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第二篇第二篇 单项工艺单项工艺1 1内蒙草原第五章第五章 快速热处理快速热处理(RTP)(RTP)快速热处理快速热处理n 集成电路制造工艺的某些工序需要高温，如扩散、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。氧化、离子注入后的退火、薄膜淀积等。n但是高温会使已经进入硅片的杂质发生不希望的但是高温会使已经进入硅片的杂质发生不希望的再分布再分布，对小尺寸器件的影响特别严重。，对小尺寸器件的影响特别严重。n减小杂质再分布的方法是减小杂质再分布的方法是快速快速热处理，即在极短热处理，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（较短的时间（103 102 s）内完成热处理。）内完成热处理。问题引出问题引出n问题：杂质在高温下再分布，如何解决？问题：杂质在高温下再分布，如何解决？方案一方案一：降低温度，减小扩散：降低温度，减小扩散;方案二方案二：缩短保温时间，减小扩散：缩短保温时间，减小扩散n方案一，降低温度方案一，降低温度n矛盾矛盾1：离子注入后，为消除晶格损伤，需要高温，低温效果不好：离子注入后，为消除晶格损伤，需要高温，低温效果不好n矛盾矛盾2：为完全激活杂质，需要高温：为完全激活杂质，需要高温1000退火退火n因此，不得不使用高温因此，不得不使用高温n方案二，缩短保温时间方案二，缩短保温时间n升温、降温速率的考量升温、降温速率的考量n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，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，所以需要容易导致晶圆片翘曲，所以需要缓慢升温和降温缓慢升温和降温导致明显扩散导致明显扩散n因此，不但要缩短保温时间，还要减小升温、降温时间因此，不但要缩短保温时间，还要减小升温、降温时间n引入，引入，快速热处理，快速热处理，RTP,Rapid Thermal Processingn降低温度和缩短时间，或者只缩短时间（快速）降低温度和缩短时间，或者只缩短时间（快速）n离子注入后离子注入后 杂质激活杂质激活 晶格损伤修复晶格损伤修复3本章的两个关键问题本章的两个关键问题1.温度的均匀性温度的均匀性晶圆片加热、冷却过程中，如何保持温度均匀晶圆片加热、冷却过程中，如何保持温度均匀2.晶圆片温度的测量晶圆片温度的测量RTP 升温速度有多快升温速度有多快nRapid 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.nup to 1,200oC or greater,at the rate of 20-250oC/sec4Page 5n 快速热处理最初的开发是用于离子注入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。淀积、外延、硅化物生长等。快速热处理的分类快速热处理的分类n根据加热类型进行根据加热类型进行分类分类n绝热型、热流型、等温型绝热型、热流型、等温型n绝热型绝热型：宽束：宽束相干光源相干光源，如准分子激光器，如准分子激光器n加热时间最短加热时间最短n温度、退火时间难于控制，纵向的温度梯度大，成温度、退火时间难于控制，纵向的温度梯度大，成本高本高n热流型热流型：高强度点光源，如电子束、聚焦激光：高强度点光源，如电子束、聚焦激光n对晶圆片扫描加热，横向温度不均匀，不适用于对晶圆片扫描加热，横向温度不均匀，不适用于ICICn等温型等温型：宽束辐射加热，采用非相干光源，如钨：宽束辐射加热，采用非相干光源，如钨-卤灯卤灯n加热数秒，横向、纵向的温度梯度都很小加热数秒，横向、纵向的温度梯度都很小n现行的商用现行的商用RTPRTP都采用这种类型，本章重点介绍都采用这种类型，本章重点介绍北极狐北极狐 主要内容主要内容5.1 5.1 灰体辐射、热交换和热吸收；灰体辐射、热交换和热吸收；5.2 5.2 高强度光源和反应腔设计；高强度光源和反应腔设计；5.3 5.3 温度均匀性；温度均匀性；5.4 5.4 热塑应力；热塑应力；5.5 5.5 几种典型的几种典型的RTP工艺应用工艺应用;5.6 5.6 其他快速热处理系统其他快速热处理系统.5.15.1 灰体辐射、热交换和热吸收灰体辐射、热交换和热吸收 半导体工艺过程中有意义的半导体工艺过程中有意义的四种传热方式四种传热方式为：热为：热传导、热对流、强制热流和热辐射。