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随着互补金属氧化物半导体元器件的逻辑节尺寸不断微缩,其纳米制程对快速热退火工艺的要求也日益苛刻。堆栈型微尺度晶圆片在激光尖峰热处理过程中,由于其表面图案引起的“图案效应”会造成晶圆片内非均匀的温度分布,产生多余热应力和晶体缺陷,进而导致晶体管失效,因此成为目前半导体元器件制作过程中急需解决的问题之一。基于此,本文对五种堆栈型微尺度晶圆片在二氧化碳激光尖峰热处理过程中温度场与应力场分布进行了数值模拟,研究结果为减弱“图案效应”提供理论支持。本文首先基于热传导方程,采用有限元模拟软件COMSOL对连续的二氧化碳激光照射条件下堆栈型微尺度晶圆片进行了三维数值模拟,得到了堆栈型微尺度晶圆片的温度场分布,然后引用单晶硅、多晶硅、二氧化硅和氮化硅的力学参数(弹性模量、泊松比和热膨胀系数),将计算所得的温度作为载荷施加到堆栈型微尺度晶圆片力学模型之中,模拟堆栈型微尺度晶圆片在激光尖峰热处理过程中的应力场分布。得出以下主要结论:(1)激光功率和加热时间对堆栈型微尺度晶圆片温度分布的影响。固定激光功率条件下,堆栈2(单晶硅/多晶硅)和堆栈5(单晶硅/多晶硅/氮化硅)的表面尖峰温度随加热时间增加呈线性增长形式,堆栈3(单晶硅/多晶硅/二氧化硅)和堆栈4(单晶硅/多晶硅/二氧化硅/氮化硅)的表面尖峰温度随加热时间增加呈阶梯型增长规律,堆栈型微尺度晶圆片在深度方向上,等温线的扩散距离随加热时间的增大先不变后剧增。相同加热时间条件下,堆栈型微尺度晶圆片表面尖峰温度随激光功率增加呈线性增长形式,堆栈型微尺度晶圆片在深度方向上,等温线的扩散距离随激光功率的增大而增大。同时固定加热时间和激光功率,堆栈层表面温度逐渐降低,幅度不大。(2)激光功率和加热时间对堆栈型微尺度晶圆片应力分布的影响。当加热时间不变时,堆栈型微尺度晶圆片在深度方向的米塞斯应力随着激光功率的增大而增大。固定激光功率,激光加热时间在400μs、600μs冲和800μs畔时,在不同堆栈微尺度晶圆片深度方向上左端的米塞斯应力比右端的米塞斯应力大,激光加热时间在1000μs时,右端的米塞斯应力最大。不同堆栈表面的米塞斯应力随着加热时间的增加先减小后增大。最大应力出现在多晶硅的边缘,堆栈型微尺度晶圆片最危险部位或易发生层裂处是多晶硅表面。