激光脉冲退火提高先进器件的性能

毫秒和微秒级别的LSA退火工艺可以提高逻辑器件和存储器器件的性能。降低热预算需要更短的小于400 μsec的退火工艺。

随着设计规则的不断缩小，需要更好的控制超浅结和突变结以及更高的杂质掺杂浓度。并且，新材料使得工艺对热预算的要求变得更加苛刻。这需要退火设备能够提供更短的退火时间和更加精确的温度控制。业界已经证明，激光脉冲退火（LSA）作为具有突破意义的新技术，对于先进的结工程，LSA可以实现无扩散的结，具有最低的电阻。采用LSA可以制造出更高性能的器件，具有更高的驱动电流，更低的漏电流，这样设计工程师就有更多的产品提升机会。

目前，LSA工艺已被大多数高性能逻辑器件制造商所采用。相对于传统的退火工艺，LSA可以实现更佳的芯片内温度分布以及应力均匀性，从而获得更佳的参数良率。并且，LSA还具备灵活性和可扩展的能力，与诸如应力硅、绝缘体上硅（SOI）、高k值栅绝缘材料/金属栅和其它新型器件结构具有良好的工艺兼容性。

我们将在下文中介绍LSA工艺和集成方法、工艺扩展性、最新的器件结果、LSA对于温度诱导应力和图形对准偏差改善的独特特性以及工艺控制和制造方面的问题。

应用于先进逻辑器件的LSA技术

从65 nm技术节点开始，LSA技术逐渐成为制造工艺中的关键技术，能够提高器件性能以及控制亚阈值漏电流。LSA在前道工艺（FEOL）中的典型应用包括：减少多晶硅耗尽层宽度、形成超浅结（USL）以及增强源/漏接触区杂质的激活。最近，LSA开始应用于控制halo区杂质分布以及利用激光诱导外延生长来控制沟道应力。

LSA的一个重要贡献在于其能够轻松地与标准CMOS工艺相集成。简单来说，可以直接使用LSA来替代现有的快速热退火工艺（RTA），而无须对已有工艺做任何调整；由于提高了杂质的激活率以及减少了多晶硅耗尽层宽度，因而改善了器件的驱动电流。更进一步的优化可以通过降低RTA退火温度以及改进源/漏区杂质分布来实现。最终，单纯的LSA工艺可以实现最佳的器件性能（图1）。单纯的LSA工艺需要对器件设计进行优化，使之与无杂质扩散的工艺相适应。对于45 nm技术节点，主流工艺仍将是低温RTA与LSA的混合工艺。最新关于LSA应用的研究是多步退火来获得最佳的器件性能。
采用激光脉冲退火（LSA）直接取代快速热退火（RTA）工艺


全球许多器件制造商都报道了在不同技术节点的体硅和SOI衬底上应用LSA来改善器件性能。测试结果表明：二氧化硅反型层厚度减少了1 Å，Ion/Ioff提高了20%，环路震荡器延时降低了10%。

根据对器件优化方式的不同，LSA不仅能够改善器件性能，还可以降低功耗。例如：采用低温RTA+LSA工艺得到的扩展电阻与标准RTA工艺相同，但PN结结深更浅，且可减少栅极与源/漏区之间的交叠程度。这样，可以在保证驱动电流不劣化的情况下改善阈值电压下降， 从而降低器件的亚阈值漏电流（更低的Ioff），实现更好的器件等比例缩减能力。

随着线宽缩小，器件寄生电阻也将随之减小，LSA的贡献更为显著。通常来讲，随着沟道长度缩短，本征沟道电阻将减小，而寄生电阻则相对不变。这将导致寄生电阻相对于本征电阻的比值提高。对于一种极端的情况，当沟道长度缩短到一定程度，将出现弹道输运，寄生电阻将成为最终的瓶颈。因此，随着器件特征尺寸不断缩小，LSA工艺所带来的寄生电阻减小，将使器件性能的改善变得更加明显。当技术节点从130 nm等比例缩小到65 nm，器件性能改善的趋势变得更加清晰。


