiat. Eff. 1982 Vol. 63. №1 P.187.

32. Benetini G. Radiat Eff. 1982 Vol. 63. №1 P. 125.

33. Kohzu H. Kuzuhara M., Takayama Y.J. Appl. Phys. 1983 Vol. 54. №9 . P4998.

34. McMchon R.a., Ahmed H. Electron Letters. 1979. Vol 15. №2 . P.45.

35. Pal R. Neri J.M., Hammer D.A., Appl. Phys Letters. 1980. Vol. 37. №5 P.187.

36. Benton J.I., Kimerling L.C., Miller G.L., et al. Laser-Solid Interactions and Laser processing. 1978 Ed. Ferris S.D. etal. 1978. P. 543.

37. Rajkahan K., Singh R., Shewchun J. Sol.St. Electronics. 1979. 1979. Vol. 22. P 793.

38. Минсар А. Теплопроводность твёрдых тел, жидкостей, газов и их композиций. М., Мир, 1968.

39. Михеев М.А., Михеева, И.М. Основы Теплопередачи. М., Энергия. 1977 г.

40. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Пер. с англ. Под ред. А.Г. Блоха. М., Энергия. 1971.48.3игель 3., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. Пер. с англ. Под ред. Б.А.

41. Хрусталёва. М., Мир. 1966. 49.Излучательные свойства твёрдых материалов. Справочник. Под ред. А.Е. Шейндлина. М., Энергия. 1974.

42. Смит Р. И др. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. ИЛ. 1959.

43. Мастрюков Б.С. Каиров Э.А. К вопросу лучистого теплообмена в системе твёрдых несерых тел, разделённых лучепрозрачной средой. Теплофизика высоких температур, 1969, т. 7. N 2, стр.299.

44. Беннет Х.Е., Беннет Д.М. Прецезионные измерения в оптике тонких плёнок.- В сб.: Физика тонких плёнок. Под ред. Г. Хасса и Р. Э. Туна. М., Мир. 1970.

45. Леконт Ж. Инфракрасное излучение. Госфизматгиз. 1958.54.3орин Е.И. Павлов П.В. Тетельбаум д.И. Ионное легирование полупроводников. М. Энергия. 1975.

46. Гревцев Н.В. Гриценко А.Л., Леднев М.А., Онухов H.A. Расчёт тепловых процессов при лучевой импульсной термообработке тонких плёнок. Доклад на отраслевой конференции, 1982.

47. Тимошенко С.П., Гудьер. Теория упругости. М.: Наука, 1975, 576 с.

48. Арутюнов B.C. Электрические измерительные приборы и измерения. М., Госэнергоиздат. 1968.

49. Лыков A.B. Тепломассообмен. М., Энергия. 1972.

50. Болынаков Ю.В., Кобаенкова Л.В., Заболотнов В.Ф., Головко Б.И., Кузнецова Л.В., Юдина Н.В. О возможности использования импульсных ламп для отжига ионно-имплантированных слоёв. Отраслевая конференция, 1984. Москва.

51. Иноземцев С.А., Мордкович В.Н., Нидаев Е.В., Смирнов Л.С., Петровин Н.М., Способ термической обработки кремниевых пластин. Авторское свидетельство №961.500.

52. Афанасьев В.А., Гудков В.А., Духновский М.П. и др., Комплекс работ по исследованию, созданию и внедрению методов и аппаратуры импульсного отжига полупроводниковых структур источниками интенсивного некогерентного света. ИФП СО АН СССР, 1983.

53. Болынаков Ю.В., Кобаенкова Л.В., Заболотнов В.Ф., Головко Б.И., Кузнецова Л.В., Юдина Н.В. О возможности использования импульсных ламп для отжига ионно-легированных слоёв. Отраслевая конференция, 1982. Москва.

54. Двуреченский A.B., Качурин Г.А., Нидаев Е.В., Смирнов Л.С. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. М.: Наука, 1982, 207 с.

55. Кизель В.А. Отражение света. М.: Наука. 1973' ' -128= , , . о: / ■ .

56. Pi <LïHb i F< I. X umnx riap

57. БЬЬшй* nííV ¿O, i9vï iû:5'» VïSV*'.4 vdíRÁк list SCALEt i,ô6ô FrtööE ÍD¿ 7Уut :uir iit :

58. HL tiittrb: Ш SITES ï "ER Díñ. : iT иIA. sчлг 4915000 m«« / 5.91 130.ОО oiffl / 5.12in in1.tHN

59. STD DEv HINIiilíH iiAX IHüHonins/sqV7015 percent 7B.21 . ohms/sq SO .07 ohms /' sqrER ID. : Г ID. Ï JC. DATE Î ¡PÛKHTURE ÎniEkvhL : O.Du percent CüRREwT : AP/D7.49i»v .4290mA1. SORTING s 3.0 51БИ$• ¿r

60. PRGrii£ i i< i X ri xriap Kiaooi SUNDAY i\iuv SO, 1997 i0:4o90iF«b LAB. ¿»32iu: SCALE: 1-G.GO rftOBE ID: TYP iiff v<>> Uf << Si <> ■!} <1. OjZ1. FILE:si i tt>: ITES : L"; IA. : IA. :tva.yi 5. 12in

61. STD DEv iiiKIiiuH HAXIHLfii7557 onms/sq .7477 percent ^ 74.55 orwns/sq 77.59 onms/sqiu> «1. SATE HTURE1. UtC-iU-lYV/ooooc

62. TERVAL : 0.50 percent CURRENT : AP/D7.49mv .4515mA SORTING : 3.0 SIGH A

63. SüMöilt яр4ГЗ?ф1|¥9"7 LAB.6321. SCALE:i.ööö PROBE lös TYF i1. УЧr- it-tî1. SlitS: 49 SITES : 48

64. DIA« : 150-Oü mm / DIA. : Í3G.OO mm t5.9i 5 . J. 2ir»inntm STD DEV И INI Iii in ИАХ JHüHrti.¿£. cmms^sq .8042 percent 74.99 ohms/sq 77.90 ohms/sq1..1. DtC—ЗО—i 99 7 „OöOöC