MEMS工艺中快速退火的应用范围和优势介绍

本文介绍了MEMS工艺中快速退火的应用范围和优势。  

在MEMS工艺中，常用的退火方法，如高温炉管退火和快速热退火（RTP）。RTP (Rapid Thermal Processing)是一种在很短的时间内将整个硅片加热到400~1300°C范围的方法。与炉管退火相比，它具有热预算少、硅中杂质运动少、污染少和加工时间短的特点。

RTP工艺是一类单片热处理工艺，其目的是通过缩短热处理时间和温度或只缩短热处理时间来获得最小的工艺热预算（Thermal Budget），RTP工艺的发展，是为了适应等比例缩小器件结构对杂质再分布的严格要求。

高温炉管采用电阻丝，而RTP采用加热灯管。传统炉管利用热对流及热传导原理，使硅片与整个炉管周围环境达到热平衡，温度控制精确，而RTP设备通过热辐射选择性加热硅片，较难控制硅片的实际温度及其均匀性，尤其是对于一个表面带有图案的硅片，不均匀性更为明显。RTP最大的优势就是快速升降温，升降温速率为10~200℃/秒，而传统炉管的升降温速率为1-20℃/分钟。RTP设备为单片工艺，而传统炉管为批处理工艺。

最早的RTP工艺主要用于注入后的退火，目前，RTP工艺在MEMS中的的应用范围已扩展到更多的领域。

欧姆接触

欧姆接触退火激活工艺是MEMS器件制造中常用的工艺，在这个工艺中，通过在金属电极和半导体器件之间热退火，进而改善它们之间的接触性能，可以有效地降低接触电阻，并提高器件的性能。目前，在MEMS工艺中的欧姆接触采用RTP方式，相较于传统高温热退火工艺获得更加稳定、均匀的欧姆接触。

离子注入激活

离子注入中，与原子核碰撞后转移足够的能量给品格，使基质原子离开品格位置而造成注入损伤(晶格无序)。由于离子注入所造成的损伤区及畸形团，使迁移率和寿命等半导体参数受到影响。此外，大部分的离子在被注入时并不位于置换位置。为激活被注入的离子并恢复迁移率与其它材料参数，必须在适当的时间与温度下将半导体退火。

传统炉管使用类似热氧化的整批式开放炉管系统，需要长时间高温来消除注入损伤。RTP退火激活时间更短，但需要用更高的温度，相较于炉管激活温度高出50~100°C。从测试结果看，RTP退火的激活效率比炉管更低。值得一提的是，RTP退火在浅结掺杂更具有优势，以最小的杂质再分布情况下完全激活杂质。

图 离子注入退火激活原理图（图片源于网络）

薄膜淀积

在MEMS工艺中，无论是金属还是非金属，采用PVD工艺淀积的薄膜成为淀积态，淀积态薄膜因为受到晶格缺陷、应力和取向等因素影响，通常及其不稳定，需要进行退火处理。在金属薄膜中，金属Pt常作为温度电阻使用，其电学性质稳定性非常关键。在实际工艺过程中，退火是必须的步骤，一方面让Pt的晶粒成核再结晶而稳定电阻，另一方面通过退火释放应力，而快速降温能有效的固定晶粒在高温的微观结构，类似淬火的作用。

在非金属薄膜中，例如压力薄膜PZT，350°C快速退火后倾斜柱状晶变为垂直柱状晶且致密化，且晶粒完成择优取向分布。在多层复合薄膜淀积过程中，薄膜材料会产生一定程度的本征应力，若不及时消除，会影响半导体器件的电学性能。退火可以使应力消除，材料形成平衡态，缓和晶格应变，减少晶格缺陷和杂质的数量和大小，提高MEMS器件的可靠性。

审核编辑：刘清