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(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曲變形 熱預(yù)算大，雜質(zhì)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(shí)間和溫度或只縮短熱處理時(shí)間來獲得最小的工藝熱預(yù)算。

2、 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.）第2頁/共25頁引言2021-11-11RTP設(shè)備（圖片來源：USTC Center for Mirco- and Nanoscale Research and Fabrication)第3頁/共25頁2021-11-11RTP設(shè)備簡介及其技術(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R

3、TP系統(tǒng)高頻石墨感應(yīng)加熱型RTP設(shè)備第4頁/共25頁2021-11-11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)和熱對流原理使硅片和整個(gè)爐管周圍環(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(shè)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(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）

4、，并能快速冷卻。 不同于高溫爐管首先對晶片邊緣進(jìn)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(shí)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(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.）第6頁/共25頁2021-11-11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 溫度測量和控制通

5、過高溫計(jì)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(qiáng)度點(diǎn)光源對晶片進(jìn)行整片掃描 等溫型采用非相干光進(jìn)行輻射加熱?，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(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第8頁/共25頁2021-11-11高頻石墨感應(yīng)加熱型RTP設(shè)備 該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)是采用高頻感應(yīng)石墨加熱上對半導(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

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(yīng)發(fā)熱作為熱源，由此對腔體內(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，1995第9頁/共25頁2021-11-11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，1995第10頁/共25頁2021-11-11RTP設(shè)備和技術(shù)的關(guān)鍵問題 加熱光源和反應(yīng)腔的設(shè)計(jì) 硅片的熱不均勻問題和改進(jìn)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(yīng)腔的設(shè)計(jì) 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(yīng)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(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)第12頁/共25頁2021-11-11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)艄艿?3頁/共25頁2021-11-11硅片的熱不均勻問題和改進(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(jìn)措施補(bǔ)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(gè)可獨(dú)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(shè)備關(guān)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(zhǔn)確且可重復(fù)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(shè)備中最常見的電熱測溫計(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)的工作原理是對某一波長范圍內(nèi)的輻射能量進(jìn)行測量，然后用stefan-bol

9、tzman關(guān)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(zhuǎn)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(jìn)器件，特別是邏輯產(chǎn)品，將會采用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(qiáng)度會按指數(shù)下降。由于低溫時(shí)晶片不能發(fā)射足夠能量，因此采用高溫計(jì)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(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75-1300C第17頁/共25頁2021-11-11RTP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第18頁/共25頁2021-11

11、-11離子注入的退火，雜質(zhì)的快速熱激活 離子注入會將原子撞出出晶格結(jié)構(gòu)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(biāo)溫度短暫的持續(xù)時(shí)間對硅片進(jìn)行處理。熱退火前后晶格結(jié)構(gòu)的變化示意圖第19頁/共25頁2021-11-11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)間變化示意圖第20頁/共25頁2021-11-11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^精確控制的氣氛來實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(jiān)固。 不均勻溫度分布產(chǎn)生的晶片內(nèi)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(shí)間變化關(guān)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(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第22頁/共25頁2021-11-11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)雜的器件所帶來的挑戰(zhàn)。 RTP工藝RTP工藝技術(shù)提出了更高的要求 更低的熱預(yù)算 更好的溫度均勻控制 更寬的溫度控制范圍 超淺結(jié)USJ（Ultra sha