離子注入工藝之退火處理

高溫爐廣泛用于進(jìn)行注入后的熱退火。高溫爐的退火處理是一個(gè)批量過程，在850攝氏度至1000攝氏度情況下，通常約30min能處理100片晶圓。因?yàn)楦邷貭t的熱退火過程需要較長的時(shí)間,所以摻雜物原子的擴(kuò)散十分嚴(yán)重，這對(duì)于小圖形尺寸的元器件而言無法接受，只有在一些非關(guān)鍵性的大圖形尺寸注入過程中，例如阱區(qū)注入過程，高溫爐才應(yīng)用于注入后的熱退火及摻雜物的驅(qū)入。對(duì)于較關(guān)鍵的摻雜步驟，例如源極/漏極注入后的熱退火，將造成過多的摻雜物擴(kuò)散而對(duì)亞微米微電子晶體管造成無法接受的性能損傷。

快速加熱過程（RTP）是將注入造成的損傷通過退火消除的一種工藝過程，同時(shí)也能使摻雜物的擴(kuò)散減小到符合縮小集成電路元器件的條件。RTP是一個(gè)升溫速率可達(dá)250攝氏度/S的單晶圓系統(tǒng)，并在1100攝氏度左右有很好的溫度均勻性控制能力。對(duì)于RTP系統(tǒng)，快速加熱退火（RTA）過程可以在1150攝氏度時(shí)操作，在這個(gè)溫度下，離子注入引起的損傷可以在20s內(nèi)被退火消除。RTA系統(tǒng)大約每分鐘處理一片晶圓，這個(gè)過程包括晶圓升溫、退火、晶圓冷卻和晶圓被送岀。下圖比較了高溫爐與RTP熱退火過程。

一個(gè)問題：為什么高溫爐的溫度無法像RTP系統(tǒng)一樣快速上升并冷卻？

答：高溫爐需要較高的電能才能快速加溫。由于溫度可能會(huì)過高或過低，所以實(shí)現(xiàn)沒有大的溫度振蕩且又要快速地改變溫度很困難。

因?yàn)樯郎厮俾屎苈?，通常小?0攝氏度/min,將需要較長的時(shí)間從閑置溫度（IdleTemperature,介于650攝氏度到850攝氏度之間）加速到爐管所需的熱退火溫度（如1000攝氏度）。甚至在升溫過程中，部分損傷就已經(jīng)被退火消除。晶圓必須用很慢的速度裝載進(jìn)高溫爐并從爐體卸載，以防止晶圓因瞬間溫度改變引起的熱應(yīng)力而變形扭曲。由于高溫爐在閑置期間仍維持高溫，所以晶圓裝載器兩側(cè)的晶圓會(huì)因?yàn)槁耐七M(jìn)和拉出而有不同的熱退火時(shí)間，這將造成晶圓對(duì)晶圓的不均勻性。

RTA系統(tǒng)通常在10s內(nèi)就可以將晶圓的溫度從室溫升到1100攝氏度,并精確控制晶圓溫度和晶圓內(nèi)的溫度均勻性。大約1100攝氏度時(shí)，單晶體的晶格可以在10s內(nèi)恢復(fù)，并呈現(xiàn)極小的摻雜物擴(kuò)散。RTA過程比高溫爐熱退火過程有較好的晶圓對(duì)晶圓均勻性。

隨著器件的特征尺寸進(jìn)一步縮小，即使RTA工藝的溫度變化速度也不能滿足實(shí)現(xiàn)摻雜離子的激活，并同時(shí)保持?jǐn)U散在可容忍的范圍。其他退火技術(shù)，如尖峰退火、激光退火等已被開發(fā)并應(yīng)用于集成電路制造中。

離子注入技術(shù)硬件設(shè)備

離子注入機(jī)是一個(gè)非常龐大的設(shè)備，可能是半導(dǎo)體生產(chǎn)中最大的設(shè)備。離子注入機(jī)包含了幾個(gè)子系統(tǒng):氣體系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和最重要的射線系統(tǒng)（見下圖）。

氣體系統(tǒng)

離子注入機(jī)使用很多危險(xiǎn)的氣體和蒸氣產(chǎn)生摻雜物離子。易燃性和有毒性氣體如三氫化砷和三氫化磷，腐蝕性氣體如三氟化硼，由固態(tài)材料而形成的有害蒸氣如硼和磷。為了降低這些危險(xiǎn)氣體滲漏到生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)，特別設(shè)計(jì)了氣柜并封在離子注入機(jī)的內(nèi)部來專門存儲(chǔ)這些接近離子源的化學(xué)藥品。

審核編輯：劉清