超大规模集成电路高温快速热处理技术与设备
清华大学微电子学研究所副研究员 林惠旺
在半导体专用设备领域,只要提起“RHT系列半导体快速热处理设备”,都会知道这是由清华大学微电子学研究所研制开发的有自主知识产权的产品。RHT设备已获四项中国专利、一项美国专利、一项日本专利；1990年、1991年先后获得国家发明二等奖、中国专利金奖。目前该设备已应用于大规模集成电路、Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体、微机械的研制与生产中。几年来已生产销售30多台，销售额 900多万元，为国家节省外汇1000多万美元。不仅满足了国内科研院所、大专院校、生产厂家的需求，而且还出口美国、香港，取得了明显的社会效益和一定的经济效益。
今天，在国家科技攻关项目的支持下，在清华大学微电子学研究所发明和研制人员的坚持不懈的努力下，RHT设备已形成批量生产，它是我国目前唯一能够出口，可与世界同类名牌产品竞争的超大规模集成电路工艺专用设备；替代了同类进口产品，同时还出口香港和美国。为了开辟国际市场，完成了对RHT设备电磁兼容指令、低电压指令、机械指令的改造，1997年获得德国技术监督协会莱茵CE认证，取得了进入欧共体市场的准入证。中国人要将这一拥有自主知识产权的RHT设备创为名牌产品，打入国际市场。
今天的成绩来之不易。首先是国家科技攻关的成果，其次还是发明者、研制者的爱国心、事业心、持之以恒争创民族品牌的结晶。
国家科技攻关 国际先进水平
半导体的发现，晶体管的诞生，集成电路的发展使人类有可能进入到当今的信息时代！硅芯片从单个晶体管发展到集成密度高达数千万个晶体管；特征线宽也从单管几毫米，缩小到当前超大规模集成电路（ULSI）的零点几微米（深亚微米），是进入今天信息时代的基础因素和核心技术。
要制作深亚微米特征尺寸的超大规模集成电路，关键要获得极浅的PN结。改变离子注入的能量，即可改变注入离子进入半导体片表面的深度，达到控制结深。但离子注入后的半导体主要靠退火工艺来激活注入的离子和消除注入造成的晶格损伤。而采用传统的扩散炉高温长时间退火工艺会造成注入离子的严重再扩散；只有采用快速热处理工艺的高温短时间退火才能既保持离子注入原有的分布，又彻底消除注入损伤。快速热处理工艺（RTP）有更低的热开销（Thermal budget）、更浅的结深、更陡的杂质分布，可满足超大规模集成电路低漏电流、高迁移率、短沟道长度的要求.
可以这样说，正是由于快速热处理工艺，使深亚微米器件进入工业化生产，从而大大促进了ULSI的突飞猛进。
早在“六五”期间，在洪堡基金会研究奖学金资助下，钱佩信教授在德国取得了优异成绩回国后，就将“离子注入退火技术研究”列入了“六五”国家科技攻关的子课题。在当时微电子学研究所所长李志坚院士的支持下，他带领一批骨干，从无到有建立了一套有别于传统思路的采用射频感应加热石墨板作为红外辐射热源的快速退火实验装置。经过反复实验研究、分析测试，获得了满意的予期效果。在此基础上，发明了RHT（Rapid Heat Treatment）系列半导体红外快速热处理技术和设备：采用射频感应上下两平行石墨板（现为扁平石墨方腔）作为平面辐射热源快速加热其间的半导体片。鉴于这项技术比起国外当时流行的灯管式退火炉有许多优点，尤其是在温度均匀性、快速加热稳定性、可靠性、可重复性等方面都是灯光退火设备无法比拟的，因此“六五”期间除申请了发明专利外，还进行了小批量3英寸硅片手动快速退火炉的生产，及时提供给国内有关研究单位使用。
为了开发成自动化的快速热处理设备，这项技术和设备又列入了“七五”国家科技攻关“光退火设备”项目。清华大学的攻关人员经过艰苦努力，在90年代初开发出第一台全自动4英寸硅片快速热处理设备，通过了电子部和教委主持的产品设计定型鉴定及专家验收。此后又进行了小批量生产，还先后出口香港，美国。
在“八五”期间，国家计委鉴于RHT专利设备比灯光型退火炉具有技术含量高，发展前景好，市场占有率高的特点，该项目又被列入“国家科技成果重点推广计划项目”。
