（机械工程专业论文）快速退火炉系统设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工程硕七学位论文 摘要 快速退火炉是现代大规模集成电路生产工艺过程中的关键装备。主要用于离 子注入后杂质的激活、浅结制作、生长高质量的氧化膜层和金属硅化物合金形成 等工艺。随着集成电路工艺技术的飞速发展，开展快速退火炉系统的技术研究， 对国内开发和研究具有自主知识产权的快速退火炉装备，有着十分重要的理论意 义和工程应用价值。 本文针对现代半导体器件退火工艺对快速退火炉系统的技术要求，在综合分 析国内外各种快速退火炉系统技术基础上，通过深入的分析研究，设计了系统总 体技术方案。拟定采用灯光辐射型热源装置，上下两排成正交的灯管组对位于其 中问的半导体硅片进行直接加热实现温度的快速上升，以单点测温作为温度测量 的解决方案作为系统总体方案。根据热传导基本理论，以实现系统总体技术指标 作为已知参数计算得到系统所需要的热功率，在此基础上实现热源与反应腔体、 冷却系统、送气系统等部件的设计。通过分析影响硅片表面温度边缘效应的因素， 提出灯管分区及分区控制的设计方案，实现硅片表面温度的均匀性；通过非接触 式温度测量原理的分析，完成光学高温计选型、测温方案以及温度校准设计，实 现温度的精确测量，基于系统模型的温度控制器设计保证了温度控制的精度与稳 定度；在分析硅片传送功能性要求的基础上，完成传送系统流程设计，实现了系 统传片效率与传片的高可靠性；控制系统功能性设计、总体架构以及主控制程序 流程图设计实现整机的全自动化，保证系统具有自动化水平高、控制和管理功能 强大、操作简便、可靠性高等特点，能很好地适应快速退火炉系统对自动控制的 要求。 试验结果表明，本文所设计的快速退火炉系统可以满足半导体快速退火工艺 对设备的要求。 关键词：快速退火退火工艺红外辐射温度测量温度控制器分区控制自 动控制均匀性 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g ( r t p ) h a sb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l eu n i ti nt h e l a r g es c a l ei n t e g r a t i o nm a n u f a c t u r e i th a sb e e nu s e df o rt h ei m p u r i t ya c t i v a t i o na f t e r i o ni m p l a n t a t i o n , t h ef o r m a t i o no fs h a l l o wj u n c t i o n ，t h ef o r m a t i o no fe x c e l l e n to x i d e f i l ma n da l l o yl a y e ra n do t h e ri cp r o c e s s e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi c p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i ti se s s e n t i a lf o rc h i n at or e s e a r c hn e wr a p i dt h e r m a lp r o c e s s a n dt h i sw i l lh a v ei m p o r t a n tt h e o r i e sm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u ef o rd e v e l o p i n g a n n e a l i n gd e v i c e 谢li n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fa l ls o r t so fr t pt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e r f o c u s e do nt h en e wr e q u i r e m e n t so fm o d e r na n n e a l i n gp r o c e s s ，a n da d v i s e dt h eo v e r a l l d e s i g ns c h e m e w ed e 煳_ d e dt ou s eo r t h o g o n a lt w i s t r a t u ml a m p sa si n f r a r e dr a