快速熱處理PPT課件

1、2021-11-11引言和課題背景 隨著集成電路制造工藝技術的不斷進步，器件特征尺寸逐步地縮小。 深亞微米階段，等比例縮小器件結構對工藝提出更加嚴格要求； 源、漏區(qū)淺PN結工藝 低溫工藝 （減少粒子雜質擴散） 低溫工藝問題：溫度低，注入的粒子雜質電激活效果差，晶格損傷修復能力差，過剩雜質形成有效的產(chǎn)生/復合中心，PN結漏電。 保持溫度下縮短高溫處理時間 傳統(tǒng)高溫爐管設備 高溫爐緩慢升降溫，否則硅片因溫度梯度翹曲變形 熱預算大，雜質再分布第1頁/共25頁2021-11-11引言 快速熱處理 RTP工藝是一類單片熱處理工藝，其目的是通過縮短熱處理時間和溫度或只縮短熱處理時間來獲得最小的工藝熱預算。

2、 應用：最早用于粒子注入后熱退火，擴展到氧化金屬硅化物的形成和快速熱化學氣相沉積和外延生長等更寬泛的領域。 RTP已逐漸成為先進半導體制造必不可少的一項工藝。Applied Materials公司Vantage-RadiancePlus-RTP設備（ Applied Materials, Inc.）第2頁/共25頁引言2021-11-11RTP設備（圖片來源：USTC Center for Mirco- and Nanoscale Research and Fabrication)第3頁/共25頁2021-11-11RTP設備簡介及其技術特點傳統(tǒng)的批式熱處理技術和RTP設備區(qū)別燈光輻射型熱源R

3、TP系統(tǒng)高頻石墨感應加熱型RTP設備第4頁/共25頁2021-11-11高溫爐管設備和RTP設備區(qū)別傳統(tǒng)熱處理設備 熱傳導和熱對流原理使硅片和整個爐管周圍環(huán)境達到熱平衡 升降溫較慢，一般5-50/分鐘 采用熱壁工藝，容易淀積雜質 而且熱預算大無法適應深亞微米工藝的需要。傳統(tǒng)爐管設備和RTP設備區(qū)別第5頁/共25頁2021-11-11燈光輻射型熱源 目前，國際上常見的RTP設備基本上都是采用燈光輻射性熱源。采用特定波長（0.3-0.4um）輻射熱源對晶片進行單片加熱。 冷壁工藝 硅片選擇性吸收輻射熱源的輻射能量，輻射熱源不對反應腔壁加熱，減少硅片的玷污 采用RTP技術升溫速度快（20250/秒）

4、，并能快速冷卻。 不同于高溫爐管首先對晶片邊緣進行加熱，RTP系統(tǒng)中，熱源直接面對晶片表面 處理大直徑晶片時不會影響工藝的均勻性和升、降溫速度 系統(tǒng)還有晶片旋轉功能，使得熱處理具有更好的均勻性Applied Materials公司vantage_vulcan_rtp設備（ Applied Materials, Inc.）第6頁/共25頁2021-11-11燈光輻射型熱源RTP設備中燈管輻射熱源（ Applied Materials, Inc.） RTP還可以有效控制工藝氣體。 RTP可以在一個程式中完成復雜的多階段熱處理工藝 它能和其他工藝步驟集成到一個多腔集成設備中，靈活性 溫度測量和控制通

5、過高溫計完成第7頁/共25頁2021-11-11燈光輻射型熱源 根據(jù)加熱類型，快速熱處理工藝分為絕熱型、熱流型和等溫型。 絕熱型工藝采用寬束相干光快速脈沖 熱流型工藝采用高強度點光源對晶片進行整片掃描 等溫型采用非相干光進行輻射加熱?，F(xiàn)在幾乎所有的商用快速熱處理系統(tǒng)都采用等溫型設計。 實際硅片的升溫速度取決于以下因素 硅片本身的吸熱效率 加熱燈管輻射的波長及強度 RTP反應腔壁的反射率 輻射光源的反射和折射率第8頁/共25頁2021-11-11高頻石墨感應加熱型RTP設備 該設備的關鍵技術是采用高頻感應石墨加熱上對半導體圓片進行熱處理，而非燈光輻射加熱方式 在石英腔體內放置石墨加熱板，在石英腔

6、體外部纏繞線圈。通過向線圈施加高頻變化的電壓激發(fā)產(chǎn)生高頻電磁場，位于高頻交變電磁場的石墨板感應發(fā)熱作為熱源，由此對腔體內的硅片進行熱處理 面加熱、制造和維護成本低RHT系列半導體快速熱處理北京：清華大學微電子學研究所，1995第9頁/共25頁2021-11-11高頻石墨感應加熱型RTP設備 高頻石墨感應加熱RTP設備示意圖北京：清華大學微電子學研究所，1995第10頁/共25頁2021-11-11RTP設備和技術的關鍵問題 加熱光源和反應腔的設計 硅片的熱不均勻問題和改進措施 溫度測量問題 邏輯產(chǎn)品低溫、均勻控制問題第11頁/共25頁2021-11-11加熱光源和反應腔的設計 加熱燈源 鎢-鹵

