第5章快速热处理

6.形பைடு நூலகம்阻挡金属层
引入，快速热处理，RTP, Rapid Thermal Processing
降低温度和缩短时间，或者只缩短时间（快速） 离子注入后 杂质激活 晶格损伤修复
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本章的两个关键问题
1. 温度的均匀性
晶圆片加热、冷却过程中，如何保持温度均匀
2. 晶圆片温度的测量 RTP 升温速度有多快
Rapid thermal processing (RTP) provides a way to rapidly heat wafers to an elevated temperature to perform relatively short processes, typically less than 1-2 minutes. up to 1,200oC or greater, at the rate of 20250oC/sec
当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近 玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约800℃并和卤素原子结合在一 起，形成卤化钨(碘化钨或溴化钨)。 卤化钨因热流向玻璃管中央继续移动，又重新回到被氧化的灯 丝上，由于卤化钨是一种很不稳定的化合物，其遇热后又会重 新分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被 蒸发掉的部分。 通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长 (几乎是白炽灯的4倍)，同时由于灯丝可以工作在更高温度下， 从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。
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快速热处理最初的开发是用于离子注入 后的退火，现在已扩展到氧化、化学汽相 淀积、外延、硅化物生长等。
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快速热处理的分类
根据加热类型进行分类 绝热型、热流型、等温型 绝热型：宽束相干光源，如准分子激光器 加热时间最短 温度、退火时间难于控制，纵向的温度梯度大，成 本高 热流型：高强度点光源，如电子束、聚焦激光 对晶圆片扫描加热，横向温度不均匀，不适用于IC 等温型：宽束辐射加热，采用非相干光源，如钨-卤灯 加热数秒，横向、纵向的温度梯度都很小 现行的商用RTP都采用这种类型，本章重点介绍
问题引出
问题：杂质在高温下再分布，如何解决？
方案一：降低温度，减小扩散; 方案二：缩短保温时间，减小扩散
方案一，降低温度
矛盾1：离子注入后，为消除晶格损伤，需要高温，低温效果不好 矛盾2：为完全激活杂质，需要高温1000℃退火 因此，不得不使用高温
方案二，缩短保温时间
升温、降温速率的考量 传统的管式加热，从外向内，温度变化太快，形成温度梯度很大， 容易导致晶圆片翘曲，所以需要缓慢升温和降温→导致明显扩散 因此，不但要缩短保温时间，还要减小升温、降温时间
屈服强度
屈服强度就是材料发生塑性形变的应力极点。 硅的屈服强度可用Haassan公式表示：
σ yield
式中 e 和 e0 分别是应变率和参考应变率，后者 取10-3/s
屈服强度的准确值取决与圆片中的氧浓度和掺杂浓度， 及前工艺。通常A=0.3630Pa，Ea=1.073eV，n=2.45。高 应变率下的屈服强度小于60MPa，低应变率下大于 3.5MPa。因此圆片在温度瞬变过程中可承受更高的应变。 对单区加热RTP系统，温度瞬变过程中产生的应变要比稳 态过程产生的应变大得多，多区加热系统该问题较小。
aaa
5.2 高强度光源和反应腔设计
RTP 设备的加热元件大部分采用钨-卤灯或惰 性气体长弧放电灯，一般充氪或氙。 用灯光加热有明显的好处： 1.无污染，主要利用辐射； 2.可以快速升、降温； 3.省电，无电阻元件； 4.体积小。
高强度光源和加热腔体设计
钨卤灯:Halogen lamp， 白炽灯的加强版 与白炽灯的区别 钨卤灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴) 其工作原理为
第二篇
第五章
单项工艺1
快速热处理(RTP)
内蒙草原
快速热处理
集成电路制造工艺的某些工序需要高温，如扩 散、氧化、离子注入后的退火、薄膜淀积等。 但是高温会使已经进入硅片的杂质发生不希望的 再分布，对小尺寸器件的影响特别严重。 减小杂质再分布的方法是快速热处理，即在极短 的时间内使硅片表面加热到极高的温度，从而在 较短的时间（10–3 ~ 102 s）内完成热处理。
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高强度光源和加热腔体设计
惰性气体弧光灯(nobel gas arc lamp) 弧光灯：这种灯有两个电极，通常是以熔点高的金 属_钨制成，在电极之间，电离气体，发光。 在灯泡中充填的气体，通常分成氖、氩、氪、氙、 钠、卤化物及水银等。 一般的日光灯, 充填了低压水银气体的弧光灯。
