Gloeien in de oven versus RTA versus laseranneal: tijdschaal, diffusie, activering en toepassingen

Na ionenimplantatie worden wafers gegloeid (annealing) om kristalschade te herstellen en doteringen op roosterplaatsen te brengen, zodat ze elektrisch actief worden (activering). Hoe langer de wafer heet blijft, hoe meer de doteringen echter diffunderen en hoe dieper de juncties worden. Bij een ovenanneal worden veel wafers samen tientallen minuten tot uren in een oven verhit. RTA (rapid thermal annealing) verhit één wafer tegelijk met lampen gedurende slechts enkele seconden, en de spike-anneal, die vrijwel niet op de piektemperatuur blijft, hoort tot dezelfde familie. Laser- en flitslampanneal verhitten alleen een dunne laag dicht bij het waferoppervlak, een milliseconde of korter. Korter verhitten betekent minder diffusie, dus naarmate transistors kleiner werden, zijn processen naar kortere anneals opgeschoven.

KenmerkOvenannealRTA / spike-annealLaser- / flitslampanneal
VerhittingstijdTientallen minuten tot urenSeconden tot tientallen seconden; bij een spike-anneal is de tijd rond de piektemperatuur ruwweg 1 tot 2 secondenEen milliseconde of korter: typisch rond een milliseconde bij flitslampen, en van milliseconden tot nanoseconden bij lasers, afhankelijk van de methode
OpwarmsnelheidLangzaam, typisch enkele tot ruim tien °C per minuutSnel, typisch tientallen tot honderden °C per secondeAlleen het oppervlak warmt extreem snel op en koelt daarna snel af doordat de warmte de wafer in stroomt
VerwerkingseenheidVeel wafers tegelijk (batch)Eén wafer tegelijk (single wafer)Eén wafer tegelijk; flitslampen verhitten het hele oppervlak in één keer, lasers scannen er een bundel overheen
Verhit gebiedAlle wafers in de oven bereiken een vrijwel uniforme temperatuurDe hele waferdikte bereikt vrijwel dezelfde temperatuurAlleen een dunne laag dicht bij het oppervlak bereikt de piektemperatuur; de rest van de wafer blijft koeler (op de voorverwarmingstemperatuur bij flitslampen) en werkt als koellichaam
Thermisch budgetGrootGemiddeld, veel kleiner dan bij een ovenannealZeer klein
Diffusie van doteringenGroot; juncties worden dieper en transient enhanced diffusion (TED) heeft een sterk effectOnderdrukt; ondiepe juncties zijn mogelijk, al blijft er wat diffusieVrijwel geen; het profiel zoals geïmplanteerd blijft grotendeels behouden
ActiveringRuwweg begrensd door de oplosbaarheid bij die temperatuur; een hogere temperatuur vergroot ook de diffusieHoge activering, omdat hoge temperaturen kunnen worden gebruiktHoge activering door zeer hoge temperatuur gedurende zeer korte tijd; metastabiele activering boven de evenwichtsoplosbaarheid is mogelijk, maar een deel ervan deactiveert vaak in latere thermische stappen
Herstel van kristaldefectenMakkelijk te herstellen door de lange beschikbare tijdHerstelt de meeste defectenDefecten kunnen achterblijven omdat de tijd zo kort is; vaak gecombineerd met een spike-anneal
Typische toepassingenIndrijven van wells, verdichten van lagen, forming-gas-anneals bij relatief lage temperatuur en vergelijkbaar; ovens van hetzelfde type worden ook gebruikt voor thermische oxidatie en LPCVDActivering van source/drain, vorming van silicide, groei van dunne oxiden en nitrideringActivering van ondiepe source/drain- en extensiegebieden in geavanceerde logica (gecombineerd met spike-anneals) en stappen waarbij onderliggende lagen niet mogen worden verhit (zoals de achterzijde van IGBT's)