RHT系列设备目前主要有二种机型：一种是片盒到片盒全自动产品RHT6000，第二种是具有密闭加热腔体结构的半自动产品RHT600M。RHT系列设备主要由以下几部分组成：红外热处理石英腔、RF感应加热器、光测高温计、单悬臂传送装卸片机构、气体管路以及工业控制计算机自动控制系统。RHT6000还有氮气锁装片室，激光定位的片盒到片盒取放片机械手；RHT600M还有气密性人工装片腔。
RHT半导体快速热处理技术已广泛应用于半导体片高浓度注入浅PN结快速退火，难熔金属硅化物形成，薄栅介质膜和硅化物快速热氮化，（硼）磷硅玻璃回流，短沟MOS工艺，半导体基片热施主消除以及砷化镓快速退火等。RHT设备热处理温度范围为600~1300°C,硅片尺寸为φ75~200mm。
1995年国家科委科技成果司召开“RHT半导体快速热处理设备和应用技术现场推广会”，几十位用户代表交流了应用RHT设备的技术成果，充分肯定了RHT设备。
争创民族品牌 RHT未来美好
RHT系列半导体快速热处理技术与设备是我国最早的发明专利之一，1987年6月15日取得发明专利证书。为了保护民族产品的自主知识产权， 1988年12月27日取得了美国发明专利证书。
随着ULSI特征线宽的减少，用快速退火炉替代传统扩散炉工艺是必然趋势，应该靠我们自己力量，将具有民族自主知识产权的国家科技攻关成果，开发成产品与国外灯光型设备竞争。
为了尽快将该科研成果转化成产品，更好地推进RHT设备的商品化的进程，使创民族品牌的工作有组织的保证，1990年底清华大学与香港共同投资创办了“北京华兴微电子有限公司”来承担对RHT设备的二次开发。
几年来华兴公司对RHT设备进行了重新设计，解决了大量技术难关，使开发生产的两种新产品RHT6000全自动设备和RHT600M小体积密闭式半自动设备在可靠性、稳定性方面达到与国外名牌产品可比拟的水平；同时在售后服务方面做到“想用户所想，急用户所急”，从而赢得了广大用户的好评，占领了国内的绝大部分市场。
经过大量调研，锗硅/硅异质结薄膜材料利用了能带工程技术，是新一代的硅基材料，具有研制高性能异质结晶体管（HBT）、异质结场效应晶体管（HMOSFET）、光探测器等器件，发展高性能低成本的微波、光电子材料，代替移动通讯领域GaAs微波功率器件的广阔用途。SiGe材料散热性能优于GaAs，微波性能与GaAs相近，而且在工艺上与成熟的硅工艺兼容，又是开发微波集成电路的新一代微电子、光电子材料。
攻关人员又将RHT技术应用到“红外快速加热高真空锗硅化学气相外延系统”。“锗硅外延系统”是国家自然科学基金和“九五”国家重点科技攻关项目，2000年1月21日通过了教育部主持的技术鉴定。1994年以来公司负责设备研制，微电子所负责工艺研究，共同努力，互相配合，研制成功具世界先进水平的外延系统和Φ100mmSiGe/Si薄膜材料。用该设备生长的材料已研制出性能良好的SiGe HBT及HMOSFET器件。其中SiGe HBT电流增益为100，fT达12.5GHz（采用金属陶瓷微带管壳封装），0.5µm沟长的P沟和N沟SiGe HMOSFET器件，跨导分别达到112mS/mm及290mS/mm。
该外延系统在总体结构设计上采用内外腔、石英方腔生长室及石墨加热器，设备的总体结构在国际上均为独创，所采用技术达世界先进水平。1998年已申请了“红外快速加热高真空锗硅化学气相外延系统”的发明专利。
由于不仅SiGe薄膜HBT具有代替移动通讯领域GaAs微波功率发射管的广阔应用前景，而且又是开发微波集成电路新一代微电子光电子材料。因此SiGe外延系统也是今后要大力发展的重要的半导体专用设备。
由于RHT系列设备特殊加热腔结构所固有的优良的温度均匀性随着石墨腔尺寸的加大不会改变，因此，RHT设备对于将来发展大直径硅片（300 mm 硅片）快速退火技术必将显示出其独特的优越性。
在半导体专用设备领域，“RHT半导体快速热处理设备”、“红外快速加热高真空锗硅化学气相外延系统”是具有我国自主知识产权的产品。目前国家经贸委提出实现装备国产化政策，是对研制生产民族产品的极大支持。随着国内半导体产业的迅速发展，上海和北京都已规划要新建几十条超大规模集成电路生产线，这给半导体快速热处理设备创造了很大的国内市场。
当前清华大学微电子学研究所的科研人员将抓住机遇，通过市场机制，引入风险投资，开发8?D12″的RHT设备，争创民族品牌，使RHT技术与设备不仅要占领国内市场，而且还将出口国际市场，为国家争光，为民族争气。