7、燈：發(fā)光功率小，但工作條件較為簡單（普通的交流線電壓） 惰性氣體長弧放電燈：發(fā)光功率大，但需要工作在穩(wěn)壓直流電源之下，且需要水冷裝置改變反應腔的幾何形狀可以優(yōu)化能量收集效率，使得硅片獲得并維持均勻溫度早期的RTP設備多采用反射腔設計。腔壁的漫反射使得光路隨機化，從而使輻射在整個硅片上均勻分布加熱光源和反射腔的設計第12頁/共25頁2021-11-11加熱光源和反應腔的設計 應用材料公司反應腔體結構示意圖加熱鹵鎢素燈管第13頁/共25頁2021-11-11硅片的熱不均勻問題和改進措施 熱不均勻因素 圓片邊緣接收的輻射量比中心小 圓片邊緣的損失比中心大 冷卻效果方面，氣流對邊緣的冷卻效果比中心好

8、熱不均勻因素改進措施補償硅片邊緣的熱損失，提高對邊緣部位的輻射功率 改變反射腔形狀和燈泡間距采用分區(qū)加熱 燈泡以六角對稱形式排列成片面陣列 燈泡分成多個可獨立控制的加熱區(qū)硅片熱不均勻問題原因示意圖加熱燈管分布示意圖第14頁/共25頁2021-11-11溫度測量問題 溫度測量作為RTP設備關鍵的一環(huán)，其測量值被用在反饋回路中以控制燈泡的輸出功率，因此準確且可重復的溫度測量是RTP工藝中面臨的最大困難之一 熱電堆是RTP設備中最常見的電熱測溫計，其工作原理是塞貝克效應，即加熱后的金屬結會產(chǎn)生電壓，且與溫差成正比。 光學高溫計的工作原理是對某一波長范圍內的輻射能量進行測量，然后用stefan-bol

9、tzman關系式（黑體的總放射能力與它本身的絕對溫度的四次方成正比，即 ETb=T4）將能量值轉為輻射源的溫度 溫度測量與控制系統(tǒng)框圖第15頁/共25頁2021-11-11低溫、均勻控制問題 對于深亞微米階段的先進器件，特別是邏輯產(chǎn)品，將會采用NiSi等相關技術制造。 Ni的工藝處理溫度比鈷低，一般僅為200左右 由于晶體管的更小尺寸，對溫度變化的更加敏感，以及很多邏輯芯片的更大體積，使得整片芯片要獲得均勻性變得越來越難，這已逐漸成為20納米世代（28納米及以下）芯片制造的主要挑戰(zhàn)隨著物體溫度的降低，物體發(fā)射的輻射強度會按指數(shù)下降。由于低溫時晶片不能發(fā)射足夠能量，因此采用高溫計測量和控制溫度比

10、較困難第16頁/共25頁2021-11-11邏輯產(chǎn)品低溫、均勻控制問題Applied Materials Vantage-Vulcan RTP設備（ Applied Materials, Inc.）硅片背部加熱示意圖（ Applied Materials, Inc.）2011年應用材料公司推出Applied Vantage Vulcan快速熱處理系統(tǒng)，硅片背部加熱溫度波動范圍則從以往的9C降低到了3C，溫度范圍達到了75-1300C第17頁/共25頁2021-11-11RTP技術和處理工藝的應用離子注入的退火（RTA)介質的快速熱加工(RTO)硅化物和接觸的形成第18頁/共25頁2021-11

11、-11離子注入的退火，雜質的快速熱激活 離子注入會將原子撞出出晶格結構而造成晶格損傷，必須通過足夠高溫度的熱處理，才能具有電活性，并消除注入損傷。 快速熱退火（RTA）用極快的升溫和在目標溫度短暫的持續(xù)時間對硅片進行處理。熱退火前后晶格結構的變化示意圖第19頁/共25頁2021-11-11離子注入的退火，雜質的快速熱激活 。N2氣流中硅片RTA溫度隨時間變化示意圖第20頁/共25頁2021-11-11介質的快速熱加工 快速熱氧化8（RTO）工藝可以在適當?shù)母邷叵峦ㄟ^精確控制的氣氛來實現(xiàn)短時間生長薄氧層。 氧化層具有很好的擊穿特性，電性能上耐用堅固。 不均勻溫度分布產(chǎn)生的晶片內的熱塑性，對RTO

12、均勻性不良的影響快速氧化層厚度在不同溫度下隨時間變化關系圖第21頁/共25頁2021-11-11硅化物和接觸的形成 快速熱處理也經(jīng)常被用于形成金屬硅化物接觸，其可以仔細控制硅化物反應的溫度和環(huán)境氣氛，以盡量減少雜質污染，并促使硅化物的化學配比和物相達到理想狀態(tài)。 形成阻擋層金屬也是RTP在SI技術中的一個應用。 RTP還可以在GaAs工藝中用于接觸的形成，淀積一層金鍺混合物并進行熱退火，可以在N型GaAs材料上形成低阻的歐姆接觸第22頁/共25頁2021-11-11總結和展望 隨著工藝特性和速度要求的不斷提高、復雜微細結構的引進，熱處理工藝正面臨來自高k和其它材料、超淺接合、應變硅、SOI，以及不斷微縮生產(chǎn)更高效率和更加復雜的器件所帶來的挑戰(zhàn)。 RTP工藝RTP工藝技術提出了更高的要求 更低的熱預算 更好的溫度均勻控制 更寬的溫度控制范圍 超淺結USJ（Ultra sha