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Ovenanneal
Geschikt wanneer doteringen goed moeten diffunderen, zoals bij het vormen van diepe wells, en wanneer veel wafers langzaam en uniform moeten worden verwerkt. Het wordt niet meer gebruikt om ondiepe juncties te activeren, omdat het te veel diffusie veroorzaakt.
RTA / spike-anneal
De standaardmethode voor activering van source/drain. Het activeert doteringen bij hoge temperatuur en houdt de verhittingstijd in de orde van seconden om diffusie te beperken. Het wordt ook gebruikt voor de vorming van silicide.
Laser- / flitslampanneal
Gebruikt in geavanceerde transistors die zeer ondiepe juncties moeten behouden, om doteringen vrijwel zonder diffusie te activeren. Omdat het alleen het oppervlak verhit, past het ook bij stappen waarbij onderliggende lagen of structuren aan de achterzijde niet mogen worden beschadigd.

Veelgestelde vragen

Wat is een thermisch budget?

Een manier om uit te drukken hoeveel warmte een wafer krijgt, als combinatie van temperatuur en tijd. De diffusieafstand van een dotering is ruwweg de wortel van de diffusiecoëfficiënt maal de tijd (√(Dt)), en de diffusiecoëfficiënt groeit exponentieel met de temperatuur. De diffusie is dus kleiner bij een kortere tijd bij dezelfde temperatuur, of bij een lagere temperatuur gedurende dezelfde tijd.

Zijn RTA en RTP hetzelfde?

RTP (rapid thermal processing) is de algemene term voor het kortstondig verhitten van één wafer tegelijk met lampen of vergelijkbare bronnen. Als het doel gloeien is, zoals activering na ionenimplantatie, heet het RTA (rapid thermal annealing). Het laten groeien van een dun oxide in hetzelfde soort apparaat heet RTO.

Hoe verschilt een spike-anneal van een gewone RTA?

Een gewone RTA houdt de piektemperatuur seconden tot tientallen seconden vast, terwijl een spike-anneal begint af te koelen zodra de piek is bereikt, vrijwel zonder wachttijd. Het activeert doteringen bij hoge temperatuur en verkort de tijd dat de wafer heet is, om diffusie te beperken.

Waarom niet alleen laseranneal gebruiken?

Omdat de verhittingstijd zo kort is, wordt implantatieschade mogelijk niet volledig hersteld, en doteringen die boven de evenwichtsoplosbaarheid zijn geactiveerd, deactiveren vaak gedeeltelijk in latere thermische stappen. De lichtabsorptie varieert ook met het patroon, dus de temperatuur kan van plaats tot plaats verschillen. Daarom wordt het gecombineerd met spike-anneals en gebruikt met grenzen aan de temperatuur van latere stappen.

Test uw begrip

Wat is het juiste hoofddoel van een anneal (warmtebehandeling) na ionenimplantatie?

  1. ADe geïmplanteerde dopeerstof laten verdampen en verwijderen
  2. BKristaldefecten herstellen en de dopeerstof op roosterplaatsen brengen zodat die elektrisch wordt geactiveerd
  3. CEen dikke oxidefilm op het waferoppervlak laten groeien
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Kristaldefecten herstellen en de dopeerstof op roosterplaatsen brengen zodat die elektrisch wordt geactiveerd

Geïmplanteerde ionen verstoren het siliciumkristal en blijven grotendeels op interstitiële plaatsen waar ze niet als donor of acceptor werken, dus direct na implantatie zijn ze nauwelijks elektrisch actief. Tijdens de anneal herstelt de kristalschade en worden dopeerstoffen op roosterplaatsen gebracht en geactiveerd. Om te sterke diffusie van de dopeerstof te voorkomen, worden RTA (enkele seconden met lampen verwarmen) en flashlamp- of laser-anneal in milliseconden of korter gebruikt.

Welke eigenschap van laser-anneal is juist?

