快速熱處理,RTP

1、2022-7-2快速熱處理技術(shù)報(bào)告提綱 1、引言和課題背景 2、 RTP設(shè)備簡(jiǎn)介及其技術(shù)特點(diǎn) 3、 RTP設(shè)備和技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題 4、 RTP技術(shù)和處理工藝的應(yīng)用 5、 總結(jié)和展望2022-7-2快速熱處理技術(shù)引言和課題背景 隨著集成電路制造工藝技術(shù)的不斷進(jìn)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(jié)構(gòu)對(duì)工藝提出更加嚴(yán)格要求； 源、漏區(qū)淺PN結(jié)工藝 低溫工藝 （減少粒子雜質(zhì)擴(kuò)散） 低溫工藝問(wèn)題：溫度低，注入的粒子雜質(zhì)電激活效果差，晶格損傷修復(fù)能力差，過(guò)剩雜質(zhì)形成有效的產(chǎn)生/復(fù)合中心，PN結(jié)漏電。 保持溫度下縮短高溫處理時(shí)間 傳統(tǒng)高溫爐管設(shè)備 高溫爐緩慢升降溫，否則硅片因溫度梯度翹

2、曲變形 熱預(yù)算大，雜質(zhì)再分布2022-7-2快速熱處理技術(shù)引言 快速熱處理 RTP工藝是一類(lèi)單片熱處理工藝，其目的是通過(guò)縮短熱處理時(shí)間和溫度或只縮短熱處理時(shí)間來(lái)獲得最小的工藝熱預(yù)算。 應(yīng)用：最早用于粒子注入后熱退火，擴(kuò)展到氧化金屬硅化物的形成和快速熱化學(xué)氣相沉積和外延生長(zhǎng)等更寬泛的領(lǐng)域。 RTP已逐漸成為先進(jìn)半導(dǎo)體制造必不可少的一項(xiàng)工藝。Applied Materials公司Vantage-RadiancePlus-RTP設(shè)備（ Applied Materials, Inc.）引言2022-7-2快速熱處理技術(shù)RTP設(shè)備（圖片來(lái)源：USTC Center for Mirco- and Nano

3、scale Research and Fabrication)2022-7-2快速熱處理技術(shù)RTP設(shè)備簡(jiǎn)介及其技術(shù)特點(diǎn) 傳統(tǒng)的批式熱處理技術(shù)和RTP設(shè)備區(qū)別 燈光輻射型熱源RTP系統(tǒng) 高頻石墨感應(yīng)加熱型RTP設(shè)備2022-7-2快速熱處理技術(shù)高溫爐管設(shè)備和RTP設(shè)備區(qū)別傳統(tǒng)熱處理設(shè)備熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流原理使硅片和整個(gè)爐管周?chē)h(huán)境達(dá)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(zhì)而且熱預(yù)算大無(wú)法適應(yīng)深亞微米工藝的需要。傳統(tǒng)爐管設(shè)備和RTP設(shè)備區(qū)別2022-7-2快速熱處理技術(shù)燈光輻射型熱源目前，國(guó)際上常見(jiàn)的RTP設(shè)備基本上都是采用燈光輻射性熱源。采用特定波長(zhǎng)（0.3-0.4um）輻射

4、熱源對(duì)晶片進(jìn)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(duì)反應(yīng)腔壁加熱，減少硅片的玷污采用RTP技術(shù)升溫速度快（20250/秒），并能快速冷卻。不同于高溫爐管首先對(duì)晶片邊緣進(jìn)行加熱，RTP系統(tǒng)中，熱源直接面對(duì)晶片表面處理大直徑晶片時(shí)不會(huì)影響工藝的均勻性和升、降溫速度系統(tǒng)還有晶片旋轉(zhuǎn)功能，使得熱處理具有更好的均勻性Applied Materials公司vantage_vulcan_rtp設(shè)備（ Applied Materials, Inc.）2022-7-2快速熱處理技術(shù)燈光輻射型熱源RTP設(shè)備中燈管輻射熱源（ Applied Materials, Inc.）RTP還可以有效

