激光退火技術在集成電路源漏極制備中的應用與發(fā)展

張為國，唐世弋，張俊，黃元昊，羅聞

（上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203）

0 引言

IC集成電路產(chǎn)業(yè)一直受到摩爾定律的不斷驅(qū)動，制程節(jié)點以0.71倍遞減不斷地逼近物理極限[1]，隨著技術節(jié)點特征尺寸不斷縮小，新技術及新材料也在不斷導入[2-3]，180nm引入多晶/氮氧化物，90到65nm引入Ge strained溝道的應變工程技術、45到32nm開始引入high-k值絕緣層/金屬柵極、28nm開始引入第二代high-k絕緣層/金屬柵工藝（HKMG）等，這些新技術新材料引入，同時CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）器件內(nèi)的柵極溝道尺寸在不斷的縮小，需要更好的控制超淺結的結深以及表面的摻雜濃度，同時新材料的引入使得新工藝對熱預算的要求會變得更加的嚴格。

CMOS集成電路制作中很多工藝步驟需要通過退火技術來實現(xiàn)，隨著芯片技術的推動，會使其對退火性能的需求也在不斷的升級，退火技術由早期的爐管退火發(fā)展到現(xiàn)在的快速熱退火RTP以及近年開始規(guī)模化應用的激光退火，激光退火按脈寬一般可分為毫秒、微秒、納秒以及皮秒等激光退火技術。本文主要闡述在當下先進的CMOS集成電路的制備工藝，對其退火制程的需求進行分析以及對其發(fā)展前景進行預測。

1 CMOS集成電路

CMOS集成電路是一種集成電路的制程，可在硅晶圓上制作出P-MOS（P型的金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET）和N-MOS（N型的金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET）組件，由于P-MOS和N-MOS在特性上具有互補性，簡稱為CMOS電路，其基本結構如圖1所示，CMOS工藝開始于20世紀60年代[4]，目前CMOS工藝成為IC工藝的主流，CMOS的主要優(yōu)點是低功耗、高運算速度，由于這些優(yōu)勢，使上億個MOS晶體管集成在單一的CMOS芯片內(nèi)并在千兆赫GHz頻率下進行快速的邏輯運算得以實現(xiàn)。如一部手機會配置微處理（MPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）、通信界面芯片、視頻控制芯片等，大部分都是由CMOS工藝制作的。

圖1 CMOS結構簡圖

隨著半導體制造技術按照摩爾定律發(fā)展，隨著節(jié)點的不斷縮小，短溝道效應[5]開始變的越發(fā)的明顯，溝道內(nèi)漏電流會逐漸的增大，同時晶體管也會有多種二級效應[6]：影響遷移率的載流子速度飽和效應、縮短器件壽命的熱載流子效應和降低亞閾特性的漏極誘發(fā)勢壘降低效應(DIBL)，如圖2所示，在65nm節(jié)點開始的CMOS工藝中，為了抑制上述效應，源/漏（S/D）級的退火工藝變得非常的敏感，同時考慮降低其溝道應力的影響[7-8]，而不能有明顯的翹曲問題，退火工藝變得非常復雜：在激活摻雜雜質(zhì)的同時，要盡可能降低熱效應的影響，減少摻雜雜質(zhì)的熱擴散和再分布。同時，新材料使得工藝對熱預算的要求變得更加苛刻。因此，需要退火設備能夠提供更短的退火時間和更加精確的溫度控制。

圖2 短溝道效應原理示意圖

1.1 先進邏輯器件

高性能邏輯器件的目標是高速和高密度的應用程序，如微處理器（MPU）也稱中央處理器（CPU），圖形處理器，數(shù)字信號處理器等。這種技術強調(diào)提供最高速度的性能和最大的器件密度。邏輯器件技術發(fā)展的關鍵是采用新工藝以及良好的晶體管和互聯(lián)性能等，目前集成電路IC前道28nm先進的邏輯器件技術海外已實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，大陸廠家在積極研發(fā)和布局，截至目前僅部分廠家可實現(xiàn)量產(chǎn)。

目前先進邏輯CMOS器件的工藝流程如圖3所示，其先制備隔離層STI，再形成雙阱,以及柵極和側(cè)壁間隔層的形成，源漏極摻雜和選擇性外延SEG,高K材料的沉積以及接觸與金屬化的過程，這六大步中需要進行退火工序的有多晶硅耗盡層，源漏極區(qū)的超淺結以及源漏極，高K材料以及外延層的退火，可見退火是前道先進邏輯CMOS器件制備的重要工序，退火的溫度范圍400～1350℃[9-10]。

