JPV（結(jié)光電壓）技術(shù)及其在硅基外延材料摻雜中的應(yīng)用研究

北方工業(yè)大學(xué) 屈 敏 劉 聰 任宇軒 張 靜

中國科學(xué)院微電子研究所 劉金彪

當(dāng)前，在5G、云計(jì)算、人工智能以及大數(shù)據(jù)等需求的強(qiáng)力推動(dòng)下，作為基礎(chǔ)工藝的集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅猛，器件的關(guān)鍵尺寸不斷縮小，同時(shí)一些新的高遷移率材料也被引入制造當(dāng)中，用以提高器件的性能并降低功耗，這其中，Ge材料作為一類高遷移率材料最為業(yè)內(nèi)關(guān)注。為了與產(chǎn)業(yè)界的大尺寸晶圓制造工藝相兼容，這種材料的應(yīng)用一般都是通過在硅襯底上外延薄膜Ge單晶材料來實(shí)現(xiàn)的，外延材料依厚度據(jù)設(shè)計(jì)和工藝的不同，在幾十納米至幾微米不等，在納米邏輯器件中，外延層厚度一般都在百納米尺度水平，這個(gè)厚度對(duì)包括四探針一類的接觸測(cè)試接觸提出了重要挑戰(zhàn)，

四探針是工業(yè)界用于表征薄膜摻雜效果的一種最常見的手段，它利用四根探針，兩兩一組，分別作為電壓和電流測(cè)試，通過計(jì)算獲得薄膜的方塊電阻，這種方法便捷可靠重復(fù)性高，但要求薄膜底層為高阻或絕緣材料，當(dāng)對(duì)厚度較薄的外延材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，四探針的探頭極易刺穿外延薄膜直接與襯底接觸，如果襯底硅非高阻特性，就有可能影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，與此類似，在超淺結(jié)的測(cè)量中，由于結(jié)深較淺，也存在PN結(jié)被刺穿而影響測(cè)量的問題。因此工業(yè)界曾采用JPV技術(shù)（結(jié)光電壓法）對(duì)超淺結(jié)的電阻進(jìn)行表征，并取得了一定的效果，本文介紹了JPV技術(shù)的測(cè)試原理并在此基礎(chǔ)上探索了其在薄層外延材料表征上的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)基于8英寸P型硅襯底展開，首先通過RPCVD的方法在硅襯底上外延形成Ge單晶薄膜，工藝過程中通入PH3氣體進(jìn)行原位摻雜，使外延薄膜呈N型摻雜。隨后借助光刻掩膜技術(shù)，將硅片分為4個(gè)象限，在10KeV能量下進(jìn)行不同劑量的B注入以獲得不同的摻雜濃度，劑量分別是2×1014，4×1014，6×1014，8×1014，由于B在Ge材料中沒有明顯的增強(qiáng)擴(kuò)散現(xiàn)象，因此可以用仿真的結(jié)果粗略預(yù)測(cè)雜質(zhì)的分布情況和結(jié)深，襯底的原位摻雜濃度在1×1018水平，根據(jù)PN結(jié)的定義，結(jié)深的位置處于P型雜質(zhì)與N型雜質(zhì)濃度相同的位置，從仿真可知最終的結(jié)深大約都在80nm范圍內(nèi)。注入完成后在襯底表面用低溫PECVD的方法沉積一層SiO2薄膜，防止后續(xù)退火過程中的雜質(zhì)析出以及Ge襯底材料的損失。最后用RTP的方法在氮?dú)庵?00℃10s對(duì)襯底退火激活注入的雜質(zhì)并修復(fù)缺陷。退火完成后的樣品在去除氧化層后分別在四探針設(shè)備上初測(cè)電阻，并以此為基礎(chǔ)建立測(cè)試模型，多次測(cè)量驗(yàn)證測(cè)試的可靠性和重復(fù)性。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

