快速热处理RTP

2020/2/21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；•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2020/2/21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。AppliedMaterials公司Vantage-RadiancePlus-RTP设备（AppliedMaterials,Inc.）引言2020/2/21快速热处理技术RTP设备（图片来源：USTCCenterforMirco-andNanoscaleResearchandFabrication)2020/2/21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2020/2/21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。传统炉管设备和RTP设备区别2020/2/21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（0.3-0.4um）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–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AppliedMaterials公司vantage_vulcan_rtp设备（AppliedMaterials,Inc.）2020/2/21快速热处理技术灯光辐射型热源RTP设备中灯管辐射热源（AppliedMaterials,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2020/2/21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。•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2020/2/21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RHT系列半导体快速热处理北京：清华大学微电子学研究所，19952020/2/21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，19952020/2/21快速热处理技术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2020/2/21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加热光源和反射腔的设计2020/2/21快速热处理技术加热光源和反应腔的设计应用材料公司反应腔体结构示意图加热卤钨素灯管2020/2/21快速热处理技术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•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2020/2/21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温度测量与控制系统框图2020/2/21快速热处理技术低温、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•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2020/2/21快速热处理技术逻辑产品低温、均匀控制问题AppliedMaterialsVantage-VulcanRTP设备（AppliedMaterials,Inc.）硅片背部加热示意图（AppliedMaterials,Inc.）•2011年应用材料公司推出AppliedVantage®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°C2020/2/21快速热处理技术RTP技术和处理工艺的应用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2020/2/21快速热处理技术离子注入的退火，杂质的快速热激活•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。热退火前后晶格结构的变化示意图2020/2/21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2020/2/21快速热处理技术介质的快速热加工•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均匀性不良的影响快速氧化层厚度在不同温度下随时间变化关系图2020/2/21快速热处理技术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2020/2/21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•超浅结USJ（Ultrashallowjunction）工艺–高温尖峰退火（SpikeAnneal）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。2020/2/21快速热处理技术总结和展望热处理技术节点路线图（AppliedMaterials,Inc.）