文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了快速熱處理技術的原理、特點與應用。

在納米尺度集成電路制造領域，快速熱處理（RTP）技術已成為實現器件性能突破與工藝優化的核心工具。相較于傳統高溫爐管工藝，RTP通過單片式作業模式與精準的熱過程控制，有效解決了先進制程中熱預算控制、超淺結形成及工藝一致性的技術痛點。

快速熱處理工藝機理與特點

一、技術演進背景與核心需求

隨著半導體工藝向5nm及以下節點推進，器件特征尺寸持續縮小與300mm乃至450mm晶圓尺寸擴展成為并行趨勢。這一技術演進對熱處理工藝提出雙重挑戰：

超淺結形成：源漏區雜質分布需同時滿足低薄層電阻與亞10nm結深要求，傳統爐管工藝因升溫速率不足（<50℃/s）導致雜質橫向擴散加劇，難以維持陡直度；

熱預算限制：大尺寸晶圓在爐管退火中存在徑向溫度梯度（>10℃/cm），邊緣過沖效應顯著，制約了工藝窗口的擴展。

二、快速熱處理技術機理與實現路徑

RTP技術通過輻射加熱機制實現晶圓級瞬時熱沖擊，其技術特征可歸納為：

超快溫變速率：采用高功率鹵素燈陣或激光加熱，升溫/降溫速率突破250℃/s，遠超傳統爐管的5-10℃/s；

精準熱控制：嵌入式紅外測溫系統與閉環反饋控制，實現片內溫度均勻性±1℃（3σ），支持400-1400℃寬溫區動態調控；

低熱應力設計：石英支架三點支撐結構最小化熱接觸阻抗，配合真空或低壓環境，消除對流散熱干擾。

三、與傳統爐管工藝的性能對比

四、典型工藝及應用場景

超淺結雜質激活：針對超低能離子注入（<1keV），RTP通過毫秒級退火實現雜質電激活率>95%，同時將瞬時增強擴散（TED）效應抑制在2nm以內，有效緩解短溝道效應。

金屬硅化物形成：在Ni/Co硅化物制備中，RTP兩步法工藝（500℃成核+850℃合金化）可獲得低電阻率（<10μΩ·cm）的硅化物層，相較爐管工藝界面粗糙度降低60%。

介質層熱處理：對于摻磷二氧化硅（PSG）回流工藝，RTP的階梯式升溫曲線（400℃ → 600℃ → 900℃）實現間隙填充能力提升3倍，同時將硼穿透效應控制在0.5nm/s以下。

先進柵極工程：在高k金屬柵（HKMG）工藝中，RTP用于激活界面層氮化與金屬柵沉積后的快速退火，確保等效氧化層厚度（EOT）及柵極漏電流。

快速熱處理技術分類與應用

在先進半導體制造領域，快速熱處理（RTP）技術憑借其毫秒級溫變控制能力，已成為實現納米尺度器件性能突破的關鍵工藝。

根據加熱機制與能量傳輸方式的差異，RTP技術可細分為絕熱型、熱流型與等溫型三大技術路線，各類技術在熱沖擊特性、工藝適用性及集成度方面展現出獨特的優勢與挑戰。

一、絕熱型RTP：超快表面熱沖擊技術

技術特征：采用寬束相干光源（如準分子激光器），通過納秒級脈沖激光實現晶圓表面瞬時熔融。激光脈沖寬度<100ns，能量僅在表面數納米深度被吸收，形成縱向溫度梯度>10?℃/cm。如圖(a)所示，激光照射后熔融層在亞微秒內快速凝固，熱量尚未傳導至襯底即完成再結晶過程。

核心優勢：超淺結形成能力：表面熔融深度可通過能量密度精準調控（5-50nm），適用于超低能離子注入后的超淺結激活（結深<10nm）；零熱預算損耗：熱量未傳導至襯底，完美規避雜質擴散問題，特別適用于需要嚴格限制熱影響的3D NAND垂直溝道制備。

技術挑戰：需解決激光能量密度均勻性（±2%）控制難題，避免局部過熱導致的表面粗糙化；設備成本高昂，單脈沖能量穩定性需達到±1%以內，對光源壽命管理提出嚴苛要求。

典型應用：22nm以下節點FinFET的源漏區超淺結激活；3D集成中TSV側壁鈍化層的快速修復。

二、熱流型RTP：選擇性局部加熱方案

技術特征：采用高功率密度點光源（如CO?激光或電子束），通過光柵式掃描實現局部加熱。光束直徑<1mm，掃描速度可達100mm/s，單點停留時間10??~10?2s。如圖(b)所示，熱量在表面累積后向縱深傳導，形成深度約10μm的熱影響區。

核心優勢：空間選擇性加熱：可實現納米級熱區控制，適用于三維集成中的局部退火（如TSV底部歐姆接觸）；低熱應力設計：通過掃描路徑優化，可將熱應力梯度控制在<5MPa/μm，顯著降低晶圓翹曲風險。

