尖峰退火在深亚微米超浅结中的应用

1、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

2、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)o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fXj)，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。离子注入从离子注入的角度讲，采用预非晶化掺杂(Pre-amorphization Implantation,

3、 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。图I栅粮姑枸简图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

4、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(Spi

5、ke 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。枷1购就 网 4S冒zapnfgalullql图2均温退火和尖峰遢火刊温度曲线对比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

6、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。Peak t-emperature11$Q r&48 es 707；74图3尖峰遮火的主要参数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(T1T7)进行多点

7、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/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。阁4峰位畦昭时间仰制）对