圖3 先進邏輯器件CMOS工藝流程圖

如表1所示不同技術節(jié)點邏輯器件源漏極區(qū)的超淺結（USJ）退火技術需求方面，超淺結隨著工藝節(jié)點的推進，在65nm節(jié)點開始（產(chǎn)業(yè)界一般選擇RTP加激光疊加的應用方式）尤其是45nm節(jié)點以下的CMOS工藝中，為了抑制短溝道效應，目前產(chǎn)業(yè)界在源漏極區(qū)超淺結都采用激光退火的方式，一般在65nm節(jié)點，超淺結結區(qū)的擴散整體要求在20nm以內(nèi)，這需要更短的退火時間和更加精確的溫度控制來實現(xiàn)，目前產(chǎn)業(yè)界普遍采用微秒到納秒級脈沖激光作為光源[11]。

表1 不同技術節(jié)點邏輯器件退火技術選擇

1.2 先進存儲器件

存儲Memory器件的結構是由一個MOS外圍電路和一個存儲單元這兩大模塊構成，如圖4所示。所有存儲器件都包括無數(shù)單個存儲單元。Memory又分為非永久性存儲器和固定存儲器，非永久性存儲器類型有：動態(tài)隨機存儲器（DRAM）、靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）等，固定存儲器的類型有：只讀存儲器（ROM）及快閃存儲器（Flash）等。

圖4 先進存儲單元結構示意圖

目前用于DRAM領域[12]的退火技術有存儲單元的退火以及CMOS外圍電路的退火，由于激光退火在源漏極退火方面高性能同時具有更好的工藝適應性的特點，目前已被產(chǎn)業(yè)界積極采納。

同樣在閃存領域，瑞薩電子株式會社宣布成功開發(fā)出分離閘金屬氧化氮氧化硅SG-MONOS閃存單元，該單元采用鰭狀晶體管，用于配有電路線寬為16/14nm片上閃存的微控制器MCU，通過激光退火可明顯提高空穴的注入效率[13]。

2 激光技術在源漏極制備中的應用與發(fā)展

由于爐管自身溫度均勻性等控制方面的限制，本文主要比較快速熱退火RTP和激光技術，如表2所示，目前RTP的作用時間一般為秒級，而激光退火基本是微秒級，甚至隨著工藝節(jié)點的不斷推進達到納米級，可實現(xiàn)較小的熱預算同時可實現(xiàn)很高的峰值溫度，從而可很好的控制源漏極的擴散深度；溫度控制均勻性方面由于RTP采用燈管加熱的方式，其在不同材料上的反射率差異明顯，導致溫度均勻性較差，而激光可通過光學原理將這種反射率的影響可以調(diào)整到最小，從而可實現(xiàn)很好的溫度控制均勻性[14]。因此，隨著CMOS器件尺寸不斷縮小，快速熱退火RTP技術的熱預算和溫度控制的局限性不能滿足其制作需求，而更加精確的溫度控制與更高熱預算特性的激光退火技術必將在CMOS先進邏輯器件中具有廣闊的前景。

表2 不同退火技術比較

3 激光退火技術應用于集成電路源漏極制備市場前景預測

集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎和核心組成部分，成為關系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性、先導性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟增長的核心動力之一。參考著名的市場研究機構Market Watch的數(shù)據(jù)如圖5所示，2020年全球芯片市場達到4330億美元，預計未來2025年的市場規(guī)模達到5581億美元，年復合增長率超過5%。

圖5 集成電路芯片市場規(guī)模（十億美元）

作為IC主流工藝的CMOS工藝其源漏極退火需求未來市場應用前景非常廣闊，激光退火作為未來退火先進技術的發(fā)展方向，其應用市場前景必將迅速增長。

隨著在宏觀政策扶持和市場需求提升的雙輪驅(qū)動下快速發(fā)展，未來我國將要新建并擴產(chǎn)達到10條45nm及以下技術節(jié)點的產(chǎn)線[15]，源漏極激光退火設備作為我國發(fā)展45nm及以下技術節(jié)點產(chǎn)線的核心裝備之一，其國內(nèi)市場應用前景廣闊。

4 結語

受摩爾定律的推動，隨著芯片內(nèi)柵極溝道尺寸在不斷的縮小，CMOS電路制備工藝中快速熱退火RTP技術的熱預算和溫度控制的局限性不能滿足其更高制備工藝的需求，而更加精確的溫度控制與更高熱預算特性的激光退火技術必將在CMOS先進器件中具有很大的發(fā)展空間與廣闊的應用前景。