技術挑戰：掃描重疊區域易產生過熱（>5%），需采用閉環反饋系統實時修正功率輸出；加熱效率低，單晶圓處理能耗是等溫型RTP的3-5倍。

典型應用：5nm節點GAA FET納米片邊緣鈍化；異質集成中III-V族材料與硅基底的低溫鍵合。

三、等溫型RTP：量產型全片均勻加熱

技術特征：采用寬束非相干光源（如鎢鹵燈陣列），通過石英窗對晶圓進行全片輻照加熱。退火時間1-100s，溫度均勻性±1℃（3σ），熱預算控制精度達0.1℃·s。如圖(c)所示，熱量通過熱輻射與熱傳導雙重機制傳遞，實現片內橫向/縱向溫度梯度<2℃/cm。

核心優勢：高吞吐量設計：單腔體處理能力>150wph（12英寸晶圓），設備綜合效率（OEE）>90%；工藝兼容性廣：支持從離子注入激活到金屬硅化物形成的全流程熱處理，特別適用于：NiSi/CoSi?硅化物制備（退火溫度400-600℃，電阻率<10μΩ·cm）；摻磷二氧化硅（PSG）介質層回流（溫度梯度<1℃/cm，填充能力提升3倍）。

技術挑戰：全片加熱導致熱預算較高，需通過脈沖式功率調制（PWM）將熱沖擊降低30%；燈管壽命管理至關重要，鎢鹵燈壽命>5000h，需配備自動更換模塊以維持產能。

典型應用：28nm以下節點后端制程（BEOL）的低介電常數（Low-k）介質固化；高遷移率溝道材料（如Ge、SiGe）的應變層退火。

四、技術路線對比與選型建議

研發階段超淺結探索：優先選用絕熱型RTP，以實現亞10nm結深控制；

先進封裝局部修復：熱流型RTP為首選，兼顧精度與熱應力控制；

大規模量產：等溫型RTP憑借高吞吐量與低成本優勢成為主流方案。

快速熱處理（RTP）退火技術特點

在先進半導體制造領域，快速熱處理（RTP）技術憑借其獨特的熱力學特性與工藝優勢，已成為突破深亞微米制程瓶頸的核心工具。相較于傳統高溫爐管工藝，RTP在加熱機制、熱響應速度及工藝可控性方面展現出革命性差異，其技術特性可歸納為以下六大維度：

一、加熱機制革新：從熱對流到輻射主導

傳統爐管依賴電阻絲加熱，通過熱對流與熱傳導實現晶圓升溫，屬于典型的“熱壁工藝”。而RTP采用寬譜輻射光源（如鎢鹵燈、氙燈），其波長范圍精準匹配硅材料的本征吸收帶，使晶圓吸收效率>90%。石英腔壁對此波段輻射透明，維持低溫狀態（<100℃），形成“冷壁工藝”，顯著降低背景粒子沾污風險。

二、溫度控制精度：從宏觀平衡到納米級調控

傳統爐管通過熱平衡實現溫度均勻性（±2℃），但響應速度滯后（時間常數>10min）。RTP則采用嵌入式紅外測溫儀（響應時間<1ms）與閉環反饋系統，實現：

片內均勻性：通過動態功率調制（PWM），將溫度偏差控制在±1℃（3σ）；

空間分辨率：支持局部加熱（<1mm2），適配三維集成中的TSV熱處理需求；

熱沖擊控制：脈沖式加熱（1000℃/s升溫）結合快速冷卻（>200℃/s降溫），實現超淺結（<8nm）激活。

三、熱響應速度：從分鐘級到毫秒級跨越

RTP的升降溫速率達10-200℃/s，較傳統爐管（5-50℃/min）提升2-3個數量級。這一突破源于：

低熱容設計：單片作業模式（300mm晶圓熱容~0.5J/℃）替代批處理（25片批熱容~12.5J/℃）；

高效能量耦合：輻射加熱直接作用于晶圓表面，熱傳遞路徑縮短90%；

快速抽氣系統：真空環境消除對流散熱，加速冷卻過程。

四、工藝環境優化：從熱壁污染到冷壁潔凈

傳統爐管的熱壁環境易導致：

金屬沾污：爐管內壁在1000℃以上釋放Fe、Cr等金屬離子（濃度>1E10atoms/cm2）；

顆粒生成：熱應力導致石英件剝落（顆粒尺寸>0.3μm）。

RTP的冷壁工藝將背景溫度控制在<150℃，使金屬污染降低90%；顆粒缺陷密度<0.01顆/cm2，滿足先進制程（<7nm）的潔凈度要求。

五、作業模式變革：從批處理到單片化生產

RTP的單片作業模式實現：

工藝靈活性：支持不同晶圓獨立設置工藝參數（溫度、時間、氣氛）；

產能優化：通過快速換片機構（<5s），實現UHP（單位小時產出）>150wph；

成本效益：相較于批處理爐管，單片RTP設備占地面積減少50%，能耗降低60%。

六、熱預算控制：從高能耗到綠色制造

傳統爐管的熱預算（Thermal Budget）高達1000℃·s以上，導致：雜質擴散失控：硼/磷擴散長度>50nm；界面劣化：高k介質/金屬柵界面層增厚（>1nm）。

RTP通過以下技術實現熱預算<10℃·s：瞬時加熱，毫秒級脈沖退火，抑制雜質擴散；選擇性激活，僅對注入層加熱，保護深埋層結構；低溫工藝擴展，支持200℃以下介質固化，適配柔性電子需求。