快速熱處理（Rapid thermal processing, RTP）是將晶片快速加熱到設(shè)定溫度,進行短時間快速熱處理的方法,熱處理時間通常小于1~2分鐘。過去幾年間,RTP已逐漸成為先進半導(dǎo)體制造必不可少的一項工藝,用于氧化、退火、金屬硅化物的形成和快速熱化學(xué)沉積。
RTP系統(tǒng)采用輻射熱源對晶片進行一片一片的加熱,溫度測量和控制通過高溫計完成。而之前傳統(tǒng)熱處理工藝采用的是批處理式高溫爐,一大批晶片在同一爐管中同時受熱。批處理高溫爐的使用仍然很廣泛,它更加適合于處理時間相對較長（超過10分鐘）的熱處理過程。
RTP技術(shù)的使用范圍很廣。它可以快速升至工藝要求的溫度（200~1300℃）,并快速冷卻,通常升（降）溫速度為20~250℃/秒;此外,RTP還可以出色地控制工藝氣體。因此,RTP可以在一個程式（recipe）中完成復(fù)雜的多階段熱處理工藝。RTP快速升溫、短時間快速處理的能力很重要,因為先進半導(dǎo)體制造要求盡可能縮短熱處理時間、限制雜質(zhì)擴散程度。用RTP取代慢速熱處理工藝還可以大大縮短生長周期,因此對于良率提升階段來說RTP技術(shù)特別有價值。
RTP系統(tǒng)有多種加熱結(jié)構(gòu)、熱源和溫度控制方法。其中,利用多排鹵化鎢燈對晶片進行加熱是最常用的方法,因為它提供的熱源易控制、方便、有效、加熱速度快。RTP系統(tǒng)中,熱源直接面對晶片表面,而不是象批處理高溫爐一樣對晶片邊緣進行加熱。因此,RTP系統(tǒng)處理大直徑晶片時不會影響工藝處理的均勻性和升（降）溫速度。通常,RTP系統(tǒng)還有晶片旋轉(zhuǎn)功能,使熱處理均勻性更佳。
目前最先進的RTP系統(tǒng)可以將晶片表面的溫度分布精確控制在3s<2℃的范圍內(nèi)。然而,晶片表面的器件分布圖形（pattern）會給溫度帶來一些影響和限制。因為RTP系統(tǒng)加熱晶片時采用的是輻射性熱源,溫度會受到光學(xué)性質(zhì)的影響。隨著器件尺寸的不斷微縮和對工藝處理均勻性的要求變得更加苛刻,如何優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)、減小“圖形效應(yīng)”已成為一個重要的研究領(lǐng)域。解決“圖形效應(yīng)”的辦法有很多,包括減少晶片表面入射能量的雙面加熱方法,以及采用與晶片溫度接近的熱源對有圖形的一面進行照射的方法。
RTP的另一關(guān)鍵因素是溫度的測量和控制。圖1為采用高溫計控制的RTP系統(tǒng)示意圖,高溫計測量的是晶片背面溫度。早期的RTP系統(tǒng)有重復(fù)性差的問題,因為晶片背面涂層不同時,光譜發(fā)射率會有所變化,從而導(dǎo)致溫度讀數(shù)錯誤�，F(xiàn)在的RTP系統(tǒng)含有復(fù)雜的發(fā)射率校正系統(tǒng),熱處理重復(fù)性很好。<div align="center"><img src="/UpItem\at\200404\70-1.jpg" ></div >
RTP的一個重要應(yīng)用是活化離子注入雜質(zhì),形成超薄結(jié)合。這一工藝要求熱處理系統(tǒng)具有快速升溫和冷卻功能,因為離子注入后,必須將晶片加熱到約1050°C進行高溫退火,除去離子注入引起的損傷,并活化注入的雜質(zhì),同時必須縮短高溫處理時間,盡可能減少雜質(zhì)離子的擴散。為此,人們又開發(fā)了尖峰退火（spike-anneal）方法,使晶片可以快速升溫然后立即冷卻。
RTP的另一重要應(yīng)用是形成金屬硅化物。在這項工藝中,金屬薄膜通過與源極、漏極和柵極區(qū)域的硅反應(yīng),形成金屬硅化物。在先進的邏輯工藝中,常用金屬為Co,目前正在為65nm工藝開發(fā)Ni。金屬硅化物生成工藝通常在500℃以下進行,晶片必須放置在有高純度氣體保護的環(huán)境中加熱,因為金屬薄膜對氧化反應(yīng)很敏感。對于該工藝來說,RTP系統(tǒng)是非常理想的。因為RTP的反應(yīng)器體積較小,很容易通入高純度氣體進行凈化,形成非常潔凈的反應(yīng)環(huán)境。
RTP在氧化反應(yīng)中的作用也逐漸變得重要起來。由于RTP可以使用多種氣體在高溫下進行快速熱處理,因此可以精確控制工藝條件,生成性能優(yōu)異的氧化膜。RTP生成的氧化膜通常用于柵極介電材料、氧化膜和淺溝道隔離（STI）墊層。在氣體中通蒸汽為RTP開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如,使用富含H2的蒸汽對含W的柵極疊層結(jié)構(gòu)進行選擇性的氧化,這一應(yīng)用已引起先進DRAM技術(shù)的特別關(guān)注。 |
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