快速热处理,RTP

2015-5-1
快速热处理技术
加热光源和反应腔的设计
• 加热灯源
– 钨-卤灯：发光功率小，但工作条件较为简单（普通的交流线电压） – 惰性气体长弧放电灯：发光功率大，但需要工作在稳压直流电源之下，且需要水 冷装置
• 改变反应腔的几何形状可以优化能量收集效率，使得硅片获得并维持 均匀温度
– 早期的RTP设备多采用反射腔设计。腔壁的漫反射使得光路随机化，从而使辐射 在整个硅片上均匀分布
• 超浅结USJ（Ultra shallow junction）工艺
– 高温尖峰退火（Spike Anneal）技术：具有目前最大的杂质活化程度和最小的扩散 程度以及很好的缺陷退火修复特性，形成的接合质量较高、漏电流较低。
20源自文库5-5-1
快速热处理技术
总结和展望
热处理技术节点路线图 （ Applied Materials, Inc.）
• RTP还可以有效控制工艺气体。 • RTP可以在一个程式中完成复杂的多阶段热处理工艺
– 它能和其他工艺步骤集成到一个多腔集成设备中，灵活性
• 温度测量和控制通过高温计完成
2015-5-1 快速热处理技术
灯光辐射型热源
• 根据加热类型，快速热处理工艺分为绝热型、热流型和等 温型。
– 绝热型工艺采用宽束相干光快速脉冲 – 热流型工艺采用高强度点光源对晶片进行整片扫描 – 等温型采用非相干光进行辐射加热。现在几乎所有的商用快速热 处理系统都采用等温型设计。
RHT系列半导体快速热处理 北京：清华大学微电子学研究所，1995
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快速热处理技术
高频石墨感应加热型RTP设备
高频石墨感应加热RTP设备示意图 北京：清华大学微电子学研究所，1995
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RTP设备和技术的关键问题
加热光源和反应腔的设计 硅片的热不均匀问题和改进措施 温度测量问题 逻辑产品低温、均匀控制问题
– 处理大直径晶片时不会影响工艺的均匀性和升、 降温速度 – 系统还有晶片旋转功能，使得热处理具有更好的 均匀性
Applied Materials公司 vantage_vulcan_rtp设备 （ Applied Materials, Inc.）
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快速热处理技术
灯光辐射型热源
RTP设备中灯管辐射热源（ Applied Materials, Inc.）
• 源、漏区浅PN结工艺
– 低温工艺 （减少粒子杂质扩散）
• 低温工艺问题：温度低，注入的粒子杂质电激活效果差，晶格损伤修复能力 差，过剩杂质形成有效的产生/复合中心，PN结漏电。
– 保持温度下缩短高温处理时间
• 传统高温炉管设备 • 高温炉缓慢升降温，否则硅片因温度梯度翘曲变形 • 热预算大，杂质再分布
加热光源和反射腔的设计
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快速热处理技术
加热光源和反应腔的设计
加热卤钨素灯管
应用材料公司反应腔体结构示意图
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硅片的热不均匀问题和改进措施 • 热不均匀因素
• • • 圆片边缘接收的辐射量比 中心小 圆片边缘的损失比中心大 冷却效果方面，气流对边 缘的冷却效果比中心好
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快速热处理技术
离子注入的退火，杂质的快速热激活
• 。
N2气流中硅片RTA温度随时间变化示意图
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介质的快速热加工
快速氧化层厚度在不同温度下随时间变化关系图
• 快速热氧化[8]（RTO）工艺可以在适当的高温下通过精确控制的气氛 来实现短时间生长薄氧层。 • 氧化层具有很好的击穿特性，电性能上耐用坚固。 • 不均匀温度分布产生的晶片内的热塑性，对RTO均匀性不良的影响
报告提纲
1、引言和课题背景 2、 RTP设备简介及其技术特点 3、 RTP设备和技术的关键问题 4、 RTP技术和处理工艺的应用 5、 总结和展望
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快速热处理技术
引言和课题背景
• 随着集成电路制造工艺技术的不断进步，器件特征尺寸逐 步地缩小。 • 深亚微米阶段，等比例缩小器件结构对工艺提出更加严格 要求；
Applied Materials公司 Vantage-RadiancePlus-RTP设备 （ Applied Materials, Inc.）
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快速热处理技术
引言
RTP设备 （图片来源：USTC Center for Mirco- and Nanoscale Research and Fabrication)
• 随着物体温度的降低，物体发射的辐射强度会按指数下降。由于低温 时晶片不能发射足够能量，因此采用高温计测量和控制温度比较困难
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快速热处理技术
逻辑产品低温、均匀控制问题
Applied Materials VantageVulcan RTP设备 （ Applied Materials, Inc.）
离子注入的退火（RTA) 介质的快速热加工(RTO) 硅化物和接触的形成
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快速热处理技术
