尖峰退火在深亞微米超淺結(jié)中的應(yīng)用

1、尖峰退火在深亞微米超淺結(jié)中的應(yīng)用作者：周慶剛，應(yīng)用材料中國公司2008-06-11點擊:1332柵極和溝道的尺寸縮小，受限于源/漏結(jié)點和柵介質(zhì)的發(fā)展。盡管金屬柵和高k材 料在逐步應(yīng)用，短溝道效應(yīng)(SCE)依然是個重大挑戰(zhàn)。晶體管也會有多種二級效應(yīng)：影響遷 移率的載流子速度飽和效應(yīng)、縮短器件壽命的熱載流子效應(yīng)和降低亞閾特性的漏極誘發(fā)勢壘 降低效應(yīng)(DIBL)。短溝道效應(yīng)會增加源漏極間漏電流(Isdleak)、降低漏極飽和電流(Idsat)， 延緩響應(yīng)時間(?=Ctransistor Vdd/Idsat)，降低晶體管速度。對于65nm工藝，結(jié)深可能會縮小 到 17nm。為了形成超淺結(jié)，可以從幾個方

2、面入手：提高源漏結(jié)點雜質(zhì)濃度陡度(Abruptness)，提 高摻雜濃度，還要降低注入能量和控制雜質(zhì)擴散。為了降低電阻、降低耗盡寬度，溝道摻雜 濃度變得很高，這會降低載流子遷移率，并可能增大漏電流形成直接帶間隧穿(Band-to-band Tunneling)o摻雜劑量也要考慮開關(guān)電流(ION/IOFF)比值，過高劑量會明顯降低比值，并損 傷傳輸速度。深亞微米超淺結(jié)形成的關(guān)鍵不僅在于減小結(jié)深fXj)，還要降低注入能量和控制 雜質(zhì)擴散。本文著重從離子注入和快熱退火兩方面來闡述超淺結(jié)的形成。離子注入從離子注入的角度講，采用預(yù)非晶化摻雜(Pre-amorphization Implantation,

3、 PAI)和共同離 子注入(Co-implant)，降低注入深度，抑制隧道效應(yīng)(Channeling)，減少射程末端(EOR)缺陷； 提高注入劑量，降低結(jié)電阻；采用高電流、低能量和大角度離子注入，有效控制摻雜元素的 擴散，提高源漏擴展區(qū)(SDE)的陡度，如圖1。采用較高劑量Halo結(jié)構(gòu)，也能有效抑制短溝 道效應(yīng)(SCE)，合理的Halo區(qū)摻雜分布會極大地改善小尺寸器件性能。Halo注入角度、能 量和劑量的增大會提高器件的閾值電壓和開關(guān)比，降低泄漏電流和閾值漂移，有效抑制SCE、 DIBL效應(yīng)。圖I柵糧姑枸簡圖柵溝道摻雜水平對任何B雜質(zhì)原子的穿透都敏感。B瞬態(tài)增強擴散(TED)是限制超淺結(jié) 形成

4、的一個重要因素。在130nm工藝中，F(xiàn)和位錯環(huán)可以消減B TED效應(yīng)。在65nm工藝 中，對PMOS采用Ge PAI處理和從C/F+B共同注入，對NMOS采用硅PAI處理和C+P共 同注入，能夠有效減弱TED效應(yīng)，消除EOR損傷。只有消除EOR損傷，具有超淺結(jié)的器 件才具有優(yōu)異的漏電性能。改變離子注入的能量，即可控制結(jié)深。但離子注入后，采用傳統(tǒng)的爐管高溫長時間退火 工藝，會造成注入離子的嚴重再擴散；只有快速熱處理工藝的高溫瞬時退火，才能既保證激 活雜質(zhì)又能抑制雜質(zhì)的深度和橫向擴散。尖峰退火半導(dǎo)體工藝中，常用的快速熱處理(RTP)退火工藝包括均溫退火(Soak Anneal)和尖峰退 火(Spi

5、ke Anneal)，如圖2。均溫退火的特點是會在某一溫度保溫一段時間，它可以同時完成 激活摻雜元素并修復(fù)缺陷兩項功能。尖峰退火在高溫滯留時間很短，其主要作用在于激活摻 雜元素。在實際操作中，晶圓在某一溫度穩(wěn)定后快速升溫，到達目標(biāo)溫度即刻降溫。枷1購就 網(wǎng) 4S冒zapnfgalullql圖2均溫退火和尖峰遢火刊溫度曲線對比尖峰退火的關(guān)鍵參數(shù)在于溫度曲線的峰溫(Peak Temperature)，峰位駐留時間(Residence Time, T-50)和溫度發(fā)散度(T-spread)(如圖3)，以及晶圓控片阻值。峰位駐留時間取決于升溫 和降溫的速度。由于氦氣原子小、擴散速度快，可以更快更均勻地

6、傳遞熱量，為減小峰寬或 峰位駐留時間，必要時尖峰退火會通入氦氣輔助加熱和冷卻。B雜質(zhì)原子的穿透直接影響 MOS性能，尖峰退火快速升溫前采用合適的穩(wěn)定溫度，可以減低B的橫向擴散。Peak t-emperature11$Q r&48 es 707；74圖3尖峰遮火的主要參數(shù)雜質(zhì)能否激活完全取決于激活能量或峰值溫度，與退火時間長短無關(guān)。減小峰位駐留時 間，能有效抑制摻雜元素的擴散。尖峰退火要求有較高的升溫和冷卻速度，較小溫度峰寬和發(fā)散度，減少晶圓受熱量也即 熱預(yù)算(Thermal Budget)。在應(yīng)用材料公司的RadiancePlus快速熱處理系統(tǒng)中，尖峰退火采 用七根測溫探頭(T1T7)進行多點

7、控制，溫度發(fā)散度能夠得到有效控制，提高晶圓溫度和電 性能均勻度。RadiancePlus采用高溫計(Pyrometer)和晶圓放射率(Emissivity/測定溫度。高溫計利用 光感測組件吸收晶圓所發(fā)出的光譜，造成電阻或電壓之變化而間接計算晶圓的溫度。晶圓發(fā) 射的光譜，除了溫度影響外，更大的影響因素是其放射率。放射率隨著晶圓表面的薄膜厚度、 表面的粗糙度、其它元素的摻雜濃度，以及表面蝕刻的樣式而改變。RTP系統(tǒng)將依照高溫 計和發(fā)射率數(shù)據(jù)對溫度進行控制和補償。尖峰退火處理加熱過程時間短，對結(jié)深再擴散影響很小，這種情況的結(jié)深很大程度上由 離子注入的深度決定。盡管如此，如果峰值駐留時間過長，那么雜質(zhì)的擴散就會非常顯著， 從而就會破壞結(jié)分布就會引發(fā)雜質(zhì)擴散，增大結(jié)深Xj(如圖4)和陡度。閣4峰位畦昭時間仰制）對