JPV（結光電壓）技術及其在硅基外延材料摻雜中的應用研究

北方工業大學 屈 敏 劉 聰 任宇軒 張 靜

中國科學院微電子研究所 劉金彪

當前，在5G、云計算、人工智能以及大數據等需求的強力推動下，作為基礎工藝的集成電路制造技術發展迅猛，器件的關鍵尺寸不斷縮小，同時一些新的高遷移率材料也被引入制造當中，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內關注。為了與產業界的大尺寸晶圓制造工藝相兼容，這種材料的應用一般都是通過在硅襯底上外延薄膜Ge單晶材料來實現的，外延材料依厚度據設計和工藝的不同，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，這個厚度對包括四探針一類的接觸測試接觸提出了重要挑戰，

四探針是工業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試，通過計算獲得薄膜的方塊電阻，這種方法便捷可靠重復性高，但要求薄膜底層為高阻或絕緣材料，當對厚度較薄的外延材料進行測試時，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，就有可能影響測量的準確性和可靠性，與此類似，在超淺結的測量中，由于結深較淺，也存在PN結被刺穿而影響測量的問題。因此工業界曾采用JPV技術（結光電壓法）對超淺結的電阻進行表征，并取得了一定的效果，本文介紹了JPV技術的測試原理并在此基礎上探索了其在薄層外延材料表征上的應用。

1 實驗方法

實驗基于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，將硅片分為4個象限，在10KeV能量下進行不同劑量的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擴散現象，因此可以用仿真的結果粗略預測雜質的分布情況和結深，襯底的原位摻雜濃度在1×1018水平，根據PN結的定義，結深的位置處于P型雜質與N型雜質濃度相同的位置，從仿真可知最終的結深大約都在80nm范圍內。注入完成后在襯底表面用低溫PECVD的方法沉積一層SiO2薄膜，防止后續退火過程中的雜質析出以及Ge襯底材料的損失。最后用RTP的方法在氮氣中600℃10s對襯底退火激活注入的雜質并修復缺陷。退火完成后的樣品在去除氧化層后分別在四探針設備上初測電阻，并以此為基礎建立測試模型，多次測量驗證測試的可靠性和重復性。

2 實驗數據與討論

JPV的測試原理如圖1所示，設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約α為29.69，因而其透射深度約為33.6nm（1/α），位于雜質分布的峰值位置，測試時光束沿法線方向垂直入射進入圓片，在PN結附近激發出電子和空穴對，交界附近一個擴散長度內的載流子被調制的光在p-n結附近產生少數載流子，在發光區域產生局部時變過量的多數載流子，這些多子自發地沿平行于結的徑向擴散遠離輻射區域，這種漸變的分布產生了一個調制的結光電壓，以激光入射點為圓心，向外逐漸衰減，相應位置晶圓上方有2個導電電極，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量時變的結光電壓，這二者的差值與注入層的方塊電阻有關。它們的關系可以用以下公式來表達：

圖1 JPV技術測試示意圖

Vjpv代表節光電壓，Irad為側向電流密度，Rs是摻雜層的電阻率，Φ是光電流密度，Cd是PN結電容，Gd是PN結電導，r是距離探針軸線的長度，ω是激子的調制頻率，借助這個關系式，在測試時，在不同的激光能量照射下掃描調制頻率，用于獲得最優的測試條件，使JPV電壓與方塊電阻呈現良好的線性關系。圖2a，所示為結光電壓法測試的樣品的電阻分布圖，其與四探針的測試結果一致性較好（圖2b），從數據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技術的對比校正曲線

常規的四探針法測試，受探針物理尺寸限制，在直徑200mm晶圓上一般選擇121點測試，并依據這些信息模擬計算雜質在片上的分布情況，相比之下由于JPV光斑更小，可以提供更詳盡的雜質分布信息，如在1mm的間距下可以獲得超過20000個測試點的電阻信息，這些信息可以更直觀反應出離子注入和退火工藝的片內均勻性。

除了電阻的信息外，JPV還可以通過表面勢的測量表征PN結漏電，用于評估PN結的損傷，JPV測量中，漏電流可以用以下關系式獲得：

Rd為PN結電阻，可以通過測量不同頻率照射下表面勢的變化獲得，依據此公式，對實驗中的樣品進行了漏電流密度表征，圖3為對應Ge外延摻雜襯底的結漏電測量結果，從數據上看到不同區域的PN結漏電流密度從0.3uA/cm2～2uA/cm2變化，隨著注入劑量升高而升高，與電阻變化的趨勢恰好相反，這可能是來自于注入引入的損傷未能充分修復的原因，從而快速量化表征了PN結的質量。

圖3 （a）外延Ge材料多象限JPV漏電流測試 （b）JPV漏電流密度與JPV電阻的關系

結論：本文介紹了JPV結光電壓法進行電阻與漏電流測試的方法，并成功在8英寸Ge外延襯底上實現了超淺結的非接觸測量及漏電流表征，數據證明，在這種方法在硅基Ge外延材料的摻雜表征中可行有效，為工藝設計人員進行新材料的表征提供了更多的檢測方案，對Ge，SiGe等高遷移率材料的集成應用具有重要意義。