節能熱處理新工藝技術的分析

現在，半導體工業正處在一個新的轉折點：摻雜雜質的分布輪廓正在向納米水平靠近，其分布會嚴重影響器件性能。這就要求我們能夠將雜質擴散和活化程度控制在前所未有的水平上，包括提高活化程度和減小熱預算等要求。

“柵極堆棧結構、襯底材料和接合形成方法都會出現新的變化。”Applied Materials前段產品部副總裁兼總經理Randhir Thakur說，“以上各領域都會出現新材料、新工藝、新產品開發或者新結構。如果應變硅、提升源極和

SiON的工藝整合能夠繼續推動每年17%的性能增長速度，我們就會延遲對高k材料的需求。

一、柵極和高k電介質

傳統的氧化硅/標準摻雜（有時是離子注入）多晶硅柵極結構已經逐步過渡到金屬硅化物、然后是氮化氧化物結構?！?5nm工藝將開始使用高k電介質?！盩hakur說，“那時，芯片制造商將會考慮使用金屬柵極或高度摻雜的電極取代多晶硅電極。事實上，邏輯產品供應商已經開始討論金屬柵極的問題了。從柵極堆棧的角度來看，使用金屬柵極已經是非常明顯的趨勢了。”

現在已經出現了一些新材料的變化，例如高k電介質和金屬柵極?？雌饋硭鼈儗⑼瑫r被采用，甚至有人認為沒有兩者互相配合就不可能根本解決問題。“問題是這一技術尚未完善，還不能正常工作。”Dip說，“高k電介質在硅表面的電學響應非常復雜，而且電介質變薄會降低MOSFET通道遷移率。因此，使電介質繼續變薄或采用高k電介質可能都是行不通的。如果你想消除漏電流，你就必須提高功耗，將驅動電流提高到合適的水平。但是高k電介質的很多優點就發揮不出來了?！备遦電介質仍然是遙遠的夢想。高k電介質成為未來技術的可能性越來越小。一些領先的IDM公司準備采用新穎的應變層技術?，F在，他們生產的所有晶體管都采用氮化氧化硅作為柵極電介質，他們準備通過應變層技術--而不是高k電介質--進一步改善其性能。

高k電介質時代一定會到來。“我們可能要晚些時候才會采用高k電介質，也許是第一代45nm工藝。工藝進步已經賦予“微縮”自身的特定含義。回顧過去的發展，你會發現你的目的不是縮小空間和尺寸，而是通過微縮提高性能?？s小空間和尺寸只是方法而已。完全通過尺寸微縮提高性能的時代基本上已經結束了。性能改善要通過其它方法來實現，例如更加精巧的設計、SOI、應變層、3D器件等。但是這些方法都還存在各自的問題。至于熱處理，我們會通過反應器的開發和優化繼續改善現有傳統材料的性能，使之更加容易控制、適用范圍更廣、熱預算更小、成本更低、更適合與先進器件進行整合。

二、拓展RTP使用范圍

Mattson的目標集中在兩項RTP技術上——特別是超淺接合的形成?！拔覀冃枰軠\的接合和很高的活化程度?！盩imans說，“今天可供選擇的技術是高溫尖峰退火技術，它具有目前最大的雜質活化程度和最小的擴散程度以及很好的缺陷退火修復特性，形成的接合質量較高、漏電流較低。一直到65nm工藝這一技術都會非常重要——它能在盡量減小擴散的同時確保較高的活化程度。在先進器件時代，提高活化程度和控制擴散這對矛盾的取舍會變得越來越困難。”先進器件——特別是邏輯產品--將會采用NiSi技術制造。然而，NiSi帶來了更加復雜的問題，特別是它要求RTP設備能夠進行低溫控制。

Ni的工藝處理溫度比鈷低，因此拓展RTP使用范圍時溫度測量和控制是最令人感興趣的問題?！拔覀兊挠脩粝Ｍ軌蛟赗TP設備中保持金屬硅化工藝。”Axcelis公司Hebb說，“但是還需要能夠進行低溫測量和控制。為了拓寬工藝適用范圍，現在的發展方向是如何將RTP溫度控制在250℃內?！?/p>

