110322第7章-热处理技术课件

*1第7章热处理技术7.1热处理的作用7.2常见热处理设备

*27.1热处理的作用离子注入对热处理的要求：热退火为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理。杂质激活为了对电性能有贡献，注入的杂质必须占据晶格的位置。此外，为了要使载流子的迁移率回到合理的数值，晶格间的断键也要修复。

*37.1热处理的作用扩散工艺氧化工艺化学气相淀积外延生长

*47.1热处理的作用常见的热处理的问题晶圆加热和冷却的均匀性加热与冷却时间保持迅速加工过程中维持恒温的能力圆片温度的测量方法

*57.2常见热处理设备7.2.1热处理设备用于热工艺的基本设备有三种：卧式炉命名来自石英管的位置，在上世纪90年代，逐渐被立式炉所取代

*6卧式扩散炉

*77.2常见热处理设备立式炉又称立式扩散炉或VDF，和卧式炉相比，其优点有更容易自动化，改善操作者的安全，减少颗粒污染，可以更好的控制温度和加热的均匀性。

*8立式扩散炉

*97.2常见热处理设备卧式与立式炉的比较性能卧式炉立式炉常规装载硅片数目200片/炉100片/炉硅片的温度梯度大小装载硅片技术自动化困难使用机器人技术舟旋转无法完成很容易实现成本低高

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*117.2常见热处理设备

卧式和立式炉被认为是常规的热壁（hotwall）炉体，因为硅片和炉体都需要加热，并且可以同时处理大量的硅片（100~200片）。常规炉体以20度/分的速率升高或降低硅片温度。处理时间相对较长（超过10分钟）的热处理过程。

另外，卧式炉和立式炉是为常压氧化和扩散技术设计的

*127.2常见热处理设备快速热处理（Rapidthermalprocessing,RTP）是一种小型的快速加热系统，带辐射源和冷却源，通常一次处理一片硅片。

RTP技术的使用范围很广。它可以快速升至工艺要求的温度（200~1300℃），并快速冷却，通常升（降）温速度为20~250℃/秒；此外，RTP还可以出色地控制工艺气体。用RTP取代慢速热处理工艺还可以大大缩短生长周期，因此对于良率提升阶段来说RTP技术特别有价值

*137.2常见热处理设备7.2.2立式炉的组成工艺腔硅片传输系统气体分配系统尾气系统温控系统

*14Heater1Heater2Heater3PressurecontrollerGasflowcontrollerWaferhandlercontrollerBoatloaderExhaustcontrollerTemperaturecontrollerMicrocontrollerWaferload/unloadsystemBoatmotordrivesystemQuartzboatQuartzprocesschamberThree-zoneheaterGaspanelProcessgascylinderExhaust

*157.2常见热处理设备工艺腔工艺腔，通常又称为炉管，是对硅片加热的场所。它由垂直的石英罩，多区加热电阻丝和加热管套组成。通常加热区的数目从3~7个。即使在1000度以上，仍可以控制温度上升幅度在0.25度以内

*167.2常见热处理设备温度控制原理

精确控制炉管温度的能力对炉体是很关键的。主要是通过热电偶传感器探测温度，并将其转换为电压信号给炉子的控制器。

*17侧热电偶（ProfileTC）：置于工艺腔的内部，用于测量硅片表面附近的温度。控温热电偶（SpikeTC）：置于工艺腔外部，用于测量加热电阻丝的温度。过温热电偶（AlertTC）：置于工艺腔外部，用于监测最大加热温度

*187.2常见热处理设备2.硅片传输系统硅片传输系统的主要功能是在工艺腔中装卸硅片。其主要在以下四个位置之间运动：

*197.2常见热处理设备3.气体分配系统气体分配系统是通过将正确的气流传送到炉管内来维持炉内相应的氛围。气体分类实例通用惰性气体Ar,N2还原气体H2氧化气体O2特种硅源气体SiH4,DCS(二氯硅烷)，H2SiCl2掺杂气体AsH3,PH3,B2H6反应气体NH3,HCl大气/净化气体N2,He其他特种气体WF6

