文章来源:半导体与物理
原文作者:jjfly686
退火工艺(Thermal Annealing)是半导体制造中的一个关键步骤,它通过在高温下处理硅片来改善材料的电学和机械性能。退火的主要目的是修复晶格损伤、激活掺杂剂、改变薄膜特性以及形成金属硅化物。随着半导体技术的不断发展,特别是特征尺寸的持续减小,对退火工艺的要求也越来越高。本文将深入探讨退火工艺的基本原理、关键参数、不同类型及其在现代半导体制造中的应用。
一、退火工艺的基本原理
离子注入:在离子注入过程中,高能离子轰击硅片,导致晶格结构破坏,形成非晶态区域。
退火修复:通过高温退火,非晶态区域的原子重新排列,恢复晶格的有序性。这一过程通常需要的温度范围在500°C左右。
2、杂质激活:
掺杂剂迁移:退火过程中,注入的杂质原子从晶格间隙迁移到晶格位置,形成有效的掺杂。
激活温度:杂质激活通常需要更高的温度,大约950°C。温度越高,杂质的激活率越高,但过高的温度会导致杂质过度扩散,影响器件性能。
3、薄膜改性:
致密化:退火可以使疏松的薄膜变得致密,改变其在干法刻蚀或湿法刻蚀时的速率。
高k栅介质:在高k栅介质生长后进行退火(Post Deposition Annealing, PDA),可以改善介质的特性,降低栅泄漏电流并提高介电常数。
4、金属硅化物形成:
合金相:金属薄膜(如钴、镍、钛)与硅反应形成合金,退火过程中不同的温度条件会导致不同的合金相形成。
优化性能:通过控制退火温度和时间,可以形成接触电阻和本体电阻均较低的合金相。
二、关键参数
1、温度:
温度是退火工艺中最关键的参数之一。不同的退火目的需要不同的温度范围。例如,晶格损伤修复通常需要500°C左右的温度,而杂质激活则需要950°C左右的温度。
2、时间:
退火时间与温度密切相关。时间越长,热预算越高,但过长的时间会导致杂质过度扩散。因此,需要在时间和温度之间找到最佳平衡点。
3、热预算(Thermal Budget):
热预算是指在整个制造过程中累积的热量影响。随着技术节点的缩小,允许的热预算越来越少,需要通过优化退火工艺来减少不必要的杂质扩散。
三、不同类型的退火工艺
1、高温炉管退火(High-Temperature Furnace Annealing):
特点:传统的退火方法,温度较高(通常超过1000°C),退火时间较长(数小时)。
应用:适用于需要高热预算的应用场景,如SOI衬底的制备和深n井的扩散。
特点:利用快速升温和降温的特点,能够在较短时间内完成退火,通常温度在1000°C左右,时间在秒量级。
应用:特别适合于超浅结的形成,能够有效减少杂质的过度扩散,是先进节点制造不可或缺的一部分。
特点:使用高强度闪光灯在极短时间内(毫秒量级)加热硅片表面,实现快速退火。
应用:适用于20nm以下的线宽的超浅的掺杂激活,能够最小化杂质扩散,同时保持高的杂质激活率。
特点:使用激光光源在极短的时间内(微秒量级)加热硅片表面,实现局域化和高精度的退火。
应用:特别适用于需要高精度控制的先进工艺节点,如FinFET和high-k/金属栅极 (HKMG)器件的制造。
四、现代半导体制造中的应用
1、超浅结形成:
随着技术节点的缩小,超浅结的形成成为关键挑战。RTA和FLA等快速退火技术能够在保持高杂质激活率的同时,最小化杂质扩散,确保器件性能。
2、高k栅介质的改性:
在高k栅介质生长后进行PDA,可以显著改善介质的电气性能,降低栅泄漏电流并提高介电常数。这在先进逻辑和存储器件中尤为重要。
3、金属硅化物的形成:
金属硅化物(如CoSi、NiSi)在接触电阻和本体电阻方面的优化对于提高器件性能至关重要。通过精确控制退火条件,可以形成理想的合金相。
4、三维集成技术:
在三维集成技术中,如3D NAND和3D DRAM,退火工艺需要在多个层次上进行,确保每一层的性能都达到最佳。快速退火技术在这一过程中发挥着重要作用。
3D NAND
3D DRAM
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编辑:柚子露
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