MEMS工藝中快速退火的應用范圍和優(yōu)勢介紹

本文介紹了MEMS工藝中快速退火的應用范圍和優(yōu)勢。

在MEMS工藝中，常用的退火方法，如高溫爐管退火和快速熱退火（RTP）。RTP (Rapid Thermal Processing)是一種在很短的時間內(nèi)將整個硅片加熱到400~1300°C范圍的方法。與爐管退火相比，它具有熱預算少、硅中雜質(zhì)運動少、污染少和加工時間短的特點。

RTP工藝是一類單片熱處理工藝，其目的是通過縮短熱處理時間和溫度或只縮短熱處理時間來獲得最小的工藝熱預算（Thermal Budget），RTP工藝的發(fā)展，是為了適應等比例縮小器件結(jié)構(gòu)對雜質(zhì)再分布的嚴格要求。

高溫爐管采用電阻絲，而RTP采用加熱燈管。傳統(tǒng)爐管利用熱對流及熱傳導原理，使硅片與整個爐管周圍環(huán)境達到熱平衡，溫度控制精確，而RTP設備通過熱輻射選擇性加熱硅片，較難控制硅片的實際溫度及其均勻性，尤其是對于一個表面帶有圖案的硅片，不均勻性更為明顯。RTP最大的優(yōu)勢就是快速升降溫，升降溫速率為10~200℃/秒，而傳統(tǒng)爐管的升降溫速率為1-20℃/分鐘。RTP設備為單片工藝，而傳統(tǒng)爐管為批處理工藝。

最早的RTP工藝主要用于注入后的退火，目前，RTP工藝在MEMS中的的應用范圍已擴展到更多的領域。

歐姆接觸

歐姆接觸退火激活工藝是MEMS器件制造中常用的工藝，在這個工藝中，通過在金屬電極和半導體器件之間熱退火，進而改善它們之間的接觸性能，可以有效地降低接觸電阻，并提高器件的性能。目前，在MEMS工藝中的歐姆接觸采用RTP方式，相較于傳統(tǒng)高溫熱退火工藝獲得更加穩(wěn)定、均勻的歐姆接觸。

離子注入激活

離子注入中，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給品格，使基質(zhì)原子離開品格位置而造成注入損傷(晶格無序)。由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸形團，使遷移率和壽命等半導體參數(shù)受到影響。此外，大部分的離子在被注入時并不位于置換位置。為激活被注入的離子并恢復遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當?shù)臅r間與溫度下將半導體退火。

傳統(tǒng)爐管使用類似熱氧化的整批式開放爐管系統(tǒng)，需要長時間高溫來消除注入損傷。RTP退火激活時間更短，但需要用更高的溫度，相較于爐管激活溫度高出50~100°C。從測試結(jié)果看，RTP退火的激活效率比爐管更低。值得一提的是，RTP退火在淺結(jié)摻雜更具有優(yōu)勢，以最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。

圖 離子注入退火激活原理圖（圖片源于網(wǎng)絡）

薄膜淀積

在MEMS工藝中，無論是金屬還是非金屬，采用PVD工藝淀積的薄膜成為淀積態(tài)，淀積態(tài)薄膜因為受到晶格缺陷、應力和取向等因素影響，通常及其不穩(wěn)定，需要進行退火處理。在金屬薄膜中，金屬Pt常作為溫度電阻使用，其電學性質(zhì)穩(wěn)定性非常關鍵。在實際工藝過程中，退火是必須的步驟，一方面讓Pt的晶粒成核再結(jié)晶而穩(wěn)定電阻，另一方面通過退火釋放應力，而快速降溫能有效的固定晶粒在高溫的微觀結(jié)構(gòu)，類似淬火的作用。

在非金屬薄膜中，例如壓力薄膜PZT，350°C快速退火后傾斜柱狀晶變?yōu)榇怪敝鶢罹抑旅芑?，且晶粒完成擇?yōu)取向分布。在多層復合薄膜淀積過程中，薄膜材料會產(chǎn)生一定程度的本征應力，若不及時消除，會影響半導體器件的電學性能。退火可以使應力消除，材料形成平衡態(tài)，緩和晶格應變，減少晶格缺陷和雜質(zhì)的數(shù)量和大小，提高MEMS器件的可靠性。

審核編輯：劉清