d i a t i o n h e a tr e s o u r c e st oh e a tt h ew a f e rf i x e dt ot h ec e n t e rz o n ea n dw ed e s i g n e dan e ws c h e m e m 翻圆1 1 1 m gt h et e m p e r a t u r ep o i n tb yp o i n t w eu s e dt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa st h e p a r a m e t e r sa n dt h e nd e d u c e dt h ep o w e ro ft h eh e a tr e s o u r c e si nr t ps y s t e mb a s e do n t h eh e a tc o n d u c t i o nt h e o r ya n dt h e nf i n i s h e dt h ed e s i g no fs o m ec o m p o n e n t si n c l u d i n g r e a c t i o nc h a m b e ra n dc o o l i n gs y s t e ma n dg a ss y s t e m w ea n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h eh e a tf l i n g i n ge f f e c to ft h ew a f e rs u r f a c e ，a n dt h e nd i v i d e dt h el a m p si n t o s e v e r a lz o n e sa n dt o o kz o n i n gc o n t r o lm e t h o da n df i n a l l yr e a l i z e dt h et e m p e r a t u r e u n i f o r m i t yo ft h e w a f e rs u f f a c e w ec h o s et h ea p p r o p r i a t ei n f r a r e dp y r o m e t e ra n d f i n i s h e dt h e d e s i g no ft h e a c c u r a t et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dt e m p e r a t u r e a d j u s t m e n tt e c h n o l o g ya f t e rt h er e s e a r c ho fn o n - c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t p r i n c i p t e b a s e do nt h es y s t e mm o d e l ，w ee n s u r e dt h ec o n s i s t e n c ya n du n i f o r m i t yi nt h e r t p p r o c e s st h r o u g ht h ed e s i g no ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r w ed e s i g n e dt h et r a n s f e r s y s t e ma f t e ra n a l y z i n gt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h e ne n s u r e dt h ee f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ew a f e rt r a n s f e n j j l g w er e a l i z e d t h ef u l l a u t o m a t i o no ft h ed e v i c e t h r o u g ht h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m , g e n e r a la r c h i t e c t u r ea n dt h em a i nc o n t r o l p r o g r a m f i n a l l yw ed e s i g n e dan e wr t ps y s t e mw i t