5、控制工藝氣體。RTP可以在一個(gè)程式中完成復(fù)雜的多階段熱處理工藝它能和其他工藝步驟集成到一個(gè)多腔集成設(shè)備中，靈活性溫度測(cè)量和控制通過(guò)高溫計(jì)完成2022-7-2快速熱處理技術(shù)燈光輻射型熱源 根據(jù)加熱類(lèi)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(qiáng)度點(diǎn)光源對(duì)晶片進(jìn)行整片掃描 等溫型采用非相干光進(jìn)行輻射加熱。現(xiàn)在幾乎所有的商用快速熱處理系統(tǒng)都采用等溫型設(shè)計(jì)。 實(shí)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(zhǎng)及強(qiáng)度 RTP反應(yīng)腔壁的反射率 輻射光源的反射和折射率2022-7-2快速熱處理技術(shù)高頻石墨感應(yīng)加熱型RTP設(shè)備該設(shè)備的

6、關(guān)鍵技術(shù)是采用高頻感應(yīng)石墨加熱上對(duì)半導(dǎo)體圓片進(jìn)行熱處理，而非燈光輻射加熱方式在石英腔體內(nèi)放置石墨加熱板，在石英腔體外部纏繞線(xiàn)圈。通過(guò)向線(xiàn)圈施加高頻變化的電壓激發(fā)產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，位于高頻交變電磁場(chǎng)的石墨板感應(yīng)發(fā)熱作為熱源，由此對(duì)腔體內(nèi)的硅片進(jìn)行熱處理面加熱、制造和維護(hù)成本低RHT系列半導(dǎo)體快速熱處理北京：清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，19952022-7-2快速熱處理技術(shù)高頻石墨感應(yīng)加熱型RTP設(shè)備 高頻石墨感應(yīng)加熱RTP設(shè)備示意圖北京：清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，19952022-7-2快速熱處理技術(shù)RTP設(shè)備和技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題加熱光源和反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)硅片的熱不均勻問(wèn)題和改進(jìn)措施溫度測(cè)量問(wèn)題邏輯產(chǎn)品低溫、均

7、勻控制問(wèn)題2022-7-2快速熱處理技術(shù)加熱光源和反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)加熱燈源鎢-鹵燈：發(fā)光功率小，但工作條件較為簡(jiǎn)單（普通的交流線(xiàn)電壓）惰性氣體長(zhǎng)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(yīng)腔的幾何形狀可以?xún)?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(shè)備多采用反射腔設(shè)計(jì)。腔壁的漫反射使得光路隨機(jī)化，從而使輻射在整個(gè)硅片上均勻分布加熱光源和反射腔的設(shè)計(jì)2022-7-2快速熱處理技術(shù)加熱光源和反應(yīng)腔的設(shè)計(jì) 應(yīng)用材料公司反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu)示意圖加熱鹵鎢素?zé)艄?022-7-2快速熱處理技術(shù)硅片的熱不均勻問(wèn)題和改進(jìn)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

8、比中心大冷卻效果方面，氣流對(duì)邊緣的冷卻效果比中心好 熱不均勻因素改進(jìn)措施補(bǔ)償硅片邊緣的熱損失，提高對(duì)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(duì)稱(chēng)形式排列成片面陣列 燈泡分成多個(gè)可獨(dú)立控制的加熱區(qū)硅片熱不均勻問(wèn)題原因示意圖加熱燈管分布示意圖2022-7-2快速熱處理技術(shù)溫度測(cè)量問(wèn)題溫度測(cè)量作為RTP設(shè)備關(guān)鍵的一環(huán)，其測(cè)量值被用在反饋回路中以控制燈泡的輸出功率，因此準(zhǔn)確且可重復(fù)的溫度測(cè)量是RTP工藝中面臨的最大困難之一熱電堆是RTP設(shè)備中最常見(jiàn)的電熱測(cè)溫計(jì)，其工作原理是塞貝克效應(yīng)，即加熱后的金屬結(jié)會(huì)產(chǎn)生電壓，且與溫差成正比。光學(xué)高溫計(jì)的工作原理是對(duì)某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能

