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1、第六章快速热处理本讲稿第一页，共十四页热退火热退火本讲稿第二页，共十四页离子注入离子注入本讲稿第三页，共十四页 标准的炉管工艺无法缩短热处理时间。因为在炉管中硅片是标准的炉管工艺无法缩短热处理时间。因为在炉管中硅片是从边缘向中心加热的，为避免过大的温度梯度而造成硅片翘曲变从边缘向中心加热的，为避免过大的温度梯度而造成硅片翘曲变形，必须缓慢地升温和降温。形，必须缓慢地升温和降温。快速热处理系统通常都是单片式的。快速热处理工艺分为绝热型、快速热处理系统通常都是单片式的。快速热处理工艺分为绝热型、热流型和等温型，采用脉冲激光、连续激光、脉冲电子束与离子束、热流型和等温型，采用脉冲激光、连续激光、脉冲
2、电子束与离子束、红外光、宽带非相干光源（如卤钨灯和高频加热）等对硅片表面进行红外光、宽带非相干光源（如卤钨灯和高频加热）等对硅片表面进行加热，能在瞬时内加热到极高的温度。现在几乎所有的商用快速热处加热，能在瞬时内加热到极高的温度。现在几乎所有的商用快速热处理系统都采用等温型设计。理系统都采用等温型设计。6.1 6.1 快速热处理系统快速热处理系统快速热处理系统快速热处理系统本讲稿第四页，共十四页RTP System本讲稿第五页，共十四页RTP Temperature Change本讲稿第六页，共十四页Temperature of RTP&Furnace本讲稿第七页，共十四页 在等温型快速热处理
3、系统中，硅片放在反应腔内的石英支架上，用在等温型快速热处理系统中，硅片放在反应腔内的石英支架上，用一组高强度光源来加热硅片。高强度光源采用卤钨灯或惰性气体长弧放一组高强度光源来加热硅片。高强度光源采用卤钨灯或惰性气体长弧放电灯等。一个快速热处理系统常常需要电灯等。一个快速热处理系统常常需要 15 到到 30 支卤钨灯。支卤钨灯。6.2 高强度光源和反应腔设计高强度光源和反应腔设计 卤钨灯由密封的石英灯管和灯管中的螺旋形钨灯丝组成，灯管内充卤钨灯由密封的石英灯管和灯管中的螺旋形钨灯丝组成，灯管内充有有 PNBr2 等卤化气体。钨从加热的灯丝中挥发出来，淀积到石英等卤化气体。钨从加热的灯丝中挥发出
4、来，淀积到石英管壁上。当石英管壁加热时，卤化气体与管壁上的钨发生反应生管壁上。当石英管壁加热时，卤化气体与管壁上的钨发生反应生成可挥发的卤化钨，卤化钨扩散到比管壁热得多的灯丝上发生分成可挥发的卤化钨，卤化钨扩散到比管壁热得多的灯丝上发生分解，再重新把钨淀积到灯丝上。这种反馈机制避免了钨在管壁上解，再重新把钨淀积到灯丝上。这种反馈机制避免了钨在管壁上的过度淀积。的过度淀积。本讲稿第八页，共十四页RTP Chamber本讲稿第九页，共十四页Schematic of RTP Chamber本讲稿第十页，共十四页 快速热处理工艺的主要问题之一是快速热处理工艺的主要问题之一是 温度的均匀性问题温度的均匀
5、性问题温度的均匀性问题温度的均匀性问题，所以反应，所以反应腔的设计应围绕着怎样使硅片获得并维持均匀的温度。多数反应腔包含漫腔的设计应围绕着怎样使硅片获得并维持均匀的温度。多数反应腔包含漫反射的反射面，以使辐射在整个硅片上均匀分布。有多种因素使硅片边缘反射的反射面，以使辐射在整个硅片上均匀分布。有多种因素使硅片边缘的温度低于硅片中心。解决方法是将灯泡分为一组组可以独立控制的加热的温度低于硅片中心。解决方法是将灯泡分为一组组可以独立控制的加热区。这种设计还可以得到在某种情况下所希望的不均匀温度分布。区。这种设计还可以得到在某种情况下所希望的不均匀温度分布。本讲稿第十一页，共十四页Lamp Arra
6、y本讲稿第十二页，共十四页 6.6 介质的快速热加工介质的快速热加工 深亚微米器件需要制作极薄的深亚微米器件需要制作极薄的 SiO2 层。可以通过降低氧化温度来层。可以通过降低氧化温度来降低氧化速率，但是在较低的氧化温度下，固定电荷和界面态密度都会增加。降低氧化速率，但是在较低的氧化温度下，固定电荷和界面态密度都会增加。分压氧化也能得到高质量的薄氧化层，但存在杂质的再分布问题。因此，快分压氧化也能得到高质量的薄氧化层，但存在杂质的再分布问题。因此，快速热氧化（速热氧化（RTO）工艺成为一种有吸引力的替代方案，因为它可以在）工艺成为一种有吸引力的替代方案，因为它可以在适当的高温下通过短时间氧化来
7、减薄氧化层厚度。适当的高温下通过短时间氧化来减薄氧化层厚度。所有的快速热氧化都是干氧工艺。实验结果表明氧化层厚度随时所有的快速热氧化都是干氧工艺。实验结果表明氧化层厚度随时间线性增加，间线性增加，1150时的氧化速率约为时的氧化速率约为 0.3 nm/s。快速热氧化生长的。快速热氧化生长的氧化层的击穿特性良好，但因温度不均匀而影响了氧化速率的均氧化层的击穿特性良好，但因温度不均匀而影响了氧化速率的均匀性。匀性。本讲稿第十三页，共十四页 对于快速热氧化，难以建立一个与实际情况符合得很好的氧化速对于快速热氧化，难以建立一个与实际情况符合得很好的氧化速率模型。原因是率模型。原因是 1、快速热氧化属于初始阶段的氧化；、快速热氧化属于初始阶段的氧化；2、快速热氧化的氧化温度难以精确测量，所测温度的误差有时高达、快速热氧化的氧化温度难以精确测量，所测温度的误差有时高达 50；3、光子辐照可增加氧化速率。、光子辐照可增加氧化速率。O2 分子在光子辐照下分解为分子在光子辐照下分解为 O-离子，离子，O-离子在空间电场中的漂移会加快其向离子在空间电场中的漂移会加快其向 Si 界面的移动。这个效应对界面的移动。这个效应对 P+衬底衬底最强，而最强，而 N+衬底则没有这个效应。此外，不同的光源有不同的光子辐衬底则没有这个效应。此外，不同的光源有不同的光子辐照强度。照强度。本讲稿第十四页，共十四页