hh i g ha u t o m a t i o nl e v e l ，p o w e r f u l c o n t r o la n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n , s i m p l eo p e r a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yw h i c hc a nm e e t t h ea u t o m a t i o nr e q u i r e m e n t s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h er a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g d e s i g n e d b yt h i sp a p e rc a nm e e tt h en e wi cp r o c e s sr e q u i r e m e n t s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 k e yw o r d s ：r a p i d a n n e a l i n g ，r a p i dt h e r m a lp r o c e s s i n g ，i n f r a r e dr a d i a t i o n ， t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r , z o n i n gc o n t r o l ，a u t o m a t i o n ， u n i f o r m i t y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表1 1 三种硅化物的典型工艺温度3 表5 1 实验一硅片表面各点薄层电阻值5 l 表5 2 实验二硅片表面各点薄层电阻值5 2 表5 3 实验三硅片表面各点薄层电阻值5 2 表5 4 实验四硅片表面各点薄层电阻值5 3 表5 5 实验五硅片表面各点薄层电阻值。5 3 表5 6 不同恒温时间下硅片表面各点薄层电阻值5 4 表5 7 不同恒温段温度下硅片表面各点薄层电阻值5 4 第页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图1 1 快速退火典型工艺应用2 图1 2 快速退火炉系统示意图4 图1 3 卧式扩散炉结构示意图5 图1 4 立式高温炉结构示意图6 图1 5 快速退火炉的工作模型图7 图1 6 高频感应加热工作原理图7 图1 7 单点测温、灯管加热式r 1 曙8 图1 8 多点测温、灯泡加热式瞪。8 图2 1高频电磁感应加热快速退火炉原理图。1 2 图2 2 多点温度测量与控制示意图1 3 图2 3 快速退火炉系统结构总体方案1 5 图3 1 快速退火工艺工艺温度曲线1 6 图3 2 加热系统热模型框图。1 9 图3 3 加热卤钨素灯管2 0 图3 4 灯管视野因子的差异示意图2 0 图3 5 晶片边缘热损失示意图2 1 图3 6 硅片表面温度边缘效应示意图2 1 图3 7 加热灯管分区示意图2 2 图3 8 应用材料公司反应腔体结构示意图2 2 图3 9 反应腔体设计示意图2 3 图3 1 0 工艺反应腔内气体流动示意图2 3 图3 1 1 石英腔体结构示意图。2 4 图3 1 2 石英托片架结构示意图2 4 图3 1 3 波长与红外辐射能量分布关系2 6 图3 1 4 几种红外材料对不同波长红外光的透射率2 6 图3 1 5 光学高温计实物图。2 6 图3 1 6 温度校准工作原理图2 7 图3 1 7 温度测量与控制系统框图2 9 图3 1 8 加热灯功率调节波形图3 0 图3 1 9 基于系统模型的温度控制器3 0 图3 2 0 晶片传送系统结构布置示意图3 l 图3 2 1 手动传送片流程图一3 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图3 2 2 自动传送片流程图3 3 图3 2 3 计算机主程序框图3 6 图3 2 4 主控制程序流程图( a ) 3 7 图3 2 5 主控制程序流程图( b ) 。3 8 图3 2 6 主控制程序流程图( c ) 3 9 图3 2 7 主控制程序流程图( d ) 4 0 图4 1整机冷却系统示意图4 2 图4 2 送气系统零部件装配图4 3 图4 3 送气系统装配实物图4 3 图5 1 离子注入机结构示意图4 6 图5 2m 0 d e l 2 8 0 电阻测试仪。4 7 图5 3四探针电阻测试仪原理示意图4 8 图5 4 非接触电阻测试仪。