第6章快速熱處理

1、Microelectronic Fabrication & MEMS Technology1第第 6 6 章章 快速熱處理快速熱處理 快速熱處理最初的開發(fā)是用于離子注入后的退火，現(xiàn)在已快速熱處理最初的開發(fā)是用于離子注入后的退火，現(xiàn)在已擴(kuò)展到氧化、化學(xué)汽相淀積、外延、硅化物生長等。擴(kuò)展到氧化、化學(xué)汽相淀積、外延、硅化物生長等。 集成電路制造工藝的某些工序需要高溫，如擴(kuò)散、氧化、集成電路制造工藝的某些工序需要高溫，如擴(kuò)散、氧化、離子注入后的退火、薄膜淀積等。但是高溫會使已經(jīng)進(jìn)入硅片離子注入后的退火、薄膜淀積等。但是高溫會使已經(jīng)進(jìn)入硅片的雜質(zhì)發(fā)生不希望的再分布，對小尺寸器件的影響特別嚴(yán)重。的雜質(zhì)發(fā)生

2、不希望的再分布，對小尺寸器件的影響特別嚴(yán)重。減小雜質(zhì)再分布的方法是快速熱處理，即在極短的時間內(nèi)使硅減小雜質(zhì)再分布的方法是快速熱處理，即在極短的時間內(nèi)使硅片表面加熱到極高的溫度，從而在較短的時間（片表面加熱到極高的溫度，從而在較短的時間（103 102 s）內(nèi)完成熱處理。內(nèi)完成熱處理。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2熱退火熱退火Microelectronic Fabrication & MEMS Technology3離子注入離子注入Microelectronic Fabrication & MEMS Technology4 標(biāo)準(zhǔn)的爐管

3、工藝無法縮短熱處理時間。因為在爐管中硅片標(biāo)準(zhǔn)的爐管工藝無法縮短熱處理時間。因為在爐管中硅片是從邊緣向中心加熱的，為避免過大的溫度梯度而造成硅片翹是從邊緣向中心加熱的，為避免過大的溫度梯度而造成硅片翹曲變形，必須緩慢地升溫和降溫。曲變形，必須緩慢地升溫和降溫。 快速熱處理系統(tǒng)通常都是單片式的?？焖贌崽幚砉に嚪譃榭焖贌崽幚硐到y(tǒng)通常都是單片式的?？焖贌崽幚砉に嚪譃榻^熱型、熱流型和等溫型，采用脈沖激光、連續(xù)激光、脈沖電絕熱型、熱流型和等溫型，采用脈沖激光、連續(xù)激光、脈沖電子束與離子束、紅外光、寬帶非相干光源（如鹵鎢燈和高頻加子束與離子束、紅外光、寬帶非相干光源（如鹵鎢燈和高頻加熱）等對硅片表面進(jìn)行加熱

4、，能在瞬時內(nèi)加熱到極高的溫度。熱）等對硅片表面進(jìn)行加熱，能在瞬時內(nèi)加熱到極高的溫度?，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(shè)計?，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(shè)計。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology5RTP SystemMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology6RTP Temperature ChangeMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology7Temperature of RTP & FurnaceMicroelect

5、ronic Fabrication & MEMS Technology8 在等溫型快速熱處理系統(tǒng)中，硅片放在反應(yīng)腔內(nèi)的石英支在等溫型快速熱處理系統(tǒng)中，硅片放在反應(yīng)腔內(nèi)的石英支架上，用一組高強度光源來加熱硅片。高強度光源采用鹵鎢燈架上，用一組高強度光源來加熱硅片。高強度光源采用鹵鎢燈或惰性氣體長弧放電燈等。一個快速熱處理系統(tǒng)常常需要或惰性氣體長弧放電燈等。一個快速熱處理系統(tǒng)常常需要 15 到到 30 支鹵鎢燈。支鹵鎢燈。 鹵鎢燈由密封的石英燈管和燈管中的螺旋形鎢燈絲組成，鹵鎢燈由密封的石英燈管和燈管中的螺旋形鎢燈絲組成，燈管內(nèi)充有燈管內(nèi)充有 PNBr2 等鹵化氣體。鎢從加熱的燈絲中揮發(fā)出來，等鹵