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B和BF2注入后经过1000℃、30秒退火后的化学杂 质剖面分布和具有电活性的杂质剖面分布之间的 差别
GaAs 的 RTP
GaAs材料的RTP过程中，会发生材料的热分解-As 的外扩散。材料表面通常用PECVD方法沉积SiOXN1-X 对它包封。可以使它承受800-900°C的高温。缺点是， 退火后，覆盖层可能较难去除，也会由于热膨胀系数 的差别而使覆盖层在GaAs内形成滑移。 用石墨完全封闭的退火，可以防止GaAs在RTP退火 中的分解。而且，可以提高表面质量，防止颗粒沾污。
q(T) kth (T)AT

kth是材料的热导率
快速热处理中，大部分光能由硅片表面几微米内吸 收，然后由热传导进入深处。另外，当考虑气体中的 热传导时要把气流考虑进去。这种由外加气压梯度造 成的气流热传导成为强制热流。有效传热量为： T--远离硅片的气温；
q h(T T )
h—有效传热系数
温度分布
材料的辐射率可能因为硅片的掺杂等原因而不同。 温度分布不均匀主要来源 于以下方面： ① 边缘效应 由于边缘散热快，热 损失大、以及工艺气体 对它的热量传导，造成 温度的边缘低、中间高。
实测温度分布
② 光照射的非均匀性
由于光源的非连续分布，及在工艺腔内漫反射的不 完全，使得工艺片上的温度不均匀。
3. 热圆片/冷壁工艺 当反应腔外壁充分冷却，可形成热圆片/冷壁状态， 不会造成工艺沾污，可以连续从事氧化、退火、沉 积等多种工艺，也可生长多层膜 4. 硅化物及其热接触的形成 在硅上完成金属沉积后，用RTP工艺可快速形成 金属硅化物，实现其良好的接触。 (如,TiSi2,CoSi2) 5. 完成硅化物做扩散源（SADS）浅结工艺 杂质先注入硅化物，再用RTA工艺达到杂质扩散， 形成浅结。
M(T) ε σT
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= 5.6710-8W/cm2K4 为波尔兹曼常数，可见，热辐 射比热传导对温度的依赖高三个数量级。高温下，热 辐射是主要传热机制，也是RTP的主要传热机制。
净传输能量计算
辐射能量最大处的波长可由下式给出： b 0.2898(cm K) λT b λmax T T 可以利用上式由辐射波长确定RTP的温度。 当辐射入射圆片表面时，可发生反射、吸收或透 射。若（，T）为反射率，（，T）为透射率， 则根据基尔霍夫定律，能量吸收率为： 对不透明材料， （，T）=0，有： T) 1 ρ(λ,T) ε(λ, 当知道两个物体的辐射率，就可计算它们之间的净传 输能量： 4 4
e 1/n Ea/kT A[ ] e e0
5.5 几种典型的RTP工艺应用
1.离子注入杂质的快速热激活
特点：1） 用RTP可以使圆片不用达到热平衡状态，就可实 现杂质的激活。即：具有电活性的有效掺杂浓度实际上 可以超过杂质在衬底中的固溶度限制。As的激活浓度可 到其固溶度的10倍，达31021/cm3。 2） RTP可以将杂质的扩散降到最低，是浅结制备的常用 工艺。 3） 离子注入后的RTA 时杂质有增强扩散现象，激活能比 稳态退火时低得多，原因是离子注入过程中产生了相当 多的杂质快扩散载体。 4）RTA对有些杂质较难激活注入分布尾部低浓度区的杂 质，降低了结深，如BF2；但对B，尾部的增强扩散明显。
由于RTP时，在工艺的升高和降低时圆片会产生 温度梯度，从而在圆片内产生热塑应力。热应力的存 在，可以使片中产生位错和滑移等缺陷。 对各向同性、无位错、忽略垂直方向的温度梯度 时，可估算圆片的热应力。由于温度的径向对称性， 剪切应力为零。径向应力和角应力分量可用下式计算：
1 σ r (r) α E[ 2 R
北极狐
北极狐
主要内容
5.1 灰体辐射、热交换和热吸收；
5.2 高强度光源和反应腔设计；
5.3 温度均匀性；
5.4 热塑应力；
5.5 几种典型的RTP工艺应用; 5.6 其他快速热处理系统.
5.1 灰体辐射、热交换和热吸收
半导体工艺过程中有意义的四种传热方式为：热 传导、热对流、强制热流和热辐射。当一段静止的 气体或液体，截面积为A，流过它的热量为：
ε(λ,T) 1 ρ(λ,T) τ(λ,T)
s q12 q 21 σ(ε1T1 ε2T2 )A1 FA1 A2
式中，A1、A2分别为物体1，2的面积，FA1-A2是位置 因子，即表面A2对着A1的全部立体角的百分比：
FA1 A2
1 A1
cos β1 cos β 2 A π r2 A2 1
热辐射
黑体热辐射的辐出度有普朗克辐射定律确定：
M λ (T) ε(λ)
c1 λ 5 (e c2 / λT 1)
式中，（）是黑体的辐射率，c1=3.714210-16 Wm2， 为第一辐射常数；c2=1.438810-2mK为第二辐射常数。 对绝对黑体 =1， 0< <1 为灰体。 总的辐出度有斯忒潘-波尔兹蔓公式给出：
通常，还用在待退火的圆片表面压放另一片GaAs片 的方法来阻止As的外扩散，而不用另外加覆盖层。
石墨退火盒
介质的快速热加工
2.超薄氧化物的快 速热氧化
通常利用RTP可以 实现仅百埃的超薄 氧化物的生长，在 反应腔内通入不同 气体，还可完成氮 化等加强工艺。