激光退火技術(shù)在集成電路源漏極制備中的應(yīng)用與發(fā)展

張為國(guó)，唐世弋，張俊，黃元昊，羅聞

（上海微電子裝備（集團(tuán)）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(dòng)，制程節(jié)點(diǎn)以0.71倍遞減不斷地逼近物理極限[1]，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)特征尺寸不斷縮小，新技術(shù)及新材料也在不斷導(dǎo)入[2-3]，180nm引入多晶/氮氧化物，90到65nm引入Ge strained溝道的應(yīng)變工程技術(shù)、45到32nm開(kāi)始引入high-k值絕緣層/金屬柵極、28nm開(kāi)始引入第二代high-k絕緣層/金屬柵工藝（HKMG）等，這些新技術(shù)新材料引入，同時(shí)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(jié)的結(jié)深以及表面的摻雜濃度，同時(shí)新材料的引入使得新工藝對(duì)熱預(yù)算的要求會(huì)變得更加的嚴(yán)格。

CMOS集成電路制作中很多工藝步驟需要通過(guò)退火技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著芯片技術(shù)的推動(dòng)，會(huì)使其對(duì)退火性能的需求也在不斷的升級(jí)，退火技術(shù)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(kāi)始規(guī)?；瘧?yīng)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(shù)。本文主要闡述在當(dāng)下先進(jìn)的CMOS集成電路的制備工藝，對(duì)其退火制程的需求進(jìn)行分析以及對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET）和N-MOS（N型的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET）組件，由于P-MOS和N-MOS在特性上具有互補(bǔ)性，簡(jiǎn)稱(chēng)為CMOS電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，CMOS工藝開(kāi)始于20世紀(jì)60年代[4]，目前CMOS工藝成為IC工藝的主流，CMOS的主要優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高運(yùn)算速度，由于這些優(yōu)勢(shì)，使上億個(gè)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(jìn)行快速的邏輯運(yùn)算得以實(shí)現(xiàn)。如一部手機(jī)會(huì)配置微處理（MPU）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

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

圖2 短溝道效應(yīng)原理示意圖

1.1 先進(jìn)邏輯器件

高性能邏輯器件的目標(biāo)是高速和高密度的應(yīng)用程序，如微處理器（MPU）也稱(chēng)中央處理器（CPU），圖形處理器，數(shù)字信號(hào)處理器等。這種技術(shù)強(qiáng)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(shù)發(fā)展的關(guān)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(jìn)的邏輯器件技術(shù)海外已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

目前先進(jìn)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(guò)程，這六大步中需要進(jìn)行退火工序的有多晶硅耗盡層，源漏極區(qū)的超淺結(jié)以及源漏極，高K材料以及外延層的退火，可見(jiàn)退火是前道先進(jìn)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(jìn)邏輯器件CMOS工藝流程圖

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

表1 不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)邏輯器件退火技術(shù)選擇

1.2 先進(jìn)存儲(chǔ)器件

存儲(chǔ)Memory器件的結(jié)構(gòu)是由一個(gè)MOS外圍電路和一個(gè)存儲(chǔ)單元這兩大模塊構(gòu)成，如圖4所示。所有存儲(chǔ)器件都包括無(wú)數(shù)單個(gè)存儲(chǔ)單元。Memory又分為非永久性存儲(chǔ)器和固定存儲(chǔ)器，非永久性存儲(chǔ)器類(lèi)型有：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）等，固定存儲(chǔ)器的類(lèi)型有：只讀存儲(chǔ)器（ROM）及快閃存儲(chǔ)器（Flash）等。

圖4 先進(jìn)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖

目前用于DRAM領(lǐng)域[12]的退火技術(shù)有存儲(chǔ)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(shí)具有更好的工藝適應(yīng)性的特點(diǎn)，目前已被產(chǎn)業(yè)界積極采納。

同樣在閃存領(lǐng)域，瑞薩電子株式會(huì)社宣布成功開(kāi)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(guò)激光退火可明顯提高空穴的注入效率[13]。

2 激光技術(shù)在源漏極制備中的應(yīng)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(shù)，如表2所示，目前RTP的作用時(shí)間一般為秒級(jí)，而激光退火基本是微秒級(jí)，甚至隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)達(dá)到納米級(jí)，可實(shí)現(xiàn)較小的熱預(yù)算同時(shí)可實(shí)現(xiàn)很高的峰值溫度，從而可很好的控制源漏極的擴(kuò)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(dǎo)致溫度均勻性較差，而激光可通過(guò)光學(xué)原理將這種反射率的影響可以調(diào)整到最小，從而可實(shí)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(shù)的熱預(yù)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(yù)算特性的激光退火技術(shù)必將在CMOS先進(jìn)邏輯器件中具有廣闊的前景。

表2 不同退火技術(shù)比較

3 激光退火技術(shù)應(yīng)用于集成電路源漏極制備市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)

集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心組成部分，成為關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的核心動(dòng)力之一。參考著名的市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Market Watch的數(shù)據(jù)如圖5所示，2020年全球芯片市場(chǎng)達(dá)到4330億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)2025年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5581億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)5%。

圖5 集成電路芯片市場(chǎng)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(lái)市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊，激光退火作為未來(lái)退火先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向，其應(yīng)用市場(chǎng)前景必將迅速增長(zhǎng)。

隨著在宏觀政策扶持和市場(chǎng)需求提升的雙輪驅(qū)動(dòng)下快速發(fā)展，未來(lái)我國(guó)將要新建并擴(kuò)產(chǎn)達(dá)到10條45nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)線[15]，源漏極激光退火設(shè)備作為我國(guó)發(fā)展45nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)線的核心裝備之一，其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)語(yǔ)

受摩爾定律的推動(dòng)，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(shù)的熱預(yù)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(yù)算特性的激光退火技術(shù)必將在CMOS先進(jìn)器件中具有很大的發(fā)展空間與廣闊的應(yīng)用前景。