LSA在存储器领域的应用

LSA工艺同样可以改善DRAM器件的性能。DRAM器件通常包含两个主要的功能模块，用于数据存储的单元区以及含有逻辑控制和输入/输出接口的外围逻辑电路区。对单元区以及外围区内的晶体管的参数具有完全不同的要求。对于单元区结构，低漏电流是保证低功耗的重要条件，而对于外围区内的晶体管，高性能是保证更高带宽的必要条件。通过恰当的工艺优化，可以同时满足两个区域内晶体管性能的要求。实验证明高温LSA退火工艺还能提供额外的缺陷修复功能，减少PN结漏电流以及单元区内晶体管的栅诱导漏电流。并且，由于降低了接触和扩展电阻，显著的改善了外围区内晶体管的驱动电流。

LSA工艺的超低热预算特性还能用于杂质分布的控制和优化。这对于需要精确控制掺杂原子位置的先进器件来讲至关重要。其中一个应用为MONOS型的闪存器件，LSA能够减少多晶硅与其下层的二氧化硅-氮化硅-二氧化硅叠层之间价带的偏移。这提高了空穴的注入效率，从而使器件工作区间内的擦写速度提高了近100倍。

工艺延续性

从45 nm技术节点开始，由高k值栅绝缘材料和金属栅构成的先进栅叠层结构能够降低栅漏电和多晶硅耗尽层宽度。目前有两种工艺集成方式：后制作栅工艺和先制作栅工艺。在后制作栅工艺中，制造金属栅前要进行高温结退火；而对于先制作栅工艺，退火过程位于金属栅制造工艺后。

之前已经研究了LSA对高k /金属栅结构的影响。由于降低了热预算，可以实现更薄的等效氧化层厚度以及抑制界面层生长。另一个问题是关于高k材料的热稳定性。实验表明，1300°C以上的LSA工艺不会造成HfSiON材料发生非晶/单晶相的转变。使用激光退火工艺能够使基于铪基材料的高k值薄膜获得更佳的表面形貌和更低的漏电流。

国际半导体技术蓝图（ITRS）预测，为了继续维持等比例缩小，诸如finFET这样的多栅结构很可能会取代传统的器件结构来抑制短沟道效应。这种结构通常含有更窄的半线宽和高深宽比结构。光线散射成为这种非平面结构所面临的一个问题，它会引起不均匀的光吸收和不一致的温度分布。首先，由于散射效应遵循瑞利（Rayleigh-type）散射，退火工艺中的热辐射波长至关重要。波长越短，散射越强，因此，使用较长波长的CO2激光（用于LSA工艺）所产生的散射效应将比使用可见光或者近红外线波长光源小几个数量级。

降低损耗

版图决定的系统可变性会对器件参数良率造成影响。由于对光线吸收的不均匀性，基于照明技术的瞬间RTA工艺可能会造成芯片内器件参数的非均匀性。芯片上的不同位置具有不同的折射率和图形密度，因此会产生不同的光线吸收。温度的变化会造成杂质激活率的变化以及杂质的横向扩散，从而造成器件性能和漏电的非均匀性。这些可变性都与芯片的版图相关，被称之为“图形密度效应”。通过使用较长波长的p型偏振光的CO2激光光源，以Brewster角入射到晶圆衬底，使表面反射率接近零，从而最小化图形密度效应。这使得耦合效率最大化，最重要的是，改善了光线吸收的均匀性。

由于具有更低的图形密度效应和更小的扩散，LSA可以用来改善芯片内器件性能的可变性。15通常一些环路振荡器会嵌入在芯片内的不同位置，因此我们可以画出这些环路振荡器的统计分布。与常规的RTA工艺相比，LSA结合更低温度的RTA可以降低平均延时并且使延时分布曲线宽度变窄（图3）。目前，多家制造商已经开始在不同产品中使用这种混合工艺，并且无须增加吸收层或抗反射层。


生产过程中的工艺控制

大规模生产过程中，对于LSA工艺峰值温度的测量和控制变得至关重要。生产效率优势包括：通过优化晶圆内均匀性和晶圆间的可重复性来改善器件参数良率；通过优化退火温度来获得最优的器件性能，同时还要避免产生缺陷和漏电问题对良率的劣化；通过实时工艺控制和优化减少晶圆报废；跟踪统计工艺控制（SPC）。

尽管晶圆上不同图形对LSA的吸收具有均匀性，但是我们必须控制激光输出功率本身具有的可变性。测量LSA系统的峰值温度是常规基于照明技术的RTA工艺所未曾遇到过的。对于常规RTA系统，晶圆厚度方向仅存在很小的温度梯度（热扩散长度在几个毫米的量级），因此，可以在没有器件图形的晶圆背面测量峰值温度。

