半导体芯片制造中“退火工艺（Thermal Annealing）”技术的详解
转：爱在七夕时
退火工艺（Thermal Annealing）技术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（Thermal Annealing）技术的要求也越来越高。本期中主要跟大家分享的是：退火工艺（Thermal Annealing）技术的基本原理、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（Thermal Annealing）技术的介绍
退火工艺又称为热退火，英文全称：Thermal Annealing，其过程是将硅片放置于较高温度环境中一定的时间，使硅片表面或内部的微观结构发生变化，以达到特定的工艺目的。退火工艺的最关键的参数为温度和时间，温度越高、时间越长，热预算（Thermal Budget）越高。在实际集成电路制造工艺中，热预算都有严格的控制。如果工艺流程中有多步退火工艺，则热预算就可以表达为多次热处理的叠加，即：DT（eff）=DT（1）+DT（2）+…+DT（n）。
随着工艺节点的微缩，在整个工艺过程中容许的热预算越来越少，即高温热过程的温度变低、时间变短。通常，退火工艺是与其他工艺（如离子注入、薄膜沉积、金属硅化物的形成等）结合在一起的，最常见的就是离子注入后的热退火。离子注入会撞击衬底原子，使其脱离原本的晶格结构，而对衬底晶格造成损伤。热退火可修复离子注入时造成的晶格损伤，还能使注入的杂质原子从晶格间隙移动到晶格点上，从而使其激活。晶格损伤修复所需的温度约为 500°C，杂质激活所需的温度约为950°C 。
理论上，退火时间越长、温度越高，杂质的激活率越高，但是过高的热预算将导致杂质过度扩散，使得工艺不可控，引发最终的器件和电路性能退化。因此，随着制造工艺的发展，传统的长时间炉管退火已逐渐被快速热退火（Rapid Thermal Annealing， RTA）取代。在制造工艺中，某些特定的薄膜在沉积后需要经过热退火过程，以使薄膜的某些物理或化学特性发生变化。例如，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；或者在高k栅介质生长后进行退火 （Post Deposition Annealing， PDA），改善高k介质的特性，可降低栅泄漏电流，并提高介电常数。还有一种使用得较多的退火工艺发生在金属硅化物 （Silicide）形成过程中。
金属薄膜如钴、镍、钛等被溅射到硅片表面，经过较低温度的快速热退火，可使金属与硅形成合金。某些金属在不同的温度条件下形成的合金相不同，一般在工艺中希望形成接触电阻和本体电阻均较低的合金相。如前所述，根据热预算需求的不同，退火工艺分为高温炉管退火和快速热退火。高温炉管退火是一种传统的退火方式，其温度较高且退火时间较长，热预算很高。在一些特殊的工艺中，如注氧隔离技术 （ Seperation by Implantation of Oxygen，SIMOX）制备 SOI 衬底、深n井（Deep n-Well）扩散驱入 （Drive-in）工艺中应用较多，此类工艺一般需要通过高的热预算来获得完美的晶格或均匀的杂质分布。
快速热退火是用极快的升/降温和在目标温度处的短暂停留对硅片进行处理，有时也称快速热过程 （ Rapid Thermal Processing， RTP）。在形成超浅结过程中，快速热退火在晶格缺陷修复、杂质激活、杂质扩散最小化三者之间实现了折中优化，在先进技术节点的制造工艺中必不可少。升/降温过程及目标温度短暂停留共同组成了快速热退火的热预算。传统的快速热退火温度约为1000°，时间在秒量级。
二、退火工艺（Thermal Annealing）技术的基本原理
退火工艺的本质是在高温下通过热能驱动材料内部的原子重新排列，以达到特定的物理和化学变化。主要涉及以下几个方面：
1、晶格损伤修复
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。
三、退火工艺（Thermal Annealing）技术的关键参数
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。
四、退火工艺（Thermal Annealing）技术的类型
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。
2、快速热退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）
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。
3、闪光退火（Flash Lamp Annealing, FLA）
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。
4、激光尖峰退火（Laser Spike Annealing, LSA）
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。
五、退火工艺（Thermal Annealing）技术的应用
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。
总结一下
退火工艺（Thermal Annealing）技术在半导体制造中扮演着至关重要的角色，通过对温度、时间和热预算的精确控制，可以实现晶格损伤修复、杂质激活、薄膜改性和金属硅化物形成等多种功能。近年来对其要求越来越严格，逐渐发展出闪光退火（Flash Lamp Annealing， FLA）、尖峰退火（Spike Anneal）及激光尖峰退火（Laser Spike Annealing， ISA），退火时间达到了毫秒量级，甚至有向微秒和亚微秒量级发展的趋势。激光退火最独特的优点是空间上的局域性和时间上的短暂性，采用激光光源的能量来快速加热晶片表面到临界熔化点温度。由于硅的高热导率，硅片表面可以在约 0. 1ns时间内快速降温冷却。激光退火系统可以在离子注入后以最小的杂质扩散激活摻杂物离子，已被用于 45nm 以下工艺技术节点。激光退火系统可与尖峰退火系统一起使用，以实现最优的结果。未来，随着新材料和新器件的不断涌现，退火工艺（Thermal Annealing）技术将继续创新和发展，以满足更高的性能要求。
