1、2021-7-25快速熱處理技術 報告提綱 1、引言和課題背景 2、 RTP設備簡介及其技術特點 3、 RTP設備和技術的關鍵問題 4、 RTP技術和處理工藝的應用 5、 總結和展望 2021-7-25快速熱處理技術 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生/復合中心，PN結漏電。 保持溫度下縮短高溫處理時間 傳統高溫爐管設備 高溫爐緩慢升降溫，否則

2、硅片因溫度梯度翹曲變形 熱預算大，雜質再分布 2021-7-25快速熱處理技術 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。 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.） 引言 2021-7-25快速熱處理技術 RTP設備 （圖片來源：USTC C

3、enter for Mirco- and Nanoscale Research and Fabrication) 2021-7-25快速熱處理技術 RTP設備簡介及其技術特點 傳統的批式熱處理技術和RTP設備區別 燈光輻射型熱源RTP系統 高頻石墨感應加熱型RTP設備 2021-7-25快速熱處理技術 高溫爐管設備和RTP設備區別 傳統熱處理設備 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。 傳統爐管設備和RTP設備區別 2021-7-25快速熱處理技術 燈光輻射型熱源

4、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） ，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.） 202

5、1-7-25快速熱處理技術 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 溫度測量和控制通過高溫計完成 2021-7-25快速熱處理技術 燈光輻射型熱源 根據加熱類型，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。現在幾乎所有的商用快速熱 處理系統都采用等溫型設計。 實際硅片的升溫速度取決于以下因素 硅片

6、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 2021-7-25快速熱處理技術 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， 在石英腔體外部纏繞線圈。通過 向線圈施加高頻變化的電壓激發 產生高頻電磁場，位于高頻交變 電磁場的石墨板感應發熱作為熱 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 2021-7-25快速熱處理技術 高頻石墨感應加熱型RTP設備 高頻石墨感應

7、加熱RTP設備示意圖 北京：清華大學微電子學研究所，1995 2021-7-25快速熱處理技術 RTP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 邏輯產品低溫、均勻控制問題 2021-7-25快速熱處理技術 加熱光源和反應腔的設計 加熱燈源 鎢-鹵燈：發光功率小，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：發光功率大，但需要工作在穩壓直流電源之下，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

8、熱光源和反射腔的設計 2021-7-25快速熱處理技術 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 2021-7-25快速熱處理技術 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 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 硅片熱不均勻問題原因示意圖 加熱燈管分布示 意圖 2021-7-25快速熱處理技術 溫度測量問題 溫度測量作為

9、RTP設備關鍵的一環 ，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-boltzman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框圖 2021-7-25快速熱處理技術 低溫、均勻控制問題 對于深亞微米階段的先進器件，特別是邏輯產品，將會采用NiSi等相

10、 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 隨著物體溫度的降低，物體發射的輻射強度會按指數下降。由于低溫 時晶片不能發射足夠能量，因此采用高溫計測量和控制溫度比較困難 2021-7-25快速熱處理技術 邏輯產品低溫、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 M

11、aterials, Inc.） 2011年應用材料公司推出Applied Vantage Vulcan快速熱處理系統，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 2021-7-25快速熱處理技術 RTP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 2021-7-25快速熱處理技術 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時間對硅 片進行處理。 熱退

12、火前后晶格結構的變化示意圖 2021-7-25快速熱處理技術 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 2021-7-25快速熱處理技術 介質的快速熱加工 快速熱氧化8（RTO）工藝可以在適當的高溫下通過精確控制的氣氛 來實現短時間生長薄氧層。 氧化層具有很好的擊穿特性，電性能上耐用堅固。 不均勻溫度分布產生的晶片內的熱塑性，對RTO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 2021-7-25快速熱處理技術 硅化物和接觸的形成 快速熱處理也經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。 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 2021-7-25快速熱處理技術 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 微縮生產更高效率和更加復雜的器件所帶來的挑戰。 RTP工藝RTP工藝技術提出了更高