离子注入的退火，杂质的快速热激活
热退火前后晶格结构的变化示意图
• 离子注入会将原子撞出出晶格结构而造成晶格损伤，必须通过足够高 温度的热处理，才能具有电活性，并消除注入损伤。 • 快速热退火（RTA）用极快的升温和在目标温度短暂的持续时间对硅 片进行处理。
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快速热处理技术
总结和展望
• 随着工艺特性和速度要求的不断提高、复杂微细结构的引进，热处理 工艺正面临来自高k和其它材料、超浅接合、应变硅、SOI，以及不断 微缩生产更高效率和更加复杂的器件所带来的挑战。
• RTP工艺RTP工艺技术提出了更高的要求
– 更低的热预算 – 更好的温度均匀控制 – 更宽的温度控制范围
硅片背部加热示意图 （ Applied Materials, Inc.）
•2011年应用材料公司推出Applied Vantage® Vulcan™快速热处理系统，硅片背部加热 •温度波动范围则从以往的9°C降低到了3°C，温度范围达到了75-1300°C
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快速热处理技术
RTP技术和处理工艺的应用
• 热不均匀因素改进措施
• 补偿硅片边缘的热损失，提高对 边缘部位的辐射功率 – 改变反射腔形状和灯泡间距 采用分区加热 – 灯泡以六角对称形式排列成 片面阵列 – 灯泡分成多个可独立控制的 加热区
硅片热不均匀问题原因示意图
•
加热灯管分布示 意图
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快速热处理技术
温度测量问题
• 温度测量作为RTP设备关键的一环 ，其测量值被用在反馈回路中以控 制灯泡的输出功率，因此准确且可 重复的温度测量是RTP工艺中面临 的最大困难之一 • 热电堆是RTP设备中最常见的电热 测温计，其工作原理是塞贝克效应 ，即加热后的金属结会产生电压， 且与温差成正比。 • 光学高温计的工作原理是对某一波 长范围内的辐射能量进行测量，然 后用stefan-boltzman关系式（黑体 的总放射能力与它本身的绝对温度 的四次方成正比，即 ETb=σT4）将 能量值转为辐射源的温度
2015-5-1 快速热处理技术
温度测量与控制系统框图
低温、均匀控制问题
• 对于深亚微米阶段的先进器件，特别是逻辑产品，将会采用NiSi等相 关技术制造。
– Ni的工艺处理温度比钴低，一般仅为200℃左右 – 由于晶体管的更小尺寸，对温度变化的更加敏感，以及很多逻辑芯片的 更大体积，使得整片芯片要获得均匀性变得越来越难，这已逐渐成为20 纳米世代（28纳米及以下）芯片制造的主要挑战
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传统炉管设备和RTP设备区别
快速热处理技术
灯光辐射型热源
• 目前，国际上常见的RTP设备基本上都是采 用灯光辐射性热源。采用特定波长（0.30.4um）辐射热源对晶片进行单片加热。 • 冷壁工艺
– 硅片选择性吸收辐射热源的辐射能量，辐射热源 不对反应腔壁加热，减少硅片的玷污
• 采用RTP技术升温速度快（20~250℃/秒） ，并能快速冷却。 • 不同于高温炉管首先对晶片边缘进行加热， RTP系统中，热源直接面对晶片表面
• 实际硅片的升温速度取决于以下因素
– – – – 硅片本身的吸热效率 加热灯管辐射的波长及强度 RTP反应腔壁的反射率 辐射光源的反射和折射率
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快速热处理技术
高频石墨感应加热型RTP设备
• 该设备的关键技术是采用高频感 应石墨加热上对半导体圆片进行 热处理，而非灯光辐射加热方式 • 在石英腔体内放置石墨加热板， 在石英腔体外部缠绕线圈。通过 向线圈施加高频变化的电压激发 产生高频电磁场，位于高频交变 电磁场的石墨板感应发热作为热 源，由此对腔体内的硅片进行热 处理 • 面加热、制造和维护成本低
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硅化物和接触的形成
• 快速热处理也经常被用于形成金属硅化物接触，其可以仔细控制硅化 物反应的温度和环境气氛，以尽量减少杂质污染，并促使硅化物的化 学配比和物相达到理想状态。 • 形成阻挡层金属也是RTP在SI技术中的一个应用。 • RTP还可以在GaAs工艺中用于接触的形成，淀积一层金锗混合物并 进行热退火，可以在N型GaAs材料上形成低阻的欧姆接触
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快速热处理技术
RTP设备简介及其技术特点
传统的批式热处理技术和RTP设备区别 灯光辐射型热源RTP系统 高频石墨感应加热型RTP设备
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快速热处理技术
高温炉管设备和RTP设备区别 传统热处理设备
• 热传导和热对流原 理使硅片和整个炉 管周围环境达到热 平衡 • 升降温较慢，一般 5-50℃/分钟 • 采用热壁工艺，容 易淀积杂质 • 而且热预算大无法 适应深亚微米工艺 的需要。
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2015-5-1
快速热处理技术
引言
• 快速热处理
– RTP工艺是一类单片热处理工艺，其目 的是通过缩短热处理时间和温度或只缩 短热处理时间来获得最小的工艺热预算。
– 应用：最早用于粒子注入后热退火，扩 展到氧化金属硅化物的形成和快速热化 学气相沉积和外延生长等更宽泛的领域 。
• RTP已逐渐成为先进半导体制造必不 可少的一项工艺。