*20O2O2Combustionchamber(burnboxorflowreactor)FilterResidueExcesscombustiblegasburnsinhotoxygenrichchamberGasfromfurnaceprocesschamberTofacility’sexhaustsystemWetscrubberRecirculatedwater尾气

*217.2常见热处理设备4.控制系统控制系统控制着炉子的所有操作，如工艺时间和温度控制，工艺步骤地顺序，气体种类，气流速率、升降温的速率和装卸硅片等

*22卧式炉

最早使用也一直延续至今。主要用在氧化、扩散、热处理及各种淀积工艺中。水平炉管反应炉的截面图如下：整个系统包含

反应室、温度控制系统、反应炉、气体柜、清洗站、装片站等

*23传统快速升温0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800 20 40 60 80 100 120 140 160 1801200100080060040012001000800600400Time(minutes)Time(minutes)Temperature(°C)Temperature(°C)

*247.2常见热处理设备7.2.3快速热处理（RTP）快速热处理（RTP）是在非常短的时间内（经常是几分之一秒），将单个硅片加热至400~1300度。相对于立式炉，RTP的主要特点有：同时加热一片硅片冷壁（coldwall）技术短时间加热和冷却硅片温度加热均匀性杂质运动最小

*257.2常见热处理设备

大多数RTP采用多盏卤钨灯组装在一起作为热源，一般安装在硅片的顶部和底部，数量从25盏到150盏。这种方式可以使热量直接加至硅片，同时对腔壁不加热，因而称之为冷壁方式。

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*27TemperaturecontrollerAxisymmetriclamparrayWaferReflectorplateOpticalfibersPyrometerHeaterheadFeedbackvoltagesSetpointvoltages

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*297.2常见热处理设备

温度控制的方法

热电偶采用热电偶直接和硅片接触，测量硅片的表面温度。缺点：由于是点接触产生的热阻，热电偶响应时间慢易在接触点产生应力热电偶和硅片产生化学反应

*307.2常见热处理设备

光学高温计（P132）它是通过对硅片加热，探测其红外辐射完成温度测量。

声学测温计根据声音在硅中的速度是衬底温度的线性函数，通过声学传感器就可以得到声速，从而求得整个晶圆上的温度分布

*317.2常见热处理设备RTP系统快速升温降温可以提供所需的控制能力。

RTP时间/温度曲线如下：

*327.2常见热处理设备RTP应用总结用于离子注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质使淀积膜变的致密，如氧化膜硅化物的形成

*337.2常见热处理设备杂质快速热激活电激活率：自由载流子数和注入剂量的比。砷——极短的时间就可以获得较高的激活水平。硼——低剂量（8x1012/cm2）的情况下，电激活比例随着温度升高而升高。在高剂量下（1014/cm2）,500~600度退火，随着退火温度的升高，电激活率反而下降。600度以上，电激活比例随着温度上升而上升。

*347.2常见热处理设备快速热氧化为了得到薄氧化层，可以采用降低氧化温度的方法。除此之外，还可采用快速热氧化的方法（RTO），可以在合适的高温下实现短时间的热氧化。另外，为增加薄氧化层的阻挡杂质的能力，通常可以用氮化的氧化层来实现。可以通过直接在NO或N2O氛围中生长氧化层。

*35热氧化工艺图WetCleanChemicals%solutionTemperatureTimeOxidationFurnaceO2,H2,N2,ClFlowrateExhaustTemperatureTemperatureprofileTimeInspectionFilmthicknessUniformityParticlesDefects

*36干法氧化工艺

*3716014Filler(dummy)wafers4Filler(dummy)wafers1Testwafer1Testwafer1Testwafer75Productionwafers75ProductionwafersCalibrationparameters:Boatsize:160wafersBoatpitch:0.14inchWafersize:8inchesEle