微尺度堆栈式晶圆片在激光退火工艺中温度分布研究

摘要

随着半导体产业的蓬勃发展，互补金属氧化物半导体元器件的尺寸不断微缩，其纳米制程对快速热退火工艺的要求也日益苛刻。在激光尖峰退火过程中，由于表面图案引起的晶圆片激光尖峰退火工艺中出现的“图案效应”，会造成晶圆片内温度非均匀分布、多余热应力和晶体缺陷的产生，进而导致晶体管电学性能变异，因此成为目前半导体元件纳米制程亟需解决的重要问题之一。基于此，本文进行了不同堆栈结构晶圆片在二氧化碳激光器尖峰退火过程中温度分布的数值模拟，研究结果将为优化晶圆片激光退火工艺，消除“图案效应”提供理论支持。 首先，基于Rad-Pro软件，对五种不同堆栈结构表面辐射特性（吸收率和反射率）进行了计算;在此基础上，利用COMSOL软件固体传热模块建立了二氧化碳激光器热辐射堆栈晶圆片传热过程的数学模型，研究了不同激光功率和加热时间下堆栈式晶圆片的温度分布。得出以下几方面结论: (1)不同堆栈结构晶圆片表面吸收率随温度变化规律。 堆栈1（单晶硅）:吸收率值稳定在0.683左右; 堆栈2（单品硅/多晶硅）:吸收率初值为0.676，随着温度升高，吸收率减小到0.528; 堆栈3（单晶硅/多晶硅/二氧化硅）:吸收率初值为0.747，随着温度升高，吸收率不断减小，终值为0.542; 堆栈4（单晶硅/多晶硅/二氧化硅/氮化硅）:吸收率初始值为0.752，随着温度升高，吸收率减小到0.546; 堆栈5（单晶硅/多晶硅/氮化硅）:吸收率初始值为0.675，随着温度升高，吸收率值在不断减小，终值为0.531。 (2)激光功率和加热时间对堆栈式晶圆片表面温度分布影响。 堆栈2:当时间不变，不断增大激光功率时，尖峰温度逐渐升高，能量主要聚集在上表面，向四周的扩散不明显;当功率不变，不断增加时间，温度逐渐向四周扩散;当功率为300W，时间为1000μs时，尖峰温度最大，垂直方向等温线剖面图温差最小。 堆栈3:保持时间不变，逐渐增大激光功率，尖峰温度不断升高，但是向晶圆片四周扩散不明显，能量主要聚集在上表层;当改变加热时间，功率不变时，等温线逐渐向四周扩散;当功率为250W，时间为1000μs时，尖峰温度最高，垂直方向等温线剖面图不同等温线之间的间隔最大。 堆栈4:保持加热时间不变，不断增大激光功率，尖峰温度不断升高，但是能量多集中在上表面，不向下扩散;保持功率不变，增加加热时间，堆栈表现出一个明显的扩散过程;当功率为240W，时间为1000μs时，尖峰温度最高，堆栈垂直方向温差最小。 堆栈5:时间不变，增大激光功率，尖峰温度升高，能量向晶圆片四周的扩散不明显;当保持激光功率不变，增加加热时间，能量扩散明显，当功率为300W，时间为1000μs时，尖峰温度最高，垂直方向等温线间隔最大。 同时，以上5个堆栈结构表面尖峰温度满足:当加热时间不变时，与激光功率成线性相关;当激光功率不变时，与加热时间成抛物线式增长。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2研究进展

1．2．1热退火工艺研究进展

1．2．2微尺度晶圆片图案结构表面辐射特性研究进展

1．2．3传统快速热退火工艺中图案效应研究进展

1．2．4晶圆片激光尖峰退火工艺中温度分布研究进展

1．3研究内容与方法

第2章基本理论与方法

2．1麦克斯韦方程组

2．2辐射特性

2．3 Rad-Pro软件

2．4 COMSOL软件

第3章晶圆片表面吸收率的计算

3．1多层结构辐射特性的确定

3．1．1相干公式

3．1．2非相干公式

3．2光学常数的确定

3．2．1轻掺杂光学常数的经验模型

3．2．2掺杂硅光学常数的德鲁德模型

3．2．3其他材料的光学常数

3．3堆栈结构

3．4软件验证

3．5计算结果

3．5．1堆栈1表面辐射特性

3．5．2堆栈2表面辐射特性

3．5．3堆栈3表面辐射特性

3．5．4堆栈4表面辐射特性

3．5．5堆栈5表面辐射特性

3．6本章小结

第4章微尺度晶圆片在激光尖峰退火过程中温度模拟

4．1模型建立及参数设置

4．1．1物理模型建立

4．1．2参数设置

4．1．3网格划分

4．2固体传热模块

4．3数学模型验证

4．4模拟结果及其分析

4．4．1堆栈2温度分布

4．4．2堆栈3温度分布

4．4．3堆栈4温度分布

4．4．4堆栈5温度分布

4．5本章小结

第5章结论

参考文献

致谢