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。

適用於什麼情況

爐管退火
適合像形成深井這樣需要摻雜物充分擴散的情況,或需要均勻且緩慢處理大量晶圓時。由於擴散過大,已不再用於淺接面的活化。
RTA/尖峰退火
是源極與汲極活化的標準方法。以高溫活化,同時把加熱時間壓在秒的等級,以減少擴散。也用於矽化物的形成等。
雷射/閃光燈退火
用於需要讓接面保持非常淺的先進電晶體,在幾乎不擴散的情況下進行活化。由於只加熱表面,也適合不想傷及下層或背面結構的製程。

常見問題

什麼是熱預算?

是以溫度與時間的組合,表示晶圓所承受熱量的概念。摻雜物的擴散距離大約由擴散係數與時間乘積的平方根(√(Dt))決定,而擴散係數隨溫度呈指數增加。因此,溫度相同時時間越短、時間相同時溫度越低,擴散就越小。

RTA 與 RTP 相同嗎?

RTP(快速熱處理)是以燈管等逐片短時間加熱晶圓之熱處理的總稱。其中以退火為目的者,例如離子佈植後的活化,稱為 RTA(快速熱退火)。以同類設備形成薄氧化膜的處理稱為 RTO。

尖峰退火與一般的 RTA 有什麼不同?

一般的 RTA 會在最高溫度維持數秒至數十秒,尖峰退火則在達到最高溫度後立即降溫,幾乎不停留。這是以高溫活化,同時縮短處於高溫的時間來抑制擴散的方法。

為什麼不只用雷射退火?

因為加熱時間非常短,佈植造成的晶體缺陷可能無法充分修復,而超過平衡固溶度活化的摻雜物,也容易在後續的熱處理中部分失活。此外,光的吸收會隨圖案改變,溫度也可能因位置而不均。因此會與尖峰退火搭配,或壓低後續製程的溫度來使用。

理解度檢測

離子佈植後進行退火(熱處理)的主要目的,下列何者正確?

  1. A使佈植的雜質蒸發而去除
  2. B修復晶體缺陷,並使雜質進入晶格位置而在電性上活化
  3. C在晶圓表面成長厚的氧化膜
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正確答案:B. 修復晶體缺陷,並使雜質進入晶格位置而在電性上活化

被佈植的離子會擾亂矽的晶體,且多數停留在不具施體或受體作用的晶格間位置,因此剛佈植完幾乎沒有電性作用。藉由退火修復晶體的損傷,並使雜質取代晶格位置而活化。為避免雜質過度擴散,會使用以燈管加熱數秒的RTA,以及毫秒以下的閃光燈、雷射退火。

雷射退火的特徵,下列何者正確?

  1. A長時間均勻加熱整片晶圓
  2. B在低溫下緩慢加熱
  3. C可在極短時間內僅加熱晶圓表面附近,在抑制擴散的同時得到高活化
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正確答案:C. 可在極短時間內僅加熱晶圓表面附近,在抑制擴散的同時得到高活化

雷射退火是以雷射光在微秒~奈秒左右的極短時間內,僅使表面附近達到1000 ℃以上(依條件有時接近熔點)。可在雜質幾乎來不及擴散時就得到高活化,因此能形成淺而低電阻的接面。由於熱不會傳到很深處,也用於IGBT背面層的形成、堆疊於上層的電晶體形成等不希望損傷下層的製程。

以燈管等逐片將晶圓在數秒左右的短時間內加熱至高溫的熱處理稱為什麼?

  1. A批次爐退火
  2. BRTP(快速熱處理)
  3. CCMP
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正確答案:B. RTP(快速熱處理)

RTP 是以鹵素燈等將晶圓以每秒數十至數百 ℃ 的速度加熱、冷卻的熱處理,可使晶圓僅暴露於 1000 ℃ 以上的溫度數秒。由於高溫時間短,能在抑制雜質擴散的同時,進行佈植後的活化退火與薄氧化層的形成。此外,將加熱時間縮短到毫秒以下的閃光燈退火與雷射退火,也被用於先進淺接面的形成。

  1. 在離子佈植後退火的初期,因佈植產生的晶格間矽的影響,使硼等的擴散暫時加快的現象,稱為什麼?
  2. 以退火使摻質活化時,決定可在電性上活化之濃度上限的性質為下列何者?
  3. 關於矽中雜質的擴散係數與溫度的關係,下列何者正確?

前往離子佈植的練習題

相關名詞的解說

退火
即熱處理。用於離子佈植後修復晶體缺陷及活化雜質等。
RTP(快速熱處理)
以燈管等逐片在數秒左右的短時間內將晶圓加熱至高溫的熱處理。可在抑制雜質多餘擴散的同時,進行退火與薄氧化膜的形成。
尖峰退火
使晶圓迅速升至高溫,幾乎不在該溫度停留便立即降溫的熱處理。可在抑制雜質擴散的同時進行活化,用於形成淺接面。
雷射退火
以雷射光僅在極短時間內加熱晶圓表面附近的熱處理。幾乎不引起擴散,卻能獲得高活化率。
暫態增強擴散(TED)
離子佈植後退火的初期,因佈植產生過量的間隙矽,使硼等的擴散暫時變快的現象。會妨礙淺接面的形成。
固溶度
在某溫度下,雜質能溶入晶體中的最大濃度。決定了可被電活化之摻雜濃度的上限。
離子佈植
將雜質離子化、加速後打入晶圓的技術。可精密控制佈植劑量與深度。

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