4 8 图5 5 非接触电阻测试仪工作原理图4 9 图5 6 硅晶片退火温度控制实验( 一) 4 9 图5 7 硅晶片退火温度控制实验( 二) 一5 0 图5 8 硅晶片退火温度控制实验( - - ) 5 0 图5 9 测试点位置分布示意图。5 l 图5 1 0 薄层电阻随退火时间变化曲线5 4 图5 1 l 薄层电阻值随退火温度变化曲线。5 5 图5 1 2 硅晶片退火后电阻分布图5 6 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：怯逮退丛垃丞缠遮i 土与塞煎 学位论文作者签名：日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：迭逮退拯螳菱统遮i 土复塞窭 学位论文作者签名：一 日期：年月 日 作者指导教师签名：日期：年月 日 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 微电子技术是2 0 世纪最具有伟大成就的高技术之一，其发展与成熟改变了人 类生活方式，极大地加快了社会发展进程。随着集成电路技术的发展，芯片制造 工艺对设备的牵引作用越来越明显。作为一种单片热处理工艺设备的快速退火炉 系统，能大大地降低硅片热处理工艺过程中的热预算，满足现代半导体制造过程 中热处理工艺对设备的要求。 1 1 论文研究背景及意义 1 1 1 硅片快速热处理工艺概述 离子注入技术作为半导体掺杂方法自上世纪6 0 年代诞生以来，极大地促进了 集成电路的发展。但是常规的高温长时间退火方法严重地限制了注入工艺优势的 发挥。常规高温退火使注入杂质再扩散，造成有效沟道变短。随着大规模集成电 路的发展，退火工艺对硅片表面升温速度和温度控制精度等提出更高要求，需要 研究和开发先进的硅片热处理快速退火炉系统【1 1 。 快速热处理出现己有许多年了，但没有统一的定义。一般说来，和传统的高 温工艺相比，快速热处理工艺包含以下特点【2 l ： 更短的工艺时间 更快的升、降温速率 硅中杂质运动最小 减少颗粒沾污 由于较小的腔体体积，气氛纯度容易控制 更短的加工时间 所谓“快速( r a p i d ) 刀一词首次出现在1 9 6 8 年m a m m e l s 的专利文件“工件热 处理方法( m e t h o do f h e a tt r e a t m e n to f w o r k p i e c e s ) 中，后来有多种术语如等温退 火( i s o m e r m a la n n e a l i n g ) ，热脉冲退火( h e a tp u l s ea n n e x i n g ) 等。现在快速热退火 ( r a p i dt h e r m a la n n e a l i n g ) 乘l 快速热处理( i 帅i dt h e r m a lp r o c e s s i n g - r t p ) 具有同样 的内涵【3 1 。实际上，r t p 是半导体制造业中最复杂部分之一，它包含相关知识有： 量子力学、固体物理、光学与工程学等。然而，r t p 系统的基本原理非常简单。 过去人们对r t p 系统接受很慢，主要是因为注入退火和热处理需要优良的温度控 制系统和测温系统，而且它只是单片处理。但是，随着深亚微米器件的发展，人 们重新认识到i 玎p 系统在半导体制造中的重要作用【“j 随着超大规模集成电路的发展，需要更小的特征尺寸和更大的芯片面积，使 第1 页 国防科学技术太学研究生院工程硕士学位论文 得离子注入逐渐取代热扩散成为主要的掺杂方式。离子注入有许多优点，例如注 入可以在接近室温f 进行，可以穿透氧化物或氮化物等表面薄膜。能够很好地控 制注入的深度、杂质含量和均匀性等。但是，高能杂质离子轰击硅原子将使晶体 结构产生损伤，会增强沟道效应，而且注入的杂质未被激活。为了檄活杂质、恢 复晶格离子注入之后必须进行退火。由于传统的高温炉管退火会使杂质扩散严 重难以满足工艺过程中对杂质分布精确控制的要求所以快速热退火越来越得到 广泛的应用”。 半导体产业的发展一直遵循着摩尔定律，器件的特征尺寸在缩小，已从2 0 世 纪5 0 年代的1 2 5u m 发展到目前的9 0 h m 。而当器件的尺寸降到纳米级时，快速 热处理设备作为能提供较小的热预算和超纯加工方法己成为半导体生产线上的关 键设备愈来愈受至u 重视。未来电子技术的发展将越来越依赖成功的技术更新换代， 这种更新换代包括材料的革新和c m o s 结构的变更。快速热处理设备将在这个过 程中起重要的作用。其主要应用范围包括离子注入退火、淀积氧化膜、形成金属 硅化物、浅结制做、化合物半导体退火等，如图11 所示是其典型的工艺应用。 圈l _ 1 快速退火典型工艺应用 ( 1 ) 活化离子注入杂质，形成超薄结合。