爐管退火、RTA、雷射退火的差異:加熱時間、擴散、活化、用途比較
離子佈植之後,為了修復晶體的損傷,並讓摻雜物進入晶格位置而在電性上發揮作用(活化),會進行退火(熱處理)。不過,在高溫下停留越久,摻雜物越會擴散,接面也越深。爐管退火是在爐中花數十分鐘到數小時加熱大量晶圓的方法。RTA(快速熱退火)是以燈管將晶圓逐片加熱到高溫、只維持數秒左右的方法,幾乎不在高溫停留的尖峰退火也屬於這一類。雷射退火與閃光燈退火,則只在毫秒以下的時間內加熱晶圓表面附近。加熱時間越短越能抑制擴散,因此隨著電晶體微縮,越來越多使用更短時間的方法。
| 項目 | 爐管退火 | RTA/尖峰退火 | 雷射/閃光燈退火 |
|---|---|---|---|
| 加熱時間 | 數十分鐘至數小時 | 數秒至數十秒。尖峰退火在最高溫度附近的時間約為 1~2 秒 | 毫秒以下。閃光燈一般為毫秒左右,雷射依方式為毫秒至奈秒 |
| 升溫與降溫速度 | 慢。一般為每分鐘數 ℃ 至十幾 ℃ | 快。一般為每秒數十至數百 ℃ | 只有表面極快速升溫,熱往晶圓內部散逸而急速冷卻 |
| 處理單位 | 大量晶圓一起處理(批次式) | 逐片處理(單片式) | 逐片。閃光燈一次加熱整個晶圓表面,雷射以掃描光束加熱 |
| 加熱範圍 | 爐中所有晶圓整體達到幾乎均勻的溫度 | 晶圓厚度方向整體達到幾乎相同的溫度 | 只有表面附近的薄層達到最高溫度。內部維持較低溫度(閃光燈為預熱溫度),並扮演散熱的角色 |
| 熱預算 | 大 | 中等。遠小於爐管退火 | 非常小 |
| 摻雜物擴散 | 大。接面變深,也容易受到暫態增強擴散(TED)的影響 | 可抑制。能做出淺接面,但仍會有一定程度的擴散 | 幾乎不發生。大致能保持佈植時的分布 |
| 活化 | 以該溫度下的固溶度為上限的參考。提高溫度也會使擴散變大 | 能使用高溫,因此可得到高活化 | 以非常高的溫度短時間加熱,可得到高活化。也能達到超過平衡固溶度的介穩態活化,但在後續熱處理中容易部分失活 |
| 晶體缺陷的修復 | 花較長時間,容易修復 | 能修復大部分缺陷 | 時間短,缺陷可能殘留。多與尖峰退火搭配 |
| 主要用途 | 井的驅入擴散、膜的緻密化、溫度較低的合成氣體退火等。同類型的爐管也用於熱氧化與 LPCVD | 源極與汲極的活化、矽化物的形成、薄氧化膜的形成與氮化 | 先進邏輯中淺的源極、汲極與延伸區的活化(與尖峰退火搭配),以及不想加熱下層的製程(IGBT 的背面等) |
數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。