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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

2021-11-03 09:24:00北方工業(yè)大學(xué)任宇軒
電子世界 2021年18期
關(guān)鍵詞:測(cè)量

北方工業(yè)大學(xué) 屈 敏 劉 聰 任宇軒 張 靜

中國(guó)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(lèi)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(guò)在硅襯底上外延薄膜Ge單晶材料來(lái)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(lèi)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(jiàn)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(guò)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(lèi)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(wèn)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(kāi),首先通過(guò)RPCVD的方法在硅襯底上外延形成Ge單晶薄膜,工藝過(guò)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(méi)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(guò)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(zhǎng)的脈沖激光光束,光束直徑約在百微米水平,波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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?lè)y(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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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。

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