离子注入是半导体制造工艺中非常 重要的一道工序是用来把改变导电率的搀杂材料注入半导体晶片的标准工艺技 术。在传统的离子注入工艺中，对需要搀杂的杂质离子在离子源中被电离，然后 通过加速管加速成具有工艺所需能量的离子柬注入到晶片表面。注入后的晶片必 须退火以便激活搀杂离子和修复离子注入引起的品格损伤。退火是依照规定的时 问和温度工艺曲线对半导体晶片进行热处理的工艺过程【捌 t 3 1 。这一工艺要求热处 理系统具有快速升温和冷却功能，因为离子注入后，必须将晶片加热到约1 0 5 0 进行高温退火除去离子注入引起的损伤，井活化注入的杂质。同时必须缩短高 温处理时间，尽可能减少杂质离子的扩散使晶片快速升温后再立即冷却。半导 体工业中i c 的发展趋势是向体积小速度高的器件发展，而其综合反应是特征尺 寸的缩小，具体工艺要求在半导体器件中特征的横向尺寸和深度都要相应的成比 例减小。如6 5 a m 器件制造工艺中，要求精极延伸区结深为1 38 m ，接触结深为 第2 页 国防科学技术大学研究生院丁程硕士学位论文 2 7 5 r i m 。其中结深由离子注入能量决定，但随后的热处理工艺有可能使杂质从晶 片的注入区域向外扩散，引起结的深度因热扩散作用而增大，破坏离子注入的优 良效梨1 4 1 。 ( 2 ) 制作高质量的s i 0 2 膜层。现代i c 制造对氧化膜层提出了很高的要求， 其中最基本的要求是膜层更薄，如果采用传统的技术即通过降低氧化反应的温度 来降低氧化速率即会带来另一个问题，生长温度的降低会导致固定电荷和界面密 度增加，影响氧化层质量。因此，r t p 热氧化工艺将成为传统氧化工艺的最佳替 代方案，它可以在合适的高温下实现短时间的氧化。另一方面，可以利用往腔体 内通入氩或其它惰性气体来稀释氧气达到降低氧化速率的目的。r t p 热氧化工艺 能够生长出电击穿特性好的高质量氧化层。由r t i 工艺生成的氧化膜可用于栅极 介电材料、氧化膜和浅沟道隔离( s t i ) 垫层【1 5 1 。7 1 。 ( 3 ) 金属硅化物合金形成。金属硅化物在集成电路制造技术中起着非常重要 的作用。现在快速热处理工艺已经被广泛地用于在器件中制各金属硅化物。金属 薄膜通过与源极、漏极和栅极区域的硅反应，形成金属硅化物。在0 3 5 和o 2 5 微 米m o s 技术中使用t i s i 2 作为标准的硅化物材料。但由于其线宽效应的影响，因 此在从o 1 8 微米技术节点到9 0 纳米技术节点阶段，用钴取代了钛。当工艺技术继 续向前推进，器件的尺寸变得越来越小。这时结中对硅的高消耗成为应用钴的一 个大问题，因为硅的高消耗减少了有用的动态区。另一个使用钻的问题是热预算。 它的7 5 0 退火温度对于先进的6 5 纳米m o s 技术来说是不能接受的。从6 5 纳米 节点以后，镍因为有更低的硅消耗和热预算，所以将会取代钴。表1 1 给出了三种 硅化物的典型工艺条件。硅化镍有更低的退火温度，因而热预算最小。优化后的 r t p 温度范围是3 5 0 5 0 0 ，形成n i s i 。在这样低的温度下，信噪比更低，温度控 制更加困难。工艺要求在这么低的温度下有非常良好的温度控制性能，而且能够 在3 5 0 ( 2 的低温下进行峰值退火，因此把n i s i 集成到整个工艺流程中是快速热处 理设备要求必须解决的工艺难题【l s l 表1 1 三种硅化物的典型工艺温度 硅化物名称一次退火温度二次退火温度 t i s i 26 0 0 - 7 0 0 3 0 秒8 0 0 - - 9 0 0 3 0 秒 c o s i 24 0 0 - - 5 5 0 3 0 秒7 0 0 - 8 0 0 3 0 秒 n i s i - - 3 5 0 cs p i k ea n n e a l 3 5 0 3 0 秒 1 1 2 快速退火炉系统概述 快速退火炉是在非常短的时间内( 经常是几秒钟) ，将单个硅片加热至4 0 0 1 2 5 0 温度范围内的一种半导体热处理工艺设备。随着i c 工艺技术的发展，己逐 第3 页 国防科学技术大学研究生院_ 丁程硕士学位论文 渐成为先进半导体制造必不可少的一项工艺装备，用于氧化、退火、金属硅化物 的形成和快速热化学沉积。图12 为快速退火炉系统的示意图。在常压或低压下， 盯p 系统采用辐射热源对硅片进行单片加热，温度测量和控制通过高温计完成。 大多数的r t p 采用多盏卤钨素灯组组装在一起作为热源。卤钨素灯通常安装 在硅片的顶部或底部数目可达数百盏。它们被置于多个区域里这可使硅片上 温度等商。这种等高温度分布可以补偿可能发生在升温过程中的加热和冷却的不 均匀性。卣钨素灯将产生短波长辐射，硅片加热依靠选择性吸收卤钨灯的辐射。 r t p 的温度控制依靠热电偶或光学高温计完成。热电偶和硅片直接接触，确 定硅片的真实温度。虽然热电偶相对可靠，但是它响应时间慢，并且在高温时其 寿命会变短。