JPV的測(cè)試原理如圖1所示，設(shè)備采用固定波長的脈沖激光光束，光束直徑約在百微米水平，波長選擇一般使得該光束在PN結(jié)位置可以被充分吸收，以波長375nm的激光器為例，光束在硅中的吸收系數(shù)約α為29.69，因而其透射深度約為33.6nm（1/α），位于雜質(zhì)分布的峰值位置，測(cè)試時(shí)光束沿法線方向垂直入射進(jìn)入圓片，在PN結(jié)附近激發(fā)出電子和空穴對(duì)，交界附近一個(gè)擴(kuò)散長度內(nèi)的載流子被調(diào)制的光在p-n結(jié)附近產(chǎn)生少數(shù)載流子，在發(fā)光區(qū)域產(chǎn)生局部時(shí)變過量的多數(shù)載流子，這些多子自發(fā)地沿平行于結(jié)的徑向擴(kuò)散遠(yuǎn)離輻射區(qū)域，這種漸變的分布產(chǎn)生了一個(gè)調(diào)制的結(jié)光電壓，以激光入射點(diǎn)為圓心，向外逐漸衰減，相應(yīng)位置晶圓上方有2個(gè)導(dǎo)電電極，它們的位置以光斑為圓心，沿徑向排列，通過電容耦合的方式測(cè)量時(shí)變的結(jié)光電壓，這二者的差值與注入層的方塊電阻有關(guān)。它們的關(guān)系可以用以下公式來表達(dá)：

圖1 JPV技術(shù)測(cè)試示意圖

Vjpv代表節(jié)光電壓，Irad為側(cè)向電流密度，Rs是摻雜層的電阻率，Φ是光電流密度，Cd是PN結(jié)電容，Gd是PN結(jié)電導(dǎo)，r是距離探針軸線的長度，ω是激子的調(diào)制頻率，借助這個(gè)關(guān)系式，在測(cè)試時(shí)，在不同的激光能量照射下掃描調(diào)制頻率，用于獲得最優(yōu)的測(cè)試條件，使JPV電壓與方塊電阻呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。圖2a，所示為結(jié)光電壓法測(cè)試的樣品的電阻分布圖，其與四探針的測(cè)試結(jié)果一致性較好（圖2b），從數(shù)據(jù)上可以看到隨著濃度的增加，二者的偏差越小。

圖2（a）不同劑量摻雜下的Ge外延材料電阻分布 （b）四探針與JPV技術(shù)的對(duì)比校正曲線

常規(guī)的四探針法測(cè)試，受探針物理尺寸限制，在直徑200mm晶圓上一般選擇121點(diǎn)測(cè)試，并依據(jù)這些信息模擬計(jì)算雜質(zhì)在片上的分布情況，相比之下由于JPV光斑更小，可以提供更詳盡的雜質(zhì)分布信息，如在1mm的間距下可以獲得超過20000個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電阻信息，這些信息可以更直觀反應(yīng)出離子注入和退火工藝的片內(nèi)均勻性。

除了電阻的信息外，JPV還可以通過表面勢(shì)的測(cè)量表征PN結(jié)漏電，用于評(píng)估PN結(jié)的損傷，JPV測(cè)量中，漏電流可以用以下關(guān)系式獲得：

Rd為PN結(jié)電阻，可以通過測(cè)量不同頻率照射下表面勢(shì)的變化獲得，依據(jù)此公式，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的樣品進(jìn)行了漏電流密度表征，圖3為對(duì)應(yīng)Ge外延摻雜襯底的結(jié)漏電測(cè)量結(jié)果，從數(shù)據(jù)上看到不同區(qū)域的PN結(jié)漏電流密度從0.3uA/cm2～2uA/cm2變化，隨著注入劑量升高而升高，與電阻變化的趨勢(shì)恰好相反，這可能是來自于注入引入的損傷未能充分修復(fù)的原因，從而快速量化表征了PN結(jié)的質(zhì)量。

圖3 （a）外延Ge材料多象限JPV漏電流測(cè)試 （b）JPV漏電流密度與JPV電阻的關(guān)系

結(jié)論：本文介紹了JPV結(jié)光電壓法進(jìn)行電阻與漏電流測(cè)試的方法，并成功在8英寸Ge外延襯底上實(shí)現(xiàn)了超淺結(jié)的非接觸測(cè)量及漏電流表征，數(shù)據(jù)證明，在這種方法在硅基Ge外延材料的摻雜表征中可行有效，為工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行新材料的表征提供了更多的檢測(cè)方案，對(duì)Ge，SiGe等高遷移率材料的集成應(yīng)用具有重要意義。