第第第第6 6 章章章 章 快速热处理快速热处理快速热处理快速热处理快速热处理最初的开发是用于离子注入后的退火，现在已 扩展到氧化、化学汽相淀积、外延、硅化物生长等。集成电路制造工艺的某些工序需要高温，如扩散、氧化、 离子注入后的退火、薄膜淀积等。但是高温会使已经进入硅片 的杂质发生不希望的再分布，对小尺寸器件的影响特别严重。 减小杂质再分布的方法是快速热处理，即在极短的时间内使硅 片表面加热到极高的温度，从而在较短的时间（快速热处理最初的开发是用于离子注入后的退火，现在已 扩展到氧化、化学汽相淀积、外延、硅化物生长等。集成电路制造工艺的某些工序需要高温，如扩散、氧化、 离子注入后的退火、薄膜淀积等。但是高温会使已经进入硅片 的杂质发生不希望的再分布，对小尺寸器件的影响特别严重。 减小杂质再分布的方法是快速热处理，即在极短的时间内使硅 片表面加热到极高的温度，从而在较短的时间（103 102 s） 内完成热处理。） 内完成热处理。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、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、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理系统都采用等温型设计。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、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、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 或惰性气体长弧放电灯等。一个快速热处理系统常常需要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 6.2 高强度光源和反应腔设计高强度光源和反应腔设计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， 灯管内充有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PNBr2 等卤化气体。钨从加热的灯丝中挥发出来， 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 避免了钨在管壁上的过度淀积。等卤化气体。钨从加热的灯丝中挥发出来， 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 避免了钨在管壁上的过度淀积。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性问题温度的均匀性问题温度的均匀性问题，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。，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。6.6 6.6 介质的快速热加工介质的快速热加工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，快速热氧化（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。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（RTO）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 度随时间线性增加，）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 度随时间线性增加，1150时的氧化速率约为时的氧化速率约为0.3nm/s 。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 了氧化速率的均匀性。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 了氧化速率的均匀性。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+衬底最强，而衬底最强，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照强度。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。