而光学高温计可以采用非接触式测量，响应时间快，通过对硅片加 热，探测硅片表面的红外辐射能量来实现l l ”。 13 课题研究意义 图l 2 快速退火炉系统示意图 在全球信息化过程中，微电子产业作为信息化的基础，其技术水平直接决定 了一个国家的信息化水平在国际上的地位。集成电路装备的制造水平和更新换代 能力决定了微电子技术的进步，其高科技含量也决定了集成电路芯片的“智慧” 程度和使用程度。随着芯片的关键尺寸不断微缩，发达国家的芯片制造水平已经 向6 5 r i m 技术节点以下发展，为了适应工艺的发展，对制造装备提出了更高的技术 要求。 快速退火技术作为集成电路制造业的核心技术之一，国外的相关技术和设备 发展很快很多技术非常成熟。为了缩小与国外差距，立足于国内研究开发拥有 自主知识产权的快速退火工艺技术和设各必将具有重要的推广价值。近年来，在 国内集成电路生产线的建设和投产过程中，对快速退火设备有很大市场需求。而 且随着硅片尺寸的不断加大，现有8 寸以下生产线迫于市场竞争的压力，必将面 临技术和设备更新换代问题，开发能兼容8 寸以下快速退火工艺的设备在国内相 当一段长的时间内还具有巨大的市场需求。本课题所研究的快速退火炉设备及其 工艺研究，符合国内集成电路产业发展需求，能够为国内i c 厂商提供快速退火工 第4 页 国防科学技术大学研究生院_ 丁：程硕士学位论文 艺的成套解决方案。 作为集机械、电子、控制、热力学、光学于一体的快速退火炉设备，它涉及 到热传导学、计算机控制、机械结构学等多领域相关理论。而针对不同用户的应 用需求，开发出满足用户特色工艺的快速退火设备需要从理论建模、物理结构设 计到实践工艺的一系列摸索，这追切需要相应的通用性理论模型和设计手段去支 撑。因而本课题具有重要的理论意义和工程应用价值。为此，作者所在的课题组 承担了国家x x 项目“快速逼火炉的研发”，本文的选题正是来源于这一研究项 目。 1 2 快速退火炉系统的国内外研究概况及发展趋势 121 快速退火炉系统的发展历程 半导体技术发展速度抉，按照摩尔定律的规律，技术更新迅速。“一代产品， 一代设备，一代工艺，一代材料”节奏加快，往往形成一代技术刚开始普及就有 新一代产品诞生，半导体热处理设备发展也是伴随着热处理工艺对设备的要求逐 渐发展起来的，下面简单介绍一下硅片快速退火炉系统的发展； ( 1 ) 水平式高温退火炉。普通的水平式高温炉采用批处理的方式，多片晶片 可以同时进入高温炉内进行高温退火，通常晶片退火时间2 0 到3 0 分钟，达到工 艺要求的恒温则需要更长的时同。由于该工艺与温度有密切关系，因此要严格控 制沿氧化石英管长度方向上的温度变化。水平式高温炉由高温炉反应室、加热器、 温度测量和控制热电偶、熔融石英管、石英舟、温度控制系统、加载站、进气和 排气系统等组成。如图1 3 所示是其结构示意图。 图1 3 卧式扩散炉结构示意图 ( 2 ) 垂直式高温炉。尽管垂直式高温炉的成本比水平高温炉高，但在许多应 用中人们还是会优先选择垂直高温炉，因为垂直高温炉的工艺控制更出色、污染 更小、与自动化兼容的程度更高，晶片上的温度分布更加均匀。而且晶片被平放 第5 页 国防科学技术大学研究生院j ：程硕士学位论文 在石英舟的中央，优化了气流的动力学行为。此外，石英舟还可以转动使温度 和气流的波动可以平均掉，从而使它更均匀。 在垂直式高温炉中，设计有双层熔融石英管，惰性气体或氯化物气体可以在 内外管之间流动，防止污染物扩散到内管工艺处理区域内。晶片承载舟( 石英材 科) 每批可容纳1 5 0 片晶片。晶片从晶片盒( c a s s e t t e ) 通过机械手加载到石英舟 后，石英舟被送入到高温炉的加热区。在工艺处理步骤之间，加热区保持在相对 较低的温度下( 7 0 0 - 8 0 0 ) ，然后拔慢慢升高到工艺处理温度( 约9 5 0 ) 。之后慢 慢降低到室温。与卧式炉的温度特性比较，升温速度从1 0 - 2 0 r a i n 提高到1 0 0 m i n ，降温速度从5 m i n 提高到6 0 ，m 札因此它能够在更短的循环周期内对 小批量的硅片进行热处理。 ( 3 ) 快速热处理炉( r t p ) 。r t p 的典型特征是采用卤钨素灯作为加热源对 硅片直接加热。它是一种单晶片处理的方式，能以1 - 2 5 0 血的速度快速升温或 快速降温，比传统高温炉的速度( l c s e c ) 要快得多。r t p 可以在几秒种之内将 晶片从室温加热到1 1 0 0 c 。和高温炉相比较，r t p 有很多优点，包括晶片热预算 更低、处理温度更高、工艺控制更好、工艺处理时间更短等。在0 5 微米以下工艺 技术中已经完全取代传统的高温退火炉成为半导体制造工艺过程中的关键技术。 操作门 圈i4 立式高温炉结构示意圉 第6 页 国防科学技术人学研究生院工程硕士学 。