溫度降低時，物體發射的輻射強度會按指數下降。由于低溫時晶片不能發射足夠能量，因此采用高溫計測量和控制溫度比較困難?！肮獾母蓴_是另外一個問題。加熱源發出的光也會傳到高溫計，然而我們需要測量的卻是晶片發射出來的輻射或光?！奔訜嵩礈囟仍礁?，情況就越糟糕。

用熱墻代替燈管進行加熱會有所幫助?！拔覀円呀浲瞥隽司哂?50℃溫度控制能力、可用于NiSi開發的系統?！盚ebb說?！坝脩艨梢圆捎靡徊焦に噷iSi進行退火，而鈷一直使用兩步工藝。雖然理論上鎳可以采用一步工藝進行處理，但是兩步工藝具有自己的優點。我們發現采用兩步退火工藝（第一步低于300℃）確實會有一些正面結果?！?/p>

三、激光處理

為了使接合深度不斷變淺，傳統的尖峰退火方法將成為過時的技術。幾年前，人們認為激光退火是形成淺接合的最佳解決辦法?！凹す馔嘶鸬暮锰幨遣恍枰脽艚z進行加熱。你可以利用激光快速提高溫度，直至足夠熔化硅晶體，從而使其高度活化。”Mehta說，“然而，從大批量生產的角度來看，這一技術還存在關鍵的整合問題。從技術角度來看，也存在漏電流和殘留物缺陷問題，它們都會對晶體管性能造成影響。盡管該領域的研究工作仍然很活躍，但是將激光加熱技術進行整合用于形成USJ是不太可行的。

人們還嘗試了動態表面退火技術，即工作溫度低于硅晶體熔點的激光處理工藝。該技術有望成為一種先進的尖峰退火技術。閃光退火是另外一種選擇，它是RTP尖峰退火技術的延伸。閃光退火時，晶片首先被加熱到適當的溫度，大約為600-800℃，然后用高強度輻射進行很短時間脈沖的輻照，使晶片達到所需高溫。一旦溫度峰值達到要求，系統就會立即關閉輻射。

器件制造商將不得不采用一些替代技術。不管是器件結構、材料、雜質種類的改變還是綜合以上各種方法，其目的就是為了不斷改善接合特性，提高晶體管性能。

四、控制晶片加工處理溫度均勻性面臨的挑戰

反應器內部的梯度性熱分布將不利于精確控制晶片加工處理所要求的溫度分布均勻性。通常，簡化的做法是在系統內部對某些部件進行優化，達到改善系統整體性能的目的。通過個別部件的優化和計算機流體動力學模型對系統進行模擬分析是實現晶片溫度均勻性精確控制的常用手段。也就是說，經驗豐富的分析師可以根據假設，通過計算機模型軟件例如Ansys（有限元分析）和CFD（計算機流體動力學分析），使某些部件例如加熱板的控制更加精確。

然而，即使這些單個部件的精確度控制得很好，實際上也很難使晶片加工處理時達到同樣的精確度，使導致系統不能達到預期性能，工藝成品率和重復性無法讓人滿意。為了縮小單個部件和系統性能之間的差距，進行模型分析時很有必要用反應器的實際情況和信息代替標準的假設條件。其中，關鍵信息包括能夠影響反應器系統的各種因素，包括加熱器、晶片、反應器側壁、支撐系統、基座、反應器進出端口、檢測儀器和方法、反應器外部物理和熱環境變化、流體種類和流速等等。這些信息可以使分析師更加精確地評估各種因素的影響，包括表面光潔度、邊緣損耗、自由對流或輻射（取決于反應器是否是真空系統）。最終設計出來的加熱和控制平臺中，各部件可以互相配合，達到最佳綜合性能，而不是單個部件的最佳表現。