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快速熱處理用在哪裏?

快速熱處理(Rapid thermal processing,RTP)是壹種短時間內將晶圓快速加熱到設定溫度的方法,熱處理時間通常小於1~2分鐘。在過去的幾年中,RTP逐漸成為先進半導體制造的必要工藝,用於氧化、退火、金屬矽化物形成和快速熱化學沈積。

RTP系統采用輻射熱源逐片加熱晶片,溫度測量和控制由高溫計完成。過去傳統的熱處理工藝采用批量高溫爐,大量的晶圓在同壹個爐管內同時加熱。間歇式高溫爐仍被廣泛使用,更適用於處理時間相對較長(10分鐘以上)的熱處理工藝。

RTP技術應用廣泛。能迅速升至工藝要求的溫度(200~1300℃),並迅速冷卻,通常以20~250℃/ s的速度;此外,RTP還可以很好地控制工藝氣體。因此,RTP可以在壹個配方中完成復雜的多階段熱處理工藝。RTP在短時間內快速升溫和處理的能力非常重要,因為先進的半導體制造要求熱處理時間要盡可能縮短,雜質擴散的程度要受到限制。用RTP代替慢熱處理工藝也可以大大縮短生長周期,因此RTP技術對於良率提高階段尤其有價值。

RTP系統有許多加熱結構、熱源和溫度控制方法。其中,用多排鹵化鎢燈加熱晶片是最常用的方法,因為它提供的熱源容易控制,方便有效,快捷。在RTP系統中,熱源直接面對晶圓表面,而不是像批量高溫爐那樣加熱晶圓邊緣。因此,RTP系統在處理大直徑晶圓時,不會影響工藝處理的均勻性和升溫(降溫)速度。壹般RTP系統還有晶圓旋轉功能,使得熱處理均勻性更好。

目前最先進的RTP系統可以在3 s內精確控制晶片表面的溫度分布

RTP的另壹個關鍵因素是溫度的測量和控制。圖1是由高溫計控制的RTP系統的示意圖,高溫計測量晶片背面的溫度。早期的RTP系統存在重復性差的問題,因為晶圓背面塗層不同時,光譜發射率會發生變化,導致溫度讀數錯誤。目前的RTP系統包含復雜的發射率校正系統,熱處理重復性非常好。

RTP的壹個重要應用是激活離子註入雜質形成超薄鍵。該工藝要求熱處理系統具有快速加熱和冷卻的功能,因為離子註入後,必須將晶圓加熱到1050℃左右進行高溫退火,以去除離子註入造成的損傷,激活註入的雜質,同時必須縮短高溫處理時間,使雜質離子的擴散最小化。為此,人們開發了壹種尖峰退火法,使晶片可以快速加熱,然後立即冷卻。

RTP的另壹個重要應用是金屬矽化物的形成。在此過程中,金屬薄膜與源極、漏極和柵極區域中的矽反應,形成金屬矽化物。在高級邏輯工藝中,常用的金屬是鈷,正在為65納米工藝開發鎳。金屬矽化物形成過程通常在500℃以下進行,晶片必須在高純氣體保護的環境中加熱,因為金屬膜對氧化反應非常敏感。RTP系統非常適合這種工藝。由於RTP的反應器較小,很容易通入高純度氣體進行凈化,形成非常潔凈的反應環境。

RTP在氧化反應中的作用越來越重要。由於RTP可以使用多種氣體進行高溫快速熱處理,因此可以精確控制工藝條件,生成性能優異的氧化膜。由RTP產生的氧化膜通常用於柵極介電材料、氧化膜和淺溝槽隔離(STI)墊。氣體中的水蒸氣為RTP開創了壹個新的應用領域。例如,用富含H2的蒸汽選擇性氧化含鎢柵疊層結構已經引起了先進DRAM技術的特別關註。

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