第四章 单片热处理工艺RTP

第四章RTP工艺设备简介(RapidThermalProcess)■引言■RTP设备介绍■RTP工艺的应用(自学)参考资料：《微电子制造科学原理与工程技术》第6章快速热处理(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)RTP工艺设备简介■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(ThermalBudget)■RTP工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对杂质再分布的严格要求；最早的RTP工艺主要用于注入后的退火■目前，RTP工艺的应用范围已扩展到氧化、化学气相淀积和外延生长等领域一、引言1、IC器件尺寸的按比例缩小器件最小特征尺寸的缩小趋势■随着器件等比例缩小到深亚微米阶段，源、漏区的PN结结深要求做得非常浅。■离子注入后的杂质，必须通过足够高温度下的热处理，才能具有电活性，同时消除注入损伤。■传统的高温炉管工艺，由于升、降温缓慢和热处理时间长，从而造成热处理过程中杂质的再分布问题严重，难以控制PN结结深。■最早的RTP工艺，就是为了离子注入后退火而开发的。2、杂质再分布问题3、RTP与传统退火工艺的比较■RTP设备与传统高温炉管的区别■RTP设备的快速加热能力■RTP设备的关键问题二、RTP设备简介（一）RTP设备与传统高温炉管的区别2、硅片温度控制：传统炉管利用热对流及热传导原理，使硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，温度控制精确；而RTP设备通过热辐射选择性加热硅片，较难控制硅片的实际温度及其均匀性。（一）RTP设备与传统高温炉管的区别1、加热元件：RTP采用加热灯管，传统炉管采用电阻丝3、升降温速度：RTP设备的升、降温速度为10-200℃／秒，而传统炉管的升、降温速度为5-50℃／分钟。4、传统炉管是热壁工艺，容易淀积杂质；RTP设备则是冷壁工艺，减少了硅片沾污。（一）RTP设备与传统高温炉管的区别6、传统炉管的致命缺点是热预算大，无法适应深亚微米工艺的需要；而RTP设备能大幅降低热预算。5、生产方式：RTP设备为单片工艺，而传统炉管为批处理工艺。1、加热灯管光源波长在0.3-4微米之间，石英管壁无法有效吸收这一波段的辐射，而硅片则正好相反。因此，硅片可以吸收辐射能量快速加热，而此时石英管壁仍维持低温，即所谓冷壁工艺。2、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3、对于一个表面带有图案的硅片，RTP可能造成硅片表面的温度分布不均匀。（二）RTP设备的快速加热能力1、加热灯源和反应腔的设计 大多数RTP设备采用钨-卤灯或惰性气体长弧放电灯作为加热源。前者发光功率较小，但工作条件简单(普通的交流线电压)；后者发光功率较大，但需要工作在稳压直流电源下，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。腔壁的漫反射使光路随机化，从而使辐射在整个硅片上均匀分布。 硅片的放置：在石英材料的支架上，石英的化学性质稳定且热导率低。（三）RTP设备的关键问题■原因 圆片边缘接收的热辐射比圆片中心少 圆片边缘的热损失比圆片中心大 气流对圆片边缘的冷却效果比圆片中心好■危害边缘效应造成的温度梯度通常在几十甚至上百度，不仅导致热处理工艺的不均匀，且可能造成滑移等缺陷和硅片的翘曲。（三）RTP设备的关键问题2、硅片的热不均匀问题(硅片边缘温度比中心低)：图6.5造成硅片边缘热不均匀的三个原因早期RTP设备一般采用改变反射腔形状或灯泡间距的方法；但圆片边缘所需的额外辐射量与工艺温度有关，因此上述方法所形成的功率分布只能针对某一温度。另外，升温过程中易造成硅片边缘过热现象。 现在的RTP设备设计采用分区加热概念实现：把灯泡分成多个可独立控制的加热区，可提供多种不同的功率分布。 最常见的装置是：把每个灯泡放在单独的抛物面形反射腔(水冷)中，并以六角对称形式排成平面阵列。（三）RTP设备的关键问题■改进硅片热均匀性的措施：补偿硅片边缘的热损失，提高对边缘部位的辐射功率。图6.16RTP系统中的蜂窝状光源(下面是硅圆片)硅片温度测量值被用在反馈回路中以控制灯泡的输出功率传统高温炉管中，由于硅片温度与其炉管周围环境温度一致，因此可用热电偶测量炉管周围环境温度来准确计算硅片实际温度。 RTP设备中硅片温度与反应腔周围环境温度是不一致的，因此硅片温度不能用反应腔内温度计算。 RTP设备中直接接触式热电偶测量的问题在于：沾污、接触热阻造成的温度差异、通过引线损失的热使硅片局部被降温并导致工艺不均匀。（三）RTP设备的关键问题3、准确和可重复的温度测量(1)热电堆是RTP设备最常用的电热测温计，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。(2)光学高温计的工作原理：对某一波长范围内的辐射能量进行测量，然后用Stefan-Boltzman关系式将能量值转换为辐射源的温度。注意：光学高温计测温时必须确保完全过滤掉灯泡在工作波长范围内的辐射，而且必须精确确定硅片的有效辐射率。■RTP设备中的温度测量方法 RTP设备中的所有温度测量都是间接进行的。 最常用的测温技术是电热测温计和光学高温计：自学内容(提高部分)•RTP工艺的具体应用状况及其他问题自学资源•教材第六章，其他参考书或网上资源