_ 论文 122 快速退火炉系统的国内外研究现状 国内目前只有中国电子科技集团公司第四十八研究所和清华大学微电子所在 r t p 设备领域进行了相关的技术研究工作，但所采用的加热技术方案不同。前者 采用国际上流行的灯光加热，而后者采用高频感应加热形式。下面简单地介绍国 内这两种r t p 技术研究现状。 ( 1 ) 中国电子科技集团公司第四十八研究所开发的灯光辐射型r t p 系统。采 用灯光辐射型热源装置，利用上下两个专用灯管组对位于其中间的半导体硅片进 行快速加热来实现温度的快速上升。如图15 所示为快速退火炉的工作原理模型装 置示意图。 图1 5 快速退火炉的工作模型图 ( 2 ) 清华大学研制的高频感应加热型r t p 系统。该设备的关键技术是采用高 频感应石墨加热方式肘半导体硅片进行热处理。如图1 6 所示。在石英腔体外缠绕 线圈，石英腔体内放置平行石墨加热扳。当向线圈中通以高频电压，在线圈周边 就会产生高频电磁场位于高频交变电磁场中的石墨板在受到感应后发热成为热 源。由此对腔体内的硅片进行热处理i 舯】。 图1 6 高频感应加热工作原理图 在国外，由于半导体产业发展较迅速，对快速退火炉系统的研究起步比较早。 世界上第一台实用的快速退火炉系统是由美国最大的半导体制造商v a r i a n 公司在 1 9 8 1 年推出。目前在国外快速退火炉主要生产和研究单位有美国的m p t 、应用材 料、a g 、m a t t s o n 等公司；德国的a s t 、法国j i p e l e c 等。这些公司普遍采用灯 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 光辐射型的加热方式。但主要技术表现为爵种：一种是以美国a g 、m p t 、德国 a s t 等公司为代表的单点测温技术、熟源为线状光源( 灯管) 的双面加热形式， 利用红外热辐射加热的原理对硅晶片直接加热实现。如图1 7 所示。另一种是美国 应用材料公司独特的多点测温技术、热源采用点状光源( 灯泡) 、单面加热形式， 球形灯泡发出的光经过高透过率的石英窗口进入反应腔内对位于硅片支撑环上的 硅片加热，温度信号检测是通过多个响应时阃非常快的红外式探针来实时检测， 晶片在加热过程中高速旋转，使得晶片表面与反应气体之间的接触概率相差无几。 平稳旋转的托架带动晶片表面的气体分子形成紊流模式，这对于提高温度的均匀 性有很大作用。其工作原理如图1 8 示。虽然后一种工作形式在温度测量与控制精 度，退火均匀性方面有非常好的优越性，但在结构设计及控制系统设计方面非常 复杂，因此其售价也相当昂贵，许多半导体生产厂商都望而却步，目前在国内也 只有中芯国际这样高端的i c 制造线在使用，其余的i c 厂商普遍采用前一种类型 的快速退火炉系统。 闰l7 单点测温、灯管加热式r t p 缸碹* ”h # i * 图1 8 多点蔼量、灯泡加热式k t p 12 3 快速退火炉系统的发展趋势 虽然使用卤钨素灯加热方式的快速退火炉目前在各种i c 生产线上得到广泛使 第8 页 国防科学技术大学研究生院丁程硕士学位论文 用，成为主流设备。但i c 制造工艺一直在不断挑战制造材料与制造装备的极限， 推动着制造装备不断向更高的技术性能方向发展。快速退火炉未来的发展表现在 以下几个方面： ( 1 ) 在设备的前端配置与s e m i 标准规定的标准机械接口( s m i f ) 。设计 能够与工厂自动化的硅片传输系统( a u t o m a t e dm a t e r i a lh a n d l i n gs y s t e m ，a m h s ) 和 进行硅片和信息交换的装载端口( l o a dp o r t ) ，以及将传统的开放式片盒( o p e n c a s s e t t e ) 放入到一个能保证硅片传输过程中的洁净度的微环境 ( m i n i e n v i r o n m e n t ) 。这种技术的使用既能保证硅片传输环境的洁净程度，同时也 为自动化的硅片传输提供了很好的机制。 ( 2 ) 快速热处理设备模块化设计。通过位于各模块中心的传输模块( t r a n s 向 m o d u l e ) 进行各不同工艺模块之间、工艺模块与外界生产环境之间的硅片传输。各 个模块之间保持机械、电气装置的独立。通过利用同一机械手在不同的反应模块 之间进行硅片的传输，可以极大的降低设备的转换时间，同时通过利用统一的群集 设备控制系统( c l u s t e rt o o lc o n t r o l l e r , c t c ) 协调传输平台模块与工艺反应模块之 间的工作实现整机的工作流程以及工艺菜单的自动执行，提高了单台设备的产出 率以及整机的工艺集成能力，并为实现更为复杂的工艺集成，以及检测集成提供 了良好的基础。 ( 3 ) 适应9 0 n m 以下工艺的峰值热处理工艺温度控制能力。