6、化氣體。鎢從加熱的燈絲中揮發(fā)出來，淀積到石英管壁上。當(dāng)石英管壁加熱時，鹵化氣體與管壁上的淀積到石英管壁上。當(dāng)石英管壁加熱時，鹵化氣體與管壁上的鎢發(fā)生反應(yīng)生成可揮發(fā)的鹵化鎢，鹵化鎢擴(kuò)散到比管壁熱得多鎢發(fā)生反應(yīng)生成可揮發(fā)的鹵化鎢，鹵化鎢擴(kuò)散到比管壁熱得多的燈絲上發(fā)生分解，再重新把鎢淀積到燈絲上。這種反饋機制的燈絲上發(fā)生分解，再重新把鎢淀積到燈絲上。這種反饋機制避免了鎢在管壁上的過度淀積。避免了鎢在管壁上的過度淀積。 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology9RTP ChamberMicroelectronic Fabrication & MEMS

7、Technology10Schematic of RTP ChamberMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology11 快速熱處理工藝的主要問題之一是快速熱處理工藝的主要問題之一是 ，所，所以反應(yīng)腔的設(shè)計應(yīng)圍繞著怎樣使硅片獲得并維持均勻的溫度。以反應(yīng)腔的設(shè)計應(yīng)圍繞著怎樣使硅片獲得并維持均勻的溫度。多數(shù)反應(yīng)腔包含漫反射的反射面，以使輻射在整個硅片上均勻多數(shù)反應(yīng)腔包含漫反射的反射面，以使輻射在整個硅片上均勻分布。有多種因素使硅片邊緣的溫度低于硅片中心。解決方法分布。有多種因素使硅片邊緣的溫度低于硅片中心。解決方法是將燈泡分為一組組可以獨立控制的加熱區(qū)

8、。這種設(shè)計還可以是將燈泡分為一組組可以獨立控制的加熱區(qū)。這種設(shè)計還可以得到在某種情況下所希望的不均勻溫度分布。得到在某種情況下所希望的不均勻溫度分布。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology12Lamp ArrayMicroelectronic Fabrication & MEMS Technology13 深亞微米器件需要制作極薄的深亞微米器件需要制作極薄的 SiO2 層?？梢酝ㄟ^降低氧化層?？梢酝ㄟ^降低氧化溫度來降低氧化速率，但是在較低的氧化溫度下，固定電荷和溫度來降低氧化速率，但是在較低的氧化溫度下，固定電荷和界面態(tài)密度都會增加。分壓氧化

9、也能得到高質(zhì)量的薄氧化層，界面態(tài)密度都會增加。分壓氧化也能得到高質(zhì)量的薄氧化層，但存在雜質(zhì)的再分布問題。因此，快速熱氧化（但存在雜質(zhì)的再分布問題。因此，快速熱氧化（RTO）工藝成）工藝成為一種有吸引力的替代方案，因為它可以在適當(dāng)?shù)母邷叵峦ㄟ^為一種有吸引力的替代方案，因為它可以在適當(dāng)?shù)母邷叵峦ㄟ^短時間氧化來減薄氧化層厚度。短時間氧化來減薄氧化層厚度。 所有的快速熱氧化都是干氧工藝。實驗結(jié)果表明氧化層厚所有的快速熱氧化都是干氧工藝。實驗結(jié)果表明氧化層厚度隨時間線性增加，度隨時間線性增加，1150時的氧化速率約為時的氧化速率約為 0.3 nm/s 。快速?？焖贌嵫趸L的氧化層的擊穿特性良好，但因溫

10、度不均勻而影響熱氧化生長的氧化層的擊穿特性良好，但因溫度不均勻而影響了氧化速率的均勻性。了氧化速率的均勻性。Microelectronic Fabrication & MEMS Technology14 對于快速熱氧化，難以建立一個與實際情況符合得很好的對于快速熱氧化，難以建立一個與實際情況符合得很好的氧化速率模型。原因是氧化速率模型。原因是 1、快速熱氧化屬于初始階段的氧化；、快速熱氧化屬于初始階段的氧化； 2、快速熱氧化的氧化溫度難以精確測量，所測溫度的誤差、快速熱氧化的氧化溫度難以精確測量，所測溫度的誤差有時高達(dá)有時高達(dá) 50； 3、光子輻照可增加氧化速率。、光子輻照可增加氧化速率。O2 分子在光子輻照下分解分子在光子輻照