  1. ADe hele wafer wordt lange tijd gelijkmatig verhit
  2. BEr wordt langzaam bij lage temperatuur verhit
  3. CAlleen de omgeving van het waferoppervlak kan gedurende een extreem korte tijd worden verhit, waarbij de diffusie wordt onderdrukt en een hoge activering wordt verkregen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Alleen de omgeving van het waferoppervlak kan gedurende een extreem korte tijd worden verhit, waarbij de diffusie wordt onderdrukt en een hoge activering wordt verkregen

Bij laser-anneal brengt laserlicht alleen de omgeving van het oppervlak gedurende een extreem korte tijd, van microseconden tot nanoseconden, op 1000 °C of hoger (afhankelijk van de omstandigheden dicht bij het smeltpunt). Omdat een hoge activering wordt verkregen voordat de dopeerstof nauwelijks diffundeert, kunnen ondiepe juncties met lage weerstand worden gemaakt. Omdat de warmte niet diep doordringt, wordt het ook gebruikt in processen waarbij onderliggende lagen niet mogen worden beschadigd, zoals de vorming van de achterzijdelaag van IGBT's en de vorming van transistors in bovenliggende gestapelde lagen.

Hoe heet de warmtebehandeling waarbij wafers één voor één met bijvoorbeeld lampen in enkele seconden kort op hoge temperatuur worden gebracht?

  1. ABatchovenanneal
  2. BRTP (rapid thermal processing)
  3. CCMP
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. RTP (rapid thermal processing)

RTP is een warmtebehandeling waarbij wafers met bijvoorbeeld halogeenlampen met een snelheid van enkele tientallen tot honderden °C per seconde worden verhit en gekoeld, en slechts enkele seconden aan temperaturen boven 1000 °C worden blootgesteld. Omdat de tijd bij hoge temperatuur kort is, kunnen na implantatie activeringsanneal en vorming van dunne oxidefilms worden uitgevoerd terwijl onzuiverheidsdiffusie wordt onderdrukt. Flash-lampanneal en laseranneal, waarbij de verhittingstijd verder is bekort tot milliseconden of minder, worden eveneens gebruikt voor het vormen van ondiepe overgangen in geavanceerde processen.

  1. Hoe heet het verschijnsel waarbij in de beginfase van de anneal na ionenimplantatie de diffusie van boor en dergelijke tijdelijk sneller verloopt door de invloed van interstitieel silicium dat door de implantatie is ontstaan?
  2. Welke eigenschap bepaalt de bovengrens van de concentratie die elektrisch kan worden geactiveerd wanneer dopeerstoffen bij de anneal worden geactiveerd?
  3. Welke relatie tussen de diffusiecoëfficiënt van onzuiverheden in silicium en de temperatuur is juist?

Oefenvragen over Ionenimplantatie

Belangrijke termen uitgelegd

Gloeien (annealing)
Warmtebehandeling. Wordt gebruikt om kristaldefecten na ionenimplantatie te herstellen en doteerstoffen te activeren.
RTP (rapid thermal processing)
Warmtebehandeling waarbij wafers één voor één met lampen of dergelijke in korte tijd van enkele seconden tot hoge temperatuur worden verhit. Maakt gloeien en het vormen van dunne oxidefilms mogelijk terwijl overbodige diffusie van onzuiverheden wordt beperkt.
Spike-anneal
Warmtebehandeling waarbij de wafer snel tot een hoge temperatuur wordt verwarmd en vrijwel direct weer afkoelt zonder die temperatuur aan te houden. Maakt activering mogelijk met weinig diffusie van doteringsatomen; wordt gebruikt voor ondiepe juncties.
Laseranneal
Warmtebehandeling waarbij met laserlicht alleen de omgeving van het waferoppervlak gedurende zeer korte tijd wordt verhit. Levert hoge activering met vrijwel geen diffusie.
Transient enhanced diffusion (TED)
Verschijnsel waarbij in het begin van het gloeien na ionenimplantatie de diffusie van onder meer boor tijdelijk versnelt door overtollig interstitieel silicium uit de implantatie. Bemoeilijkt het maken van ondiepe juncties.
Oplosbaarheid (solid solubility)
Maximale concentratie onzuiverheden die bij een bepaalde temperatuur in het kristal kan oplossen. Bepaalt de bovengrens van de concentratie elektrisch actieve doteerstof.
Ionenimplantatie
Techniek waarbij onzuiverheden worden geioniseerd, versneld en in de wafer geschoten. Dosis en diepte zijn nauwkeurig te regelen.

Verwante vergelijkingen