尖峰退火在深亚微米超浅结中的应用
作者：周庆刚，应用材料中国公司   2008-06-11   点击:1332
  栅极和沟道的尺寸缩小，受限于源/漏结点和栅介质的发展。尽管金属栅和高k材料在逐步应用，短沟道效应(SCE)依然是个重大挑战。晶体管也会有多种二级效应：影响迁移率的载流子速度饱和效应、缩短器件寿命的热载流子效应和降低亚阈特性的漏极诱发势垒降低效应(DIBL)。短沟道效应会增加源漏极间漏电流(Isdleak)、降低漏极饱和电流(Idsat)，延缓响应时间(?=Ctransistor Vdd/Idsat)，降低晶体管速度。对于65nm工艺，结深可能会缩小到17nm。
  为了形成超浅结，可以从几个方面入手：提高源漏结点杂质浓度陡度(Abruptness)，提高掺杂浓度，还要降低注入能量和控制杂质扩散。为了降低电阻、降低耗尽宽度，沟道掺杂浓度变得很高，这会降低载流子迁移率，并可能增大漏电流形成直接带间隧穿(Band-to-band Tunneling)。掺杂剂量也要考虑开关电流(ION/IOFF)比值，过高剂量会明显降低比值，并损伤传输速度。深亚微米超浅结形成的关键不仅在于减小结深(Xj)，还要降低注入能量和控制杂质扩散。本文着重从离子注入和快热退火两方面来阐述超浅结的形成。
 
 
注入
　离子注入
  从离子注入的角度讲，采用预非晶化掺杂(Pre-amorphization Implantation, PAI)和共同离子注入(Co-implant)，降低注入深度，抑制隧道效应(Channeling)，减少射程末端(EOR)缺陷；提高注入剂量, 降低结电阻；采用高电流、低能量和大角度离子注入，有效控制掺杂元素的扩散，提高源漏扩展区(SDE)的陡度，如图1。采用较高剂量Halo结构，也能有效抑制短沟道效应(SCE)，合理的Halo区掺杂分布会极大地改善小尺寸器件性能。Halo注入角度、能量和剂量的增大会提高器件的阈值电压和开关比，降低泄漏电流和阈值漂移，有效抑制SCE、DIBL效应。
  栅沟道掺杂水平对任何B杂质原子的穿透都敏感。B瞬态增强扩散(TED)是限制超浅结形成的一个重要因素。在130nm工艺中，F和位错环可以消减B TED效应。在65nm工艺中，对PMOS采用Ge PAI处理和从C/F+B共同注入，对NMOS采用硅PAI处理和C+P共同注入，能够有效减弱TED效应，消除EOR损伤。只有消除EOR损伤，具有超浅结的器件才具有优异的漏电性能。
  改变离子注入的能量，即可控制结深。但离子注入后，采用传统的炉管高温长时间退火工艺，会造成注入离子的严重再扩散；只有快速热处理工艺的高温瞬时退火，才能既保证激活杂质又能抑制杂质的深度和横向扩散。
  尖峰退火
  半导体工艺中，常用的快速热处理(RTP)退火工艺包括均温退火(Soak Anneal) 和尖峰退火(Spike Anneal)，如图2。均温退火的特点是会在某一温度保温一段时间，它可以同时完成激活掺杂元素并修复缺陷两项功能。尖峰退火在高温滞留时间很短，其主要作用在于激活掺杂元素。在实际操作中，晶圆在某一温度稳定后快速升温，到达目标温度即刻降温。
  尖峰退火的关键参数在于温度曲线的峰温(Peak Temperature)，峰位驻留时间 (Residence Time, T-50)和温度发散度(T-spread)(如图3)，以及晶圆控片阻值。峰位驻留时间取决于升温和降温的速度。由于氦气原子小、扩散速度快，可以更快更均匀地传递热量，为减小峰宽或峰位驻留时间，必要时尖峰退火会通入氦气辅助加热和冷却。B杂质原子的穿透直接影响MOS性能，尖峰退火快速升温前采用合适的稳定温度，可以减低B的横向扩散。
  杂质能否激活完全取决于激活能量或峰值温度，与退火时间长短无关。减小峰位驻留时间，能有效抑制掺杂元素的扩散。
  尖峰退火要求有较高的升温和冷却速度，较小温度峰宽和发散度，减少晶圆受热量也即热预算 (Thermal Budget)。在应用材料公司的RadiancePlus快速热处理系统中，尖峰退火采用七根测温探头(T1~T7)进行多点控制，温度发散度能够得到有效控制，提高晶圆温度和电性能均匀度。
  RadiancePlus采用高温计(Pyrometer) 和晶圆放射率(Emissivity)来测定温度。高温计利用光感测组件吸收晶圆所发出的光谱，造成电阻或电压之变化而间接计算晶圆的温度。晶圆发射的光谱，除了温度影响外，更大的影响因素是其放射率。放射率随着晶圆表面的薄膜厚度、表面的粗糙度、其它元素的掺杂浓度，以及表面蚀刻的样式而改变。RTP系统将依照高温计和发射率数据对温度进行控制和补偿。
  尖峰退火处理加热过程时间短，对结深再扩散影响很小，这种情况的结深很大程度上由离子注入的深度决定。尽管如此，如果峰值驻留时间过长，那么杂质的扩散就会非常显著，从而就会破坏结分布就会引发杂质扩散，增大结深Xj(如图4)和陡度。
  总而言之，预非晶化处理和共同离子注入能够消除硼瞬态增强扩散效应和射程末端缺陷。采用超低能量的离子注入和适当的尖峰退火工艺，能够避免短沟道效应，并有效减少杂质扩散，调整结深和陡度，形成超浅结。

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