由单一离子造成的损伤可以在室温下通过衬底内原子的热运动很快自我退火而消除。然而在离子注入过程中,离子总数非常大,以至于单晶衬底中靠近表面部分造成大量的晶格损伤,进而使单晶硅变成非晶态,退火过程无法在短时间内修复晶体的损伤。损伤的效应与剂量、能量和离子的质量有关,会随剂量与离子能量的增大而增加。如果注入的剂量过高,靠近衬底表面的离子射程内,衬底的晶体结构会完全被破坏而变成非晶态。

 

为了达到元器件设计的要求,晶格损伤必须在热退火过程中修复成单晶结构并激活掺杂物。只有当掺杂物原子在单晶体晶格位置时,才能有效提供电子或空穴作为电流的主要载体高温过程中,原子能从热能中获得能量并进行快速热运动。当运动到单晶晶格中具有最低自由能的位置时,就将停留在此位置。因为在没有被破坏的衬底下是单晶硅,所以被破坏的非品态层中的硅与掺杂物原子,将在靠近单晶硅界面位置通过落入晶格位置且被晶格能束缚后重建单晶结构。下图说明了在热退火过程中的晶体复原及掺杂物的激活情况。

 

高温过程中,单晶体的热退火、掺杂物原子的激活和掺杂物原子的扩散将同时发生。当集成电路的图形尺寸缩小到深亚微米时,将只有极小的空间使掺杂物原子扩散,因此必须在加热退火过程中将掺杂物的扩散减到最小。掺杂物原子在非品硅中具有不受限制的自由热移动,比在单晶体晶格中的扩散快,这是因为单晶体晶格的束缚能将严重限制掺杂物原子的运动。当温度较低时,扩散过程将快于退火过程;而当温度较高时,例如高于1000℃,退火过程比扩散过程快,这是因为退火的激活能(约5eV)比扩散的激活能(3-4eV)高。

 

高温炉广泛用于进行注入后的热退火。高温炉的退火处理是一个批量过程,在850℃至1000℃情况下,通常约30min能处理100片晶圆。因为高温炉的热退火过程需要较长的时间,所以掺杂物原子的扩散十分严重,这对于小图形尺寸的元器件而言无法接受,只有在一些非关键性的大图形尺寸注入过程中,例如阱区注入过程,高温炉才应用于注入后的热退火及掺杂物的驱入。对于较关键的掺杂步骤,例如源极/漏极注入后的热退火,将造成过多的掺杂物扩散而对亚微米微电子晶体管造成无法接受的性能损伤。

 

快速加热过程(RTP)是将注入造成的损伤通过退火消除的一种工艺过程,同时也能使掺杂物的扩散减小到符合缩小集成电路元器件的条件。RTP是一个升温速率可达250℃/s的单晶圆系统,并在1100℃左右有很好的温度均匀性控制能力。对于RTP系统,快速加热退火(RTA)过程可以在1150℃时操作,在这个温度下,离子注入引起的损伤可以在20s内被退火消除。RTA系统大约每分钟处理一片晶圆,这个过程包括晶圆升温、退火、晶圆冷却和晶圆被送出。下图比较了高温炉与RTP热退火过程。