一、技术演进背景与核心需求

随着半导体工艺向5nm及以下节点推进，器件特征尺寸持续缩小与300mm乃至450mm晶圆尺寸扩展成为并行趋势。这一技术演进对热处理工艺提出双重挑战：

超浅结形成：源漏区杂质分布需同时满足低薄层电阻与亚10nm结深要求，传统炉管工艺因升温速率不足（<50℃/s）导致杂质横向扩散加剧，难以维持陡直度；

热预算限制：大尺寸晶圆在炉管退火中存在径向温度梯度（>10℃/cm），边缘过冲效应显著，制约了工艺窗口的扩展。

二、快速热处理技术机理与实现路径

RTP技术通过辐射加热机制实现晶圆级瞬时热冲击，其技术特征可归纳为：

超快温变速率：采用高功率卤素灯阵或激光加热，升温/降温速率突破250℃/s，远超传统炉管的5-10℃/s；

精准热控制：嵌入式红外测温系统与闭环反馈控制，实现片内温度均匀性±1℃（3σ），支持400-1400℃宽温区动态调控；

低热应力设计：石英支架三点支撑结构最小化热接触阻抗，配合真空或低压环境，消除对流散热干扰。

三、与传统炉管工艺的性能对比

四、典型工艺及应用场景

超浅结杂质激活：针对超低能离子注入（<1keV），RTP通过毫秒级退火实现杂质电激活率>95%，同时将瞬时增强扩散（TED）效应抑制在2nm以内，有效缓解短沟道效应。

金属硅化物形成：在Ni/Co硅化物制备中，RTP两步法工艺（500℃成核+850℃合金化）可获得低电阻率（<10μΩ·cm）的硅化物层，相较炉管工艺界面粗糙度降低60%。

介质层热处理：对于掺磷二氧化硅（PSG）回流工艺，RTP的阶梯式升温曲线（400℃ → 600℃ → 900℃）实现间隙填充能力提升3倍，同时将硼穿透效应控制在0.5nm/s以下。

先进栅极工程：在高k金属栅（HKMG）工艺中，RTP用于激活界面层氮化与金属栅沉积后的快速退火，确保等效氧化层厚度（EOT）及栅极漏电流。

在先进半导体制造领域，快速热处理（RTP）技术凭借其毫秒级温变控制能力，已成为实现纳米尺度器件性能突破的关键工艺。

根据加热机制与能量传输方式的差异，RTP技术可细分为绝热型、热流型与等温型三大技术路线，各类技术在热冲击特性、工艺适用性及集成度方面展现出独特的优势与挑战。

一、绝热型RTP：超快表面热冲击技术

技术特征：采用宽束相干光源（如准分子激光器），通过纳秒级脉冲激光实现晶圆表面瞬时熔融。激光脉冲宽度<100ns，能量仅在表面数纳米深度被吸收，形成纵向温度梯度>10⁶℃/cm。如图(a)所示，激光照射后熔融层在亚微秒内快速凝固，热量尚未传导至衬底即完成再结晶过程。

核心优势：超浅结形成能力：表面熔融深度可通过能量密度精准调控（5-50nm），适用于超低能离子注入后的超浅结激活（结深<10nm）；零热预算损耗：热量未传导至衬底，完美规避杂质扩散问题，特别适用于需要严格限制热影响的3D NAND垂直沟道制备。

技术挑战：需解决激光能量密度均匀性（±2%）控制难题，避免局部过热导致的表面粗糙化；设备成本高昂，单脉冲能量稳定性需达到±1%以内，对光源寿命管理提出严苛要求。

典型应用：22nm以下节点FinFET的源漏区超浅结激活；3D集成中TSV侧壁钝化层的快速修复。

二、热流型RTP：选择性局部加热方案

技术特征：采用高功率密度点光源（如CO₂激光或电子束），通过光栅式扫描实现局部加热。光束直径<1mm，扫描速度可达100mm/s，单点停留时间10⁻⁴~10⁻²s。如图(b)所示，热量在表面累积后向纵深传导，形成深度约10μm的热影响区。

核心优势：空间选择性加热：可实现纳米级热区控制，适用于三维集成中的局部退火（如TSV底部欧姆接触）；低热应力设计：通过扫描路径优化，可将热应力梯度控制在<5MPa/μm，显著降低晶圆翘曲风险。

技术挑战：扫描重叠区域易产生过热（>5%），需采用闭环反馈系统实时修正功率输出；加热效率低，单晶圆处理能耗是等温型RTP的3-5倍。

典型应用：5nm节点GAA FET纳米片边缘钝化；异质集成中III-V族材料与硅基底的低温键合。

三、等温型RTP：量产型全片均匀加热

技术特征：采用宽束非相干光源（如钨卤灯阵列），通过石英窗对晶圆进行全片辐照加热。退火时间1-100s，温度均匀性±1℃（3σ），热预算控制精度达0.1℃·s。如图(c)所示，热量通过热辐射与热传导双重机制传递，实现片内横向/纵向温度梯度<2℃/cm。

核心优势：高吞吐量设计：单腔体处理能力>150wph（12英寸晶圆），设备综合效率（OEE）>90%；工艺兼容性广：支持从离子注入激活到金属硅化物形成的全流程热处理，特别适用于：NiSi/CoSi₂硅化物制备（退火温度400-600℃，电阻率<10μΩ·cm）；掺磷二氧化硅（PSG）介质层回流（温度梯度<1℃/cm，填充能力提升3倍）。

技术挑战：全片加热导致热预算较高，需通过脉冲式功率调制（PWM）将热冲击降低30%；灯管寿命管理至关重要，钨卤灯寿命>5000h，需配备自动更换模块以维持产能。

典型应用：28nm以下节点后端制程（BEOL）的低介电常数（Low-k）介质固化；高迁移率沟道材料（如Ge、SiGe）的应变层退火。

四、技术路线对比与选型建议

研发阶段超浅结探索：优先选用绝热型RTP，以实现亚10nm结深控制；

先进封装局部修复：热流型RTP为首选，兼顾精度与热应力控制；

大规模量产：等温型RTP凭借高吞吐量与低成本优势成为主流方案。

在先进半导体制造领域，快速热处理（RTP）技术凭借其独特的热力学特性与工艺优势，已成为突破深亚微米制程瓶颈的核心工具。相较于传统高温炉管工艺，RTP在加热机制、热响应速度及工艺可控性方面展现出革命性差异，其技术特性可归纳为以下六大维度：

一、加热机制革新：从热对流到辐射主导

传统炉管依赖电阻丝加热，通过热对流与热传导实现晶圆升温，属于典型的“热壁工艺”。而RTP采用宽谱辐射光源（如钨卤灯、氙灯），其波长范围精准匹配硅材料的本征吸收带，使晶圆吸收效率>90%。石英腔壁对此波段辐射透明，维持低温状态（<100℃），形成“冷壁工艺”，显著降低背景粒子沾污风险。

二、温度控制精度：从宏观平衡到纳米级调控