01快速加熱退火(RTA)系統

離子注入后的快速加熱退火(RTA)工藝是快速加熱步驟 (RTP)中最常使用的一種技術。當離子注入完成后，靠近表面的硅晶體結構會受到高能離子的轟擊而嚴重損傷，需要高溫退火消除損傷來恢復單晶結構并激活摻雜離子。高溫退火過程中，摻雜物原子在熱能的驅動下快速擴散。但在加熱退火過程中，實現低摻雜物原子的擴散非常重要，因為當元器件尺寸縮小到深亞微米時，摻雜物原子可以擴散的空間很小，所以精確控制熱積存非常重要。

非晶硅結構中，摻雜物原子的熱運動受限較小，但是在單晶格中的摻雜物原子卻嚴重受化學鍵能的限制，所以非晶硅中的摻雜物原子比單晶硅中的摻雜物原子擴散快。當溫度較低時, 摻雜物原子的擴散速度比硅原子的退火快;然而在高溫時(超過1000攝氏度)，退火過程比較快些，這是因為退火的活化能(約5 eV)高于擴散的活化能3 ~4 eV。由于高溫爐需要花費較長的時間且退火溫度相對低些，所以無法降低摻雜物的擴散。對于較小的元器件，摻雜物原子的擴散問題變得無法容忍(見下圖)。但是一些不關鍵的離子注入過程(如阱區注入)仍可以使用高溫爐退火，大部分離子注入退火過程必須使用RTA技術。

RTP系統能夠快速使晶圓溫度上升或下降。一般情況下，RTP系統只需要不到10 s的時 間就能使晶圓達到所需的退火溫度，即1000 ~1150攝氏度之間。退火過程需要10 s左右時間, 接著關掉加熱燈管并注入氮冷卻氣體后，晶圓將被快速冷卻。溫度上升得越快，摻雜物原子的擴散就越少。當元器件的關鍵尺寸小于0.1 um時，升溫速率可能必須高達250攝氏度/S,才能在 低摻雜物擴散的同時獲得所需的退火要求。

離子注入后的RTA過程如下：

?晶圓進入

?溫度急升，溫度趨穩

?退火

?晶圓冷卻

?晶圓退出

此時的溫度上升速率為75攝氏度/s?150攝氏度/S,而退火溫度大約為1100攝氏度。在充滿氮氣和固定氣流的環境下，整個工藝過程只需不到2 min的時間能完成。下圖顯示了RTA系統在離子注入后退火過程中的溫度變化。

一個問題：

問:如果沒有將RTA工藝中的高溫計校準好，可能造成什么后果?

答:如果高溫計沒有校準好就可能導致無法正確測量晶圓的溫度，穩定后的工藝溫度就不是設定的溫度。如果溫度太低，雜質激活和損傷修復將不安全，使薄片電阻較高;如果溫度太高，極端條件下可能導致晶圓融化。因此,定期校準高溫計是預防性維護中重要的一部分。

其他RTP退火過程包括合金退火，特別是鈦金屬硅化合物和鉆硅化物工藝，這些通常在700攝氏度和充滿氮氣環境下進行，NiSi RTA通常在400?450攝氏度進行，大約需要1 min時間退火并形成硅化物。

RTP技術也用于熱氮化反應過程，此過程中氨氣將和鈦金屬反應并在表面形成氮化鈦作為阻擋層及鋁金屬化的附著層。化學反應為：

NH3 +Ti->TiN+3/2H2

當鈦金屬沉積完成后，RTA反應室的溫度在氮氣環境中迅速升高，達到穩定時將晶圓送入反應室，接著關閉氮氣并打開氨氣，當氮化反應過程結束后就立刻關閉氨氣并再次打開氮氣。接著機器手會將晶圓從反應室中取出并送入冷卻室，最后晶圓被放置在一個塑料晶圓盒中，這個過程的溫度大約為650攝氏度。下圖說明了鈦氮化反應的過程。

審核編輯：湯梓紅