教学课件：第四章-单片热处理工艺RTP.ppt

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1、第四章 RTP工艺设备简介(Rapid Thermal Process),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(Thermal Budget)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

2、,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

3、 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。

4、,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

5、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

6、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6.16 RTP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

7、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,