当一段静止的传导、热对流、强制热流和热辐射。当一段静止的气体或液体，截面积为气体或液体，截面积为A，流过它的热量为：，流过它的热量为：kth是材料的热导率是材料的热导率 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。这种热传导时要把气流考虑进去。这种由外加气压梯度造由外加气压梯度造成的气流热传导成为强制热流成的气流热传导成为强制热流。有效传热量为：。有效传热量为：T T-远离硅片的气温；远离硅片的气温；h h有效传热系数有效传热系数黑体黑体热辐射热辐射的辐出度有普朗克辐射定律确定：的辐出度有普朗克辐射定律确定：式中，式中，（）是黑体的辐射率，）是黑体的辐射率，c c1 1=3.7142=3.7142 1010-16-16 WmWm2 2，为第一辐射常数；，为第一辐射常数；c c2 2=1.4388=1.4388 1010-2-2mKmK为第二辐为第二辐射常数。对绝对黑体射常数。对绝对黑体 =1=1，0 0 1 1 为灰体。为灰体。总的辐出度有总的辐出度有斯忒潘斯忒潘-波尔兹蔓波尔兹蔓公式给出：公式给出：=5.67 10-8W/cm2K4 为波尔兹曼常数，可见，热辐为波尔兹曼常数，可见，热辐射比热传导对温度的依赖高三个数量级。高温下，射比热传导对温度的依赖高三个数量级。高温下，热热辐射是主要传热机制，也是辐射是主要传热机制，也是RTP的主要传热机制的主要传热机制。热热 辐辐 射射 净传输能量计算净传输能量计算辐射能量最大处的波长可由下式给出：辐射能量最大处的波长可由下式给出：可以利用上式由辐射波长确定可以利用上式由辐射波长确定RTP的温度的温度。当辐射入射圆片表面时，可发生反射、吸收或透当辐射入射圆片表面时，可发生反射、吸收或透射。若射。若（，T T）为反射率，）为反射率，（，T T）为透射率，）为透射率，则根据基尔霍夫定律，能量吸收率为：则根据基尔霍夫定律，能量吸收率为：对不透明材料，对不透明材料，（，T）=0，有：，有：当知道两个物体的辐射率，就可计算它们之间的净传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：输能量：式中，式中，A1、A2分别为物体分别为物体1，2的面积，的面积，FA1-A2是位置是位置因子，即表面因子，即表面A2对着对着A1的全部立体角的百分比：的全部立体角的百分比：5.2 5.2 高强度光源和反应腔设计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设备的加热元件大部分采用钨-卤灯或惰卤灯或惰性气体长弧放电灯，一般充氪或氙。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：用灯光加热有明显的好处：1.无污染，主要利用辐射；无污染，主要利用辐射；2.可以快速升、降温；可以快速升、降温；3.省电，无电阻元件；省电，无电阻元件；4.体积小。体积小。高强度光源和加热腔体设计高强度光源和加热腔体设计n钨卤灯钨卤灯:Halogen lamp，白炽灯的加强版白炽灯的加强版n与白炽灯的区别与白炽灯的区别n钨卤灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体钨卤灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴通常是碘或溴)n其工作原理为其工作原理为n当灯丝发热时，当灯丝发热时，钨原子钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近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玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约800并和并和卤素原子结合卤素原子结合在一在一起，形成起，形成卤化钨卤化钨(碘化钨或溴化钨碘化钨或溴化钨)。