本文介紹了MEMS工藝中快速退火的應(yīng)用范圍和優(yōu)勢(shì)。

在MEMS工藝中，常用的退火方法，如高溫爐管退火和快速熱退火（RTP）。RTP (Rapid Thermal Processing)是一種在很短的時(shí)間內(nèi)將整個(gè)硅片加熱到400~1300°C范圍的方法。與爐管退火相比，它具有熱預(yù)算少、硅中雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)少、污染少和加工時(shí)間短的特點(diǎn)。

RTP工藝是一類(lèi)單片熱處理工藝，其目的是通過(guò)縮短熱處理時(shí)間和溫度或只縮短熱處理時(shí)間來(lái)獲得最小的工藝熱預(yù)算（Thermal Budget），RTP工藝的發(fā)展，是為了適應(yīng)等比例縮小器件結(jié)構(gòu)對(duì)雜質(zhì)再分布的嚴(yán)格要求。

高溫爐管采用電阻絲，而RTP采用加熱燈管。傳統(tǒng)爐管利用熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)原理，使硅片與整個(gè)爐管周?chē)h(huán)境達(dá)到熱平衡，溫度控制精確，而RTP設(shè)備通過(guò)熱輻射選擇性加熱硅片，較難控制硅片的實(shí)際溫度及其均勻性，尤其是對(duì)于一個(gè)表面帶有圖案的硅片，不均勻性更為明顯。RTP最大的優(yōu)勢(shì)就是快速升降溫，升降溫速率為10~200℃/秒，而傳統(tǒng)爐管的升降溫速率為1-20℃/分鐘。RTP設(shè)備為單片工藝，而傳統(tǒng)爐管為批處理工藝。

最早的RTP工藝主要用于注入后的退火，目前，RTP工藝在MEMS中的的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到更多的領(lǐng)域。

歐姆接觸

歐姆接觸退火激活工藝是MEMS器件制造中常用的工藝，在這個(gè)工藝中，通過(guò)在金屬電極和半導(dǎo)體器件之間熱退火，進(jìn)而改善它們之間的接觸性能，可以有效地降低接觸電阻，并提高器件的性能。目前，在MEMS工藝中的歐姆接觸采用RTP方式，相較于傳統(tǒng)高溫?zé)嵬嘶鸸に嚝@得更加穩(wěn)定、均勻的歐姆接觸。

離子注入激活

離子注入中，與原子核碰撞后轉(zhuǎn)移足夠的能量給品格，使基質(zhì)原子離開(kāi)品格位置而造成注入損傷(晶格無(wú)序)。由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸形團(tuán)，使遷移率和壽命等半導(dǎo)體參數(shù)受到影響。此外，大部分的離子在被注入時(shí)并不位于置換位置。為激活被注入的離子并恢復(fù)遷移率與其它材料參數(shù)，必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間與溫度下將半導(dǎo)體退火。

傳統(tǒng)爐管使用類(lèi)似熱氧化的整批式開(kāi)放爐管系統(tǒng)，需要長(zhǎng)時(shí)間高溫來(lái)消除注入損傷。RTP退火激活時(shí)間更短，但需要用更高的溫度，相較于爐管激活溫度高出50~100°C。從測(cè)試結(jié)果看，RTP退火的激活效率比爐管更低。值得一提的是，RTP退火在淺結(jié)摻雜更具有優(yōu)勢(shì)，以最小的雜質(zhì)再分布情況下完全激活雜質(zhì)。

圖 離子注入退火激活原理圖（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

薄膜淀積

在MEMS工藝中，無(wú)論是金屬還是非金屬，采用PVD工藝淀積的薄膜成為淀積態(tài)，淀積態(tài)薄膜因?yàn)槭艿骄Ц袢毕?、?yīng)力和取向等因素影響，通常及其不穩(wěn)定，需要進(jìn)行退火處理。在金屬薄膜中，金屬Pt常作為溫度電阻使用，其電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。在實(shí)際工藝過(guò)程中，退火是必須的步驟，一方面讓Pt的晶粒成核再結(jié)晶而穩(wěn)定電阻，另一方面通過(guò)退火釋放應(yīng)力，而快速降溫能有效的固定晶粒在高溫的微觀結(jié)構(gòu)，類(lèi)似淬火的作用。

在非金屬薄膜中，例如壓力薄膜PZT，350°C快速退火后傾斜柱狀晶變?yōu)榇怪敝鶢罹抑旅芑?，且晶粒完成擇?yōu)取向分布。在多層復(fù)合薄膜淀積過(guò)程中，薄膜材料會(huì)產(chǎn)生一定程度的本征應(yīng)力，若不及時(shí)消除，會(huì)影響半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。退火可以使應(yīng)力消除，材料形成平衡態(tài)，緩和晶格應(yīng)變，減少晶格缺陷和雜質(zhì)的數(shù)量和大小，提高M(jìn)EMS器件的可靠性。

審核編輯：劉清