Verdict結論
差異在於加熱的時間尺度,以及加熱晶圓的哪個部位。尖峰退火是以 RTP 設備的燈管讓整片晶圓以每秒超過200℃的速度升降溫,將停留在高溫區的時間壓在1秒以內。閃光燈退火(FLA)則是先將整體預熱至400~700℃,再以氙氣閃光照射僅數毫秒,只把表面拉高到1200℃等級。FLA 較能抑制擴散,但也伴隨正反面溫差造成熱應力這個特有課題。
主要差異
| 比較項目 | 尖峰退火 | 閃光燈退火(FLA) |
|---|---|---|
| 時間尺度 | 秒等級(高溫區停留未滿1秒) | 毫秒等級(數ms級的閃光) |
| 光源・設備 | 鎢鹵素燈(RTP 設備) | 氙氣閃光燈+預熱加熱器 |
| 加熱範圍 | 整片晶圓達到相同溫度 | 只有表面高溫,底層維持預熱溫度 |
| 峰值溫度 | 1000~1100℃等級 | 表面達1200~1300℃等級 |
| 擴散抑制 | 比傳統方法大幅改善,但有秒等級的極限 | 能維持極為陡峭的分布 |
| 主要課題 | 在微細世代中,即使1秒的擴散也不可忽視 | 正反面溫差造成的熱應力(翹曲、破片) |
| 圖形相依性 | 小 | 吸收率隨圖形密度改變,造成溫度不均 |
| 其他用途 | 也用於矽化物形成、RTO、膜質改善 | 以活化退火為主 |
從「整體快速」到「只有表面一瞬間」
尖峰退火是藉由讓整片晶圓高速升溫、降溫,來縮短停留在高溫區的時間。設備端需要每秒200~250℃的升降溫速率、低熱容量的支撐結構、多區燈管控制,以及以高溫計進行的實際量測。相對地,FLA 的思路不同,是在熱傳入晶圓內部之前就結束照射,只讓表面成為高溫。這是一種直接縮小被加熱體積的解法。
FLA 的代價是熱應力
表面達1200℃等級、背面仍維持預熱溫度的狀態,意味著晶圓內部會產生數百℃的溫差。熱膨脹差會讓晶圓翹曲,依條件不同甚至會破裂。因此,提高預熱溫度以縮小溫差、調整脈衝波形以減緩上升、改良支撐方式等對策,成為設備設計的核心課題。此外,由於光的吸收率會隨圖形密度改變,也必須管理晶片內溫度不均的圖形效應。
包含雷射退火在內的三層選項
實務上,會在這2種方式再加上雷射退火(微秒~奈秒)的三層選項中,依所需的活化率與可容許的熱預算來選擇。雷射是以小光束掃描,屬於局部加熱,有接縫與產出量方面的限制,但能追求更短時間、更高溫度。像在尖峰退火之後再疊加毫秒退火的複合配方一樣,組合多種方式也很常見。
常見問題
為什麼要縮短退火時間?
因為摻雜物的活化需要高溫,但停留在高溫的時間越長,摻雜物越會擴散,使接面變深變廣。只給予活化所需的熱、將擴散降到最低的需求,推動處理時間從秒縮短到毫秒,乃至更短。
FLA 能做出多淺的接面?
由於在熱向內部擴散之前照射就已結束,能在幾乎維持佈植後陡峭濃度分布的狀態下進行活化。因為不會發生尖峰退火無法避免的秒等級擴散,可以得到更淺、更陡峭的接面。
這2種方式會併用嗎?
會。常見的複合配方是先以尖峰退火修復晶體缺陷並達到一定程度的活化,再疊加毫秒退火來進一步提高活化率。會依所需特性與可容許的熱預算來設計組合。