n卤化钨因热流向玻璃管中央继续移动，又卤化钨因热流向玻璃管中央继续移动，又重新回到重新回到被氧化的灯被氧化的灯丝上，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，其遇热后又会重新新分解成卤素蒸气和钨分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分。蒸发掉的部分。n通过这种再生循环过程，灯丝的使用通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命寿命不仅得到了大大延长不仅得到了大大延长(几乎是白炽灯的几乎是白炽灯的4倍倍)，同时由于灯丝可以工作在，同时由于灯丝可以工作在更高温度更高温度下，下，从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。15高强度光源和加热腔体设计高强度光源和加热腔体设计n惰性气体弧光灯惰性气体弧光灯(nobel gas arc lamp)n弧光灯：这种灯有两个电极，通常是以熔点高的金弧光灯：这种灯有两个电极，通常是以熔点高的金属属_钨制成，在电极之间，电离气体，发光。钨制成，在电极之间，电离气体，发光。n在灯泡中充填的气体，通常分成氖、氩、氪、氙、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。钠、卤化物及水银等。n一般的一般的日光灯日光灯,充填了充填了低压水银气体低压水银气体的弧光灯。的弧光灯。16Page 17反应腔设计反应腔设计 钨钨-卤灯的消耗电能约每厘米卤灯的消耗电能约每厘米100W100W，约有，约有40%40%转换转换成光能。气体长弧放电灯每厘米发光强度成光能。气体长弧放电灯每厘米发光强度700W 700W，必，必须用水冷却。须用水冷却。反应腔设计：反应腔设计：双面加热式双面加热式单面加热式单面加热式RTP-500快速快速热处热处理设理设备备 5.3 温度均匀性温度均匀性1).1).温度测量温度测量准确和可重复的温度测量是准确和可重复的温度测量是RTPRTP工艺的最大困难之一。工艺的最大困难之一。通常的方法有：通常的方法有：a.a.内嵌热电偶测量内嵌热电偶测量 通常把热电偶通过点接触方式与加热基片的背面通常把热电偶通过点接触方式与加热基片的背面紧帖，但必须对引线阻抗加以修正，并且要考虑加热紧帖，但必须对引线阻抗加以修正，并且要考虑加热过程中引线温度增加对温度测量的影响。高温下对硅过程中引线温度增加对温度测量的影响。高温下对硅片接触还可能对硅片造成污染。片接触还可能对硅片造成污染。b.b.高温计非接触式测量高温计非接触式测量 原理：吸收原理：吸收3-63-6微米波段的红外光的能量，利用微米波段的红外光的能量，利用Stefan-Boltzman关系转换成辐射温度。优点是无污染，关系转换成辐射温度。优点是无污染，缺点是由于工艺气体的吸收、石英腔的阻挡等测量误缺点是由于工艺气体的吸收、石英腔的阻挡等测量误差较大、不稳定。差较大、不稳定。温度分布温度分布温度分布不均匀主要来源温度分布不均匀主要来源于以下方面：于以下方面：边缘效应边缘效应 由于边缘散热快，热由于边缘散热快，热损失大、以及工艺气体损失大、以及工艺气体对它的热量传导，造成对它的热量传导，造成温度的边缘低、中间高。温度的边缘低、中间高。材料的辐射率可能因为硅片的掺杂等原因而不同。材料的辐射率可能因为硅片的掺杂等原因而不同。实测温度分布实测温度分布光照射的非均匀性光照射的非均匀性 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完全，使得工艺片上的温度不均匀。解解决的办法主要是：将工艺腔用粗糙化很好的金或铝材决的办法主要是：将工艺腔用粗糙化很好的金或铝材完全包封，保证产生良好的漫反射；工艺前仔细检查完全包封，保证产生良好的漫反射；工艺前仔细检查灯管的发光性能，特别防止在有灯管损坏的情况下工灯管的发光性能，特别防止在有灯管损坏的情况下工作；在工艺片下放置吸收好、导热好的石墨片，有的作；在工艺片下放置吸收好、导热好的石墨片，有的甚至完全用石墨盒将圆片包封，来提高温度均匀性。