半导体行业国际 技术发展蓝图( i t r s ) 规划确定，9 0 舳t 艺结深度要在1 5 2 5 n m 之间，面电阻值要 小于6 6 0 欧姆平方。这些数值能够很好地通过传统注入和峰值热处理( 恒温段有 1 7 s 的驻留时间) 工艺实现。但研究表明，峰值热处理温度的一致性是需要控制的 最关键参数。峰值温度一致性对器件性能有很大影响，因为源漏极扩展的侧壁位 置及其生成的有效沟道长度与热处理的温度呈指数关系。p m o s 晶体管门限电压随 温度的变化率超过2m v ，因而在9 0 h m 工艺中需要将各晶片上所有点的温度一 致性控制在5 c 范围之内，这样才能够提高器件的成品率，并使每片晶圆产出更多 具有最高速度的芯片【2 1 l 。 ( 4 ) 传统的灯光热源有向激光热源发展的趋势。利用激光热源处理技术仅需 几纳秒即可完成极浅结点和触点的激活，因而在热投入为零的条件下实现了芯片 期望的性能特点。使用激光退火炉( l r p ) 能够改善器件的可靠性和良率，进而实 现生产能力的飞跃。 1 3 论文的研究内容与安抨 本文主要研究灯管加热、单点测温式的快速退火炉系统。在研究国内外相关 文献及产品技术的基础上提出快速退火炉系统的总体技术设计方案。运用红外辐 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕七学位论文 射传热理论对系统需要的热功率进行理论计算，对组成快速退火炉的关键系统及 部件、辅助系统进行设计和研究，最后用试验方法对快速退火炉系统性能及最佳 工艺参数进行了研究。 论文的具体安排如下： 第一章，主要论述论文选题的目的与意义，对快速退火炉系统、快速退火工 艺、快速退火炉技术发展及国内外研究现状等进行了概述。阐述快速热处理工艺 优势，分析传统高温退火炉存在的问题，论述对快速退火炉系统进行研究与设计 的必要性。 第二章，在研究国内外同类产品技术的基础上，对不同形式的加热热源、温 度测量方案的特点进行分析研究，提出快速退火炉系统的总体技术设计方案，并 提出系统需要实现的主要技术指标。 第三章，运用传热学辐射理论计算加热系统中热源的总功率。并对高强度光 源与反应腔体、温度测量与温度控制器、硅片传送系统及自动控制系统进行设计。 第四章，辅助系统作为快速退火炉系统的有机组成部分，对整机功能的实现 起支撑作用。在对冷却系统、工艺送气系统、气动系统设计的同时，对系统防颗 粒污染设计措施进行了阐述。 第五章，介绍在实验中所使用的主要设备仪器的工作原理以及在实验中的用 途。设计不同的试验方法对温度控制器进行验证，介绍了退火炉均匀性指标调试 的过程，并对退火温度、退火时间对薄层电阻均匀影响的效果进行实验研究。 第六章，对本文的主要研究成果进行总结评价，指出研究中的不足并对进一 步深入研究提出展望。 1 4 本章小结 本章主要阐述了用于半导体硅晶片的快速退火工艺应用、快速退火炉系统的 工作原理，国内外技术研究现状以及未来快速退火炉系统的发展趋势，最后提出 本文研究的研究内容。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章快速退火炉系统方案设计 快速退火炉系统的方案设计包括对热源方案与温度测量方案分析。在对热源 与温度测量设计方案确定的基础上搭建系统总体结构方案，并提出系统需要实现 的主要技术指标。 2 1 热源方案分析 为了防止硅片表面氧化、沾污等影响器件的性能，硅片的退火必须在气氛洁 净的密闭腔体内进行，而工艺要求的升温速度要求达到1 0 0 秒以上，使用传统 的热传导方式很难满足这些要求。所以方案首先确定使用热辐射对硅片直接加热 的方式。 2 1 1 可供选择的两种热源方案分析 半导体硅片快速退火炉系统所采用的热源，目前国际上采用的主要有两种形 式：灯光加热和高频感应加热。 ( 1 ) 灯光加热( 如图1 5 、图1 7 、图1 8 示) 。这种加热方式是由上下两个 专用灯管组或单面灯泡构成加热源，加热灯形状和数目因厂家和被处理的半导体 硅片尺寸而异，硅片位于双面加热灯中间或单面灯的下方进行快速加热。由于该 装置是线状或点状光源构成的面光源，为了达到均匀的加热效果，对各个灯管的 一致性要求很高；灯管的亮度随时间有所变化时，设备必须及时、准确地定量检 测出差值，并立即进行补偿。理论上讲，灯管的总数量越多，热源整体的可靠性 指标越低。而且，灯的数目越多，随之连带的传感器数目、驱动电路和控制系统 的规模就会相应增加。由此带来制造成本的大幅增加。但由于较小的腔体体积， 可以达到清洁的气氛，减少沾污，同时可以减少热预算。 ( 2 ) 高频感应加热，如图2 1 示。在石英腔体外缠绕线圈，石英腔体内放置 平行石墨加热板。当向线圈中通以高频电压，在线圈周边就会产生高频电磁场， 位于高频交变电磁场中的石墨板受到感应后发热成为热源，由此