退火工藝（Thermal Annealing）介紹

退火工藝又稱為熱退火 （Thermal Annealing），其過(guò)程是將硅片放置于較高溫度環(huán)境中一定的時(shí)間，使硅片表面或內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以達(dá)到特定的工藝目的。退火工藝的最關(guān)鍵的參數(shù)為溫度和時(shí)間，溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，熱預(yù)算（Thermal Budget）越高。在實(shí)際集成電路制造工藝中，熱預(yù)算都有嚴(yán)格的控制。如果工藝流程中有多步退火工藝，則熱預(yù)算就可以表達(dá)為多次熱處理的疊加，即

DT（eff）=DT（1）+DT（2）+…+DT（n）

隨著工藝節(jié)點(diǎn)的微縮，在整個(gè)工藝過(guò)程中容許的熱預(yù)算越來(lái)越少，即高溫?zé)徇^(guò)程的溫度變低、時(shí)間變短。 通常，退火工藝是與其他工藝（如離子注入、薄膜沉積、金屬硅化物的形成等）結(jié)合在一起的，最常見(jiàn)的就是離子注入后的熱退火。離子注入會(huì)撞擊襯底原子，使其脫離原本的晶格結(jié)構(gòu)，而對(duì)襯底晶格造成損傷。熱退火可修復(fù)離子注入時(shí)造成的晶格損傷，還能使注入的雜質(zhì)原子從晶格間隙移動(dòng)到晶格點(diǎn)上，從而使其激活。晶格損傷修復(fù)所需的溫度約為 500°C，雜質(zhì)激活所需的溫度約為950°C 。

理論上，退火時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越高，雜質(zhì)的激活率越高，但是過(guò)高的熱預(yù)算將導(dǎo)致雜質(zhì)過(guò)度擴(kuò)散，使得工藝不可控，引發(fā)最終的器件和電路性能退化。因此，隨著制造工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間爐管退火已逐漸被快速熱退火（Rapid Thermal Annealing， RTA）取代。 在制造工藝中，某些特定的薄膜在沉積后需要經(jīng)過(guò)熱退火過(guò)程，以使薄膜的某些物理或化學(xué)特性發(fā)生變化。例如，疏松的薄膜變得致密，改變其在干法刻蝕或濕法刻蝕時(shí)的速率；或者在高k柵介質(zhì)生長(zhǎng)后進(jìn)行退火 （Post Deposition Annealing， PDA），改善高k介質(zhì)的特性，可降低柵泄漏電流，并提高介電常數(shù)。還有一種使用得較多的退火工藝發(fā)生在金屬硅化物 （Silicide）形成過(guò)程中。

金屬薄膜如鈷、鎳、鈦等被濺射到硅片表面，經(jīng)過(guò)較低溫度的快速熱退火，可使金屬與硅形成合金。某些金屬在不同的溫度條件下形成的合金相不同，一般在工藝中希望形成接觸電阻和本體電阻均較低的合金相。 如前所述，根據(jù)熱預(yù)算需求的不同，退火工藝分為高溫爐管退火和快速熱退火。高溫爐管退火是一種傳統(tǒng)的退火方式，其溫度較高且退火時(shí)間較長(zhǎng)，熱預(yù)算很高。在一些特殊的工藝中，如注氧隔離技術(shù) （ Seperation by Implantation of Oxygen，SIMOX）制備 SOI 襯底、深n井（Deep n-Well）擴(kuò)散驅(qū)入 （Drive-in）工藝中應(yīng)用較多，此類工藝一般需要通過(guò)高的熱預(yù)算來(lái)獲得完美的晶格或均勻的雜質(zhì)分布。

快速熱退火是用極快的升/降溫和在目標(biāo)溫度處的短暫停留對(duì)硅片進(jìn)行處理，有時(shí)也稱快速熱過(guò)程 （ Rapid Thermal Processing， RTP）。在形成超淺結(jié)過(guò)程中，快速熱退火在晶格缺陷修復(fù)、雜質(zhì)激活、雜質(zhì)擴(kuò)散最小化三者之間實(shí)現(xiàn)了折中優(yōu)化，在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的制造工藝中必不可少。升/降溫過(guò)程及目標(biāo)溫度短暫停留共同組成了快速熱退火的熱預(yù)算。傳統(tǒng)的快速熱退火溫度約為1000°，時(shí)間在秒量級(jí)。

近年來(lái)對(duì)其要求越來(lái)越嚴(yán)格，逐漸發(fā)展出閃光退火（Flash Lamp Annealing， FLA）、尖峰退火（Spike Anneal）及激光尖峰退火（Laser Spike Annealing， ISA），退火時(shí)間達(dá)到了毫秒量級(jí)，甚至有向微秒和亞微秒量級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)。激光退火最獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是空間上的局域性和時(shí)間上的短暫性，采用激光光源的能量來(lái)快速加熱晶片表面到臨界熔化點(diǎn)溫度。由于硅的高熱導(dǎo)率，硅片表面可以在約 0. 1ns時(shí)間內(nèi)快速降溫冷卻。激光退火系統(tǒng)可以在離子注入后以最小的雜質(zhì)擴(kuò)散激活摻雜物離子，已被用于 45nm 以下工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)。激光退火系統(tǒng)可與尖峰退火系統(tǒng)一起使用，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)果。

審核編輯 ：李倩