甚至完全用石墨盒将圆片包封，来提高温度均匀性。RTP的温度非均匀性一般在几度，差的可到十几度。的温度非均匀性一般在几度，差的可到十几度。5.4 5.4 热塑应力热塑应力 由于由于RTP时，在工艺的升高和降低时圆片会产生温时，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，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。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，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。剪切应力为零。径向应力径向应力和和角应力分量角应力分量可用下式计算可用下式计算：式中，式中，是线性热膨胀系数，是线性热膨胀系数，E E是杨氏模量，是杨氏模量，R R为圆片半径。为圆片半径。RTP 的热应力的热应力 对一个由快速线性升温、对一个由快速线性升温、恒温退火、线性降温的典型恒温退火、线性降温的典型RTPRTP过程。过程。稳态时，圆片边缘温度略低稳态时，圆片边缘温度略低于中心温度。因此，径向应于中心温度。因此，径向应力在圆片中心附近有最大值，力在圆片中心附近有最大值，在边缘处下降为零。切向应在边缘处下降为零。切向应力在圆片中心处从零开始增力在圆片中心处从零开始增加，通常比径向应力大得多，加，通常比径向应力大得多，使缺陷容易在边缘处集结。使缺陷容易在边缘处集结。大部分快速热处理后的圆片，大部分快速热处理后的圆片，都是在边缘处观察到滑移。都是在边缘处观察到滑移。加热瞬态过程中，归一化加热瞬态过程中，归一化的应力与圆片位置的关系的应力与圆片位置的关系归一化半径归一化半径 屈服强度屈服强度 屈服强度就是材料发生塑性形变的应力极点。屈服强度就是材料发生塑性形变的应力极点。硅的硅的屈服强度屈服强度可用可用Haassan公式表示：公式表示：式中式中 和和 分别是应变率和参考应变率，后分别是应变率和参考应变率，后者取者取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，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。通常及前工艺。通常A=0.3630Pa，Ea=1.073eV，n=2.45。高应。高应变率下的屈服强度小于变率下的屈服强度小于60MPa，低应变率下大于，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。对单区加热热RTP系统，温度瞬变过程中产生的应变要比稳态过程产系统，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。生的应变大得多，多区加热系统该问题较小。5.5 5.5 几种典型的几种典型的RTP工艺应用工艺应用1.1.离子注入杂质的快速热激活离子注入杂质的快速热激活特点特点：1 1）用用RTPRTP可以使圆片不用达到热平衡状态，就可实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。可以超过杂质在衬底中的固溶度限制。AsAs的激活浓度可的激活浓度可到其固溶度的到其固溶度的1010倍，达倍，达3 1021/cm3。2 2）RTP可以可以将杂质的扩散降到最低，是浅结制备的常用将杂质的扩散降到最低，是浅结制备的常用工艺。工艺。3 3）离子注入后的离子注入后的RTA RTA 时杂质有增强扩散现象，激活能比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。多的杂质快扩散载体。4 4）RTA对有些杂质较难激活注入分布尾部低浓度区的杂质，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，如降低了结深，如BF2BF2；但对；但对B B，尾部的增强扩散明显。，尾部的增强扩散明显。