快速热处理,RTPppt课件
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• 面加热、制造和维护成本低
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
10
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
11
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
• 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
15
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
温度测量与控制系统框图
16
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。
加热光源和反射腔的设计
13
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
14
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
• 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
2
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。
➢ 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
5
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。
传统炉管设备和RTP设备区别
6
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。
7
灯光辐射型热源
RTP设备中灯管辐射热源( 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
8
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。
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
1
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;
12
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
• 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
• 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
9
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
• 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
– 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.)
– 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Байду номын сангаас系统都采用等温型设计。
• 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
Applied Materials公司
Vantage-RadiancePlus-RTP设备
( Applied Materials, Inc.)
3
引言
RTP设备 (图片来源:USTC Center for Mirco- and Nanoscale Research
and Fabrication)
4
RTP设备简介及其技术特点
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
10
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
11
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
• 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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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
温度测量与控制系统框图
16
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。
加热光源和反射腔的设计
13
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
14
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
• 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
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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。
➢ 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
5
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。
传统炉管设备和RTP设备区别
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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。
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灯光辐射型热源
RTP设备中灯管辐射热源( 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
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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。
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
1
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;
12
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
• 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
• 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
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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
• 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
– 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.)
– 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Байду номын сангаас系统都采用等温型设计。
• 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
Applied Materials公司
Vantage-RadiancePlus-RTP设备
( Applied Materials, Inc.)
3
引言
RTP设备 (图片来源:USTC Center for Mirco- and Nanoscale Research
and Fabrication)
4
RTP设备简介及其技术特点