而对于LSA工艺，沿晶圆厚度方向存在相当大的温度梯度（热扩散长度约为100 μm），因此必须在晶圆表面测量温度峰值，而晶圆表面通常存在器件图形。更进一步来讲，由于LSA工艺使用短暂的退火时间，因而温度控制环路的工作频率要比RTA工艺中所使用的控制电路高几个数量级。我们开发出的温度控制系统可以在工艺过程中实时测量晶圆表面的温度峰值，并且根据测量结果实时调整激光功率，从而实现对温度峰值的精确控制。

图4所示为LSA系统框架的示意图，该系统包括了测温装置和反馈回路。CO2激光束通过反射光系统形成平行光照射到晶圆表面，从而局部加热晶圆。晶圆固定于X-Y平台上的加热卡盘上，平台按控制程序运动，从而使晶圆上的区域按一定顺序接受CO2激光束的照射。通过测量辐射强度，并通过一定的算法将强度换算成温度，从而确定了晶圆上局部加热区域的温度峰值。通过微调激光功率来维持均匀的温度峰值。测温设备独特的设计避免了由于薄膜干涉效应所产生的表面发射率非均匀性的问题。控制回路工作于10 kHz的工作频率下，电路反应时间比晶圆表面的热反应时间约高10倍。测温模块已经成功的集成到LSA系统中，并且在多家IDM和代工厂中用于量产。

使用恰当的转化算法，能够将局部加热区域的热辐射强度的测量值转化为晶圆表面温度的峰值。通过对激光功率的微调来维持温度峰值的均匀性


工艺重复性

为了证明生产过程中LSA系统的温度控制性能，采用了方块电阻检测方法。以两个月为一个周期，采用LSA激光退火工艺对硼注入的薄膜进行退火，在未使用LSA温度控制系统情况下，测量退火后的薄膜电阻（Rs）。同样的实验在使用实时温度控制系统下进行。图5所示为4个月测量周期内，方块电阻均值的分布曲线，图中显示的数据测量值与目标值之间的差异。采用LSA温度控制系统后，晶圆间方块电阻均值的重复性提高了4倍。图6为晶圆内方块电阻的均匀性，数据以采用温度控制系统后SPC控制上限（UCL）为基准进行归一化。结果温度控制系统使得晶圆内方块电阻的均匀性提高了1.7倍。


LSA温度控制系统的性能还在实际产品上进行的评估。图7所示为一个产品批次内晶圆的平均温度。平均温度的重复性为1.3°C (1σ)。我们还对其它多个制造商产品的主要电学参数进行了验证，其变化曲线与温度变化曲线吻合，因此，可以通过优化温度峰值来优化器件性能。


优化热过程中的应力

毫秒退火工艺需要使用更高的退火温度，这会使晶圆发生翘曲以及器件结构发生弛豫。成功地集成毫秒退火需要对热过程进行控制，从而减小晶圆变形，实现均匀的工艺诱导的应变。通常来讲，由于时间间隔短暂，很难直接定义工艺过程中所产生的瞬间应变。但是，通过测量退火前后晶圆的翘曲程度可以帮助了解晶圆在退火瞬间的机械反应。LSA可以灵活的调整对应变产生直接影响的工艺参数，包括温度、退火时间、晶圆卡盘温度以及晶圆在反应腔内方向。通过优化次要参数，例如激光束扫描方式，也可以对应变和翘曲进行优化。

高温退火过程可能会产生两种截然不同的应力；由于相变或结构改变所产生的应力会导致结构（例如：非晶材料结晶化）中某些部分的密度发生变化，另一种应力来自于器件结构和衬底之间不同的热膨胀系数。由于两种应力产生的物理机制不同，其对器件性能的影响也随之不同，因此了解这两种应力之间的区别很重要。无论是那种情况，都可以通过改变LSA工艺参数来控制结构变化或热失配所产生的应力来优化器件性能。

嵌入式碳化硅（e-SiC）退火工艺是退火导致材料结构转变的一个实际例子。在这个应用中，e-SiC会在源/漏区内产生应力，从而提高NMOS器件的性能。e-SiC所产生的应力由碳原子含量以及碳原子在硅晶格中的替代方式决定，例如替代式还是间隙式；对于给定的碳原子含量，当替代式比例提高时，e-SiC所产生的应力也随之提高。最新的研究显示：使用LSA工艺在1300°C进行退火能够提高替代式碳原子的比例，而使用较低退火温度的常规RTA则会降低比例。