B和和BF2注入后经过注入后经过1000、30秒退火后的化学杂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质剖面分布和具有电活性的杂质剖面分布之间的差别差别GaAs 的的 RTP GaAs材料的材料的RTP过程中，会发生材料的热分解过程中，会发生材料的热分解-As的外扩散。材料表面通常用的外扩散。材料表面通常用PECVD方法沉积方法沉积SiOXN1-X 对它包封。可以使它承受对它包封。可以使它承受800-900C的高温。缺点是，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的差别而使覆盖层在GaAs内形成滑移。内形成滑移。用石墨完全封闭的退火，可以防止用石墨完全封闭的退火，可以防止GaAs在在RTP退火退火中的分解。而且，可以提高表面质量，防止颗粒沾污。中的分解。而且，可以提高表面质量，防止颗粒沾污。通常，还用在待退火的圆片表面压放另一片通常，还用在待退火的圆片表面压放另一片GaAs片片的方法来阻止的方法来阻止As的外扩散，而不用另外加覆盖层。的外扩散，而不用另外加覆盖层。石墨退火盒石墨退火盒介质的快速热加工介质的快速热加工2.2.超薄氧化物的快超薄氧化物的快速热氧化速热氧化 通常利用通常利用RTPRTP可以可以实现仅百埃的超薄实现仅百埃的超薄氧化物的生长，在氧化物的生长，在反应腔内通入不同反应腔内通入不同气体，还可完成氮气体，还可完成氮化等加强工艺。化等加强工艺。快速热氧化工艺中一个典型的快速热氧化工艺中一个典型的氧化层厚度与时间的关系图氧化层厚度与时间的关系图3.3.热圆片热圆片/冷壁工艺冷壁工艺 当反应腔外壁充分冷却，可形成热圆片当反应腔外壁充分冷却，可形成热圆片/冷壁状态，冷壁状态，不会造成工艺沾污，可以连续从事氧化、退火、沉不会造成工艺沾污，可以连续从事氧化、退火、沉积等多种工艺，也可生长多层膜积等多种工艺，也可生长多层膜4.4.硅化物及其热接触的形成硅化物及其热接触的形成 在硅上完成金属沉积后，用在硅上完成金属沉积后，用RTPRTP工艺可快速形成金工艺可快速形成金属硅化物，实现其良好的接触。属硅化物，实现其良好的接触。(如如,TiSi2,CoSi2),TiSi2,CoSi2)5.5.完成硅化物做扩散源（完成硅化物做扩散源（SADSSADS）浅结工艺）浅结工艺 杂质先注入硅化物，再用杂质先注入硅化物，再用RTARTA工艺达到杂质扩散，工艺达到杂质扩散，形成浅结。形成浅结。6.6.形成阻挡金属层形成阻挡金属层 例如用先沉积例如用先沉积Ti，再在，再在N2中形成中形成TiN或先沉积或先沉积TiN，在，在N2中中RTA，使，使N填充晶粒界面，阻止沿填充晶粒界面，阻止沿晶界的扩散。晶界的扩散。5.6 其他快速热处理系统其他快速热处理系统nRTP主要问题之一是主要问题之一是热均匀性热均匀性问题。问题。n新开发的新开发的RTP系统采用了系统采用了非传统的反应腔非传统的反应腔或或加加热装置热装置，以提高，以提高RTP的热均匀性，拓展的热均匀性，拓展RTP工工艺在小批量系统中的优势。艺在小批量系统中的优势。Page 36包含热壁的新型包含热壁的新型RTP设备设备p腔壁用碳化硅制作；腔壁用碳化硅制作；p腔壁温度比圆片温度腔壁温度比圆片温度高出几百度；高出几百度；p反应腔下半部一直保反应腔下半部一直保持冷却状态；持冷却状态；p圆片在反应腔中被快圆片在反应腔中被快速加热（加热速度由圆速加热（加热速度由圆片升降装置的运动速度片升降装置的运动速度来控制）；来控制）；p可以加工尺寸非常大可以加工尺寸非常大的圆片，且不会造成圆的圆片，且不会造成圆片的翘曲或滑移。片的翘曲或滑移。微区加热微区加热RTPRTP设备设备蜂窝状光源蜂窝状光源把圆片放在炉管中石英架把圆片放在炉管中石英架上，用一组高强度的白炽上，用一组高强度的白炽灯来加热圆片。灯来加热圆片。小结小结nRTP工艺的开发实现了短时高温的注入后退火；工艺的开发实现了短时高温的注入后退火；nRTP存在的问题包括温度测量和圆片的热均匀性；存在的问题包括温度测量和圆片的热均匀性；n圆片中过大的温度梯度产生了热塑应力，可能造圆片中过大的温度梯度产生了热塑应力，可能造成圆片翘曲和成圆片翘曲和/或滑移；或滑移；nRTP工艺已经扩展到硅化物和阻挡层金属的形成、工艺已经扩展到硅化物和阻挡层金属的形成、热氧化、化学气相沉积和外延生长等工艺。热氧化、化学气相沉积和外延生长等工艺。Page 39