9、量進(jìn)行測(cè)量，然后用stefan-boltzman關(guān)系式（黑體的總放射能力與它本身的絕對(duì)溫度的四次方成正比，即 ETb=T4）將能量值轉(zhuǎn)為輻射源的溫度 溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)框圖2022-7-2快速熱處理技術(shù)低溫、均勻控制問(wèn)題對(duì)于深亞微米階段的先進(jìn)器件，特別是邏輯產(chǎn)品，將會(huì)采用NiSi等相關(guān)技術(shù)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(duì)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(lái)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(qiáng)度會(huì)按指數(shù)下降。由于低溫時(shí)晶片不能發(fā)射足夠能量，因

10、此采用高溫計(jì)測(cè)量和控制溫度比較困難2022-7-2快速熱處理技術(shù)邏輯產(chǎn)品低溫、均勻控制問(wèn)題Applied Materials Vantage-Vulcan RTP設(shè)備（ Applied Materials, Inc.）硅片背部加熱示意圖（ Applied Materials, Inc.）2011年應(yīng)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(dòng)范圍則從以往的9C降低到了3C，溫度范圍達(dá)到了75-1300C2022-7-2快速熱處理技術(shù)RTP技術(shù)和處理工藝的應(yīng)用 離子注入的退火（RTA) 介質(zhì)的快速熱加工(RTO) 硅化物和接觸的形成2022-7-

11、2快速熱處理技術(shù)離子注入的退火，雜質(zhì)的快速熱激活離子注入會(huì)將原子撞出出晶格結(jié)構(gòu)而造成晶格損傷，必須通過(guò)足夠高溫度的熱處理，才能具有電活性，并消除注入損傷?？焖贌嵬嘶穑≧TA）用極快的升溫和在目標(biāo)溫度短暫的持續(xù)時(shí)間對(duì)硅片進(jìn)行處理。熱退火前后晶格結(jié)構(gòu)的變化示意圖2022-7-2快速熱處理技術(shù)離子注入的退火，雜質(zhì)的快速熱激活。N2氣流中硅片RTA溫度隨時(shí)間變化示意圖2022-7-2快速熱處理技術(shù)介質(zhì)的快速熱加工快速熱氧化8（RTO）工藝可以在適當(dāng)?shù)母邷叵峦ㄟ^(guò)精確控制的氣氛來(lái)實(shí)現(xiàn)短時(shí)間生長(zhǎng)薄氧層。氧化層具有很好的擊穿特性，電性能上耐用堅(jiān)固。不均勻溫度分布產(chǎn)生的晶片內(nèi)的熱塑性，對(duì)RTO均勻性不良的影響快

12、速氧化層厚度在不同溫度下隨時(shí)間變化關(guān)系圖2022-7-2快速熱處理技術(shù)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(xì)控制硅化物反應(yīng)的溫度和環(huán)境氣氛，以盡量減少雜質(zhì)污染，并促使硅化物的化學(xué)配比和物相達(dá)到理想狀態(tài)。形成阻擋層金屬也是RTP在SI技術(shù)中的一個(gè)應(yīng)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(jìn)行熱退火，可以在N型GaAs材料上形成低阻的歐姆接觸2022-7-2快速熱處理技術(shù)總結(jié)和展望隨著工藝特性和速度要求的不斷提高、復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)的引進(jìn)，熱處理工藝正面臨來(lái)自高k和其它材料、超淺接合、應(yīng)變硅、SOI，以及不斷微縮生產(chǎn)更高效率和更加復(fù)雜的器件所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。RTP工藝RTP工藝技術(shù)提出了更高