对于任何高温工艺，热效应所产生的应力失配以及相关的弹性应力会随温度升高而增大。当结构应力高于屈服应力后，材料将发生弹性形变或者产生位错。退火所带来的晶圆弯曲或者翘曲都与位错产生、成核以及扩展过程中所产生的应力弛豫相关。毫秒或微秒级别的退火工艺与常规的RTP退火之间存在着本质区别，由于存在相对较高的温度梯度和应变率，RTP容易在材料中产生应力和应变。

LSA工艺会在晶圆厚度方向和晶圆平面内产生温度梯度。由于晶圆从几摄氏度预加热到几百摄氏度，并且峰值温度位于晶圆表面，这是造成晶圆厚度方向温度梯度的原因。因此，器件顶层处于温度峰值，而衬底的温度则相对较低，造成进一步的应变失配。晶圆内的温度梯度与LSA工艺的扫描方式有关。未被激光束扫描的区域，材料处于较低温度，而已被扫描过的区域则处于急速冷却过程中。因此，处于激光照射区域内的材料形变受到周围低温材料的限制。横向束缚力约束材料之间的热失配应变，导致屈服应力的提高。因此，毫秒级扫描退火系统相对于非扫描系统在限制应力和形变方面具备内在优势。

传统退火与微秒级退火之间第二个重要区别在于对应变率的影响。首先，应变率与加热律成正比例，并且在足够高的应变率下，材料屈服特性通常依赖于应变率和温度。图8所示为相同退火温度下，退火时间从500 μsec到1200 μsec之间变化，LSA工艺在晶圆表面所产生的表面起伏。以退火时间为800 μsec为基准，将表面起伏的波峰到波谷（P-V）之间的变化进行归一化。我们可以清楚地发现，当退火时间缩短2.4倍（从500 μsec到1200 μsec）后，晶圆表面形变将降低3.5倍。并且，晶圆表面形变与退火温度之间的关系还与退火温度和构成器件的材料（例如：含有嵌入式SiGe的器件的Ge的含量）有关。尽管如此，随着退火时间的缩短，应变率和屈服强度阈值将会升高，弹性形变（可恢复的）量相对于塑性形变（永久性的）量的比例也会随之提高。因此，当退火时间低于某一临界值时，晶圆形变将完全由弹性形变构成，因而，退火工艺所产生的形变将最小化。


除了利用退火时间控制形变，退火温度也可以用来调节应变量。随着温度的升高，应变失配将增大，而屈服应力将减小。诸如LSA这样的扫描系统还提高了额外的形变控制自由度。实验表明衬底晶格取向、衬底预热温度、扫描方式以及光源特征都会对晶圆翘曲产生影响。

尽管退火工艺所产生的形变量对器件性能会产生很大影响，应力驰豫的均匀性也同样会对器件集成工艺产生影响。应变均匀性对后续工艺的影响来自于图形位置偏移，这会对曝光工艺的对准精度产生影响。特别来讲，可以通过应变均匀性来定义图形偏移的潜在趋势，这种所谓的应变非对准趋势可以通过X和Y两个方向上的应变梯度来计算。图9所示为采用常规对准精度测量设备所获得的图形非对准量与晶圆上平均应力非对准趋势之间的关系曲线。来自四片相似晶圆的8个数据点构成了一条直线，这表明对准精度偏差与应变均匀性之间存在良好的相互关系。因此，优化亚毫秒LSA退火工艺可以极大的改善对准精度：一个特殊的例子表明，将LSA退火时间从800 μsec缩短到400 μsec能够极大降低应变幅度和应变非均匀性，这使得对准精度改善了大约3倍。


结论

毫秒和微秒级别的LSA退火工艺可以提高逻辑器件和存储器器件的性能。相对于其它常规的退火工艺，LSA工艺会减少晶圆上的应力和图形对准问题，这已经为许多顶级器件制造商所证明。随着器件尺寸进一步缩小，热预算也随着降低，因此需要更短时间的退火工艺。对于45 nm和32 nm技术节点，需要退火时间小于400 μsec的LSA退火工艺。

作者：Y. Wang, J. Hebb, D. Owen and A.M. Hawryluk, Ultratech Inc., San Jose --

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http://www.52solution.com/knowledge/5536.html