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以激光脉冲区域电极原子探测分析3D硅-基结构

2007-03-02 16:04
seele_jin
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K. Thompson, D.J. Larson, R.M. Ulfig, J.H. Bunton, T.F. Kelly, Imago Scientific Instuments, Madison, Wisconsin

利用高速激光脉冲与区域电极几何结构的引入,将3D原子探测提升成为足以分析原子对原子基础之硅-基纳米结构的一种度量仪器。在这项测量中使用电压脉冲与激光脉冲方式分析重掺杂的硅,其结果呈现出激光脉冲分析所提供较佳的质量分辨率与灵敏度,并具有分析未掺杂的硅-硅锗结构的能力。比起二次离子质谱议(SIMS),激光脉冲区域电极原子探测(LEAP)提供了较佳的空间与深度分辨率的界面分析,以及多层硅-硅锗堆栈中的锗与硼原子的定量分析。

依据国际半导体技术蓝图(ITRS),在2013年前平面CMOS组件的物理极限长度将会缩小至18纳米,要求的接面深度小于9纳米[1,2]。目前,在缩小化过程中维持组件完整性的最常见方式,是在关键组件区域中尽量增加活性掺杂物浓度,并使这些掺杂物在后续热处理过程时尽量避免重新分布。然而,ITRS推测不论实际上或目前尚未实现的掺杂物标准,都将在离子布植与快速热退火时面临明显的限制。因此,显然需要另一种组件策略。

选用硅锗(SiGe)大为缓和了组件设计与制造上的关键面积需求。举例而言,在硅中加入锗构成硅锗合金,使硅中的张力状态得以调整,使其应力状态从高硅等级的伸张改变至高锗等级的压缩。在信道中制造这种张力状态,也就是在通道下方掺杂一硅锗层,明显地提高了通道中的空穴移动率。如此,直接提升了驱动电流,但并未在功耗上造成显著提高。

此外,在源极/汲极区域中选用掺杂硅锗取代结晶硅,减少了掺杂物在源极/汲极中的电活性不足,以及掺杂物原子从源极/汲极过度重新分布进入信道区域等问题。此技术也提供了显著降低热预算的可能性,这对于高介电常数闸极电介质在热处理上的限制很可能有其必要。再者,在源极/汲极与信道之间的过度区域之特定原子成份(即氟、碳等)的策略配置,也(藉由电性测量)降低短通道效应与漏电流[9]。这些先进的组件设计,搭配高介电常数闸极电介质,给予了延长平面CMOS技术生命之愿景,并进一步改善了仍处于研发阶段中的先进组件之效能。

要实现这样的先进制程设计(以及后续的制造过程维护)代表需要完整的先进度量技术。在此说明的特有纳米组件量化工程,需要能够提供在特定组件中的原子位置与基础辨认之度量解决方案。目前为止,并无已发表的技术能够在完整的3D层级上满足此一需求。最近引进的激光区域电极原子探测,提供了符合这些标准的一种潜在方式。

LEAP分析
原子探测分析技术已问世数十年之久[10]。当原子探测应用在冶金领域上成长时,此分析技术却在半导体领域中失去了显著的立足点。其原因包含许多:缓慢的数据收集速率、有限的观察范围、复杂且非标准的硬件架构、样品制备上的困难度、不能从硅晶圆上分析样品等等。而LEAP[11,12]的实现已解决这些问题中的一大部份,使得原子探测广泛应用于冶金领域,其在半导体技术上的应用仍受限于电压脉冲原子探测无法分析非导电性样品。

原子探测藉由施加短暂的(1 nsec)高幅电压脉冲(高达约3000伏)至针状样品的基板[10,13],以达成场发射。精确的数据收集要求此脉冲传递至样品尖端时,没有明显的衰减或短暂地发散。如此限制了材料的分析种类在有效的电导体,即主要为金属样品。而完全由重掺杂硅所构成的重要硅基结构(主要是超浅接面),已能在利用区域电极几何结构之原子探测系统中成功地加以分析[14,15],由轻掺杂或电介质区域所构成的硅样品无法以电压脉冲原子探测加以分析。利用激光脉冲达到高电阻系数材质之场发射[16],原则上对于硅基半导体及电介质之原子探测分析呈现了相当的潜力。

本文首度证实了非并行使用区域电极几何结构与极高速激光脉冲之系统的空前能力。结果为未掺杂的硅-硅锗测试结构与单一层掺杂的硅-硅锗测试结构之有效分析。与SIMS数据的关联性也加以呈现。

实验细节
二个原子探测系统在本文所述的实验中。第一个原子探测为使用区域电极几何结构的电压脉冲系统。温度以氦气冷却鳍片来控制,并能从室温变化低至约20K。分析腔体的基础压力在所有分析时=10-8 Pascal。在分析时无气体被导入腔体中。电压以200kHz的责任周期产生脉冲,且脉冲宽度约为1 nsec。所施加的最大直流电压为15千伏,而最大脉冲电压为2.2千伏。第二个原子探测除了场发射脉冲机制是透过高速激光来达成外,其余与第一个系统完全相同。在所有的激光脉冲实验中,样品基板温度定在40K。本文中的所有浓度以原子百分比表示。
硅-硅锗的多层薄膜堆栈是在足够低的温度下沈积,以降低在沈积制程中预期发生之扩散。这些结构提供了用于不同解析技术之间的关联性之完美测试堆栈,因为层间转换应为骤变的,除了层的表面粗糙度(典型上<1纳米)之外。堆栈的SIMS分析用来与区域电极原子探测数据作比较。

结果
重掺杂的硅,在低温下之未掺杂的硅结构之电压脉冲原子探测分析,一般来说是不可能的。为了产生电压与激光脉冲模式之直接比较,在每一系统中采用重度掺杂锑的硅样品加以分析。图一中呈现比较之质谱。很明显的,激光系统对掺杂物提供了比较高的质量分辨率与较大的灵敏度(即较大的信号/噪声比)。电压脉冲与激光脉冲系统的灵敏度分别为~10,000:1与~50,000:1。质量分辨率的改善是激光比电压脉冲系统具有较短的脉冲宽度,并消除了在电压脉冲系统所观察到的「能量不足」现象所得到的结果[13]。在传统系统中,脉冲宽度为分辨率上的限制因素。由于激光的短脉冲宽度,质量分辨率的主要限制从脉冲机制转移至侦检器的时序电路。
未掺杂的硅-硅锗,第一个高电阻系数结构分析为连续的硅-硅锗层。此结构中各层皆未掺杂。即使样品温度或脉冲振幅、宽度与责任周期皆未改变,场发射在电压脉冲系统中无法实现。根据其它不同的测试结果,像这样的高电阻系数样品即使在改变各种参数的情形下,也不可能在场发射上得到改善[17,18]。
相同的高电阻系数结构在激光脉冲系统中加以分析。图二a为测试结构的原子分布图,为了清晰起见,以2D投影方式呈现。红点代表硅原子的位置,而绿点为锗原子位置。从3D影像中抽出原子组成在分析方向上的1D影像,与传统的SIMS分析作比较。此1D组成藉由在样品的中心区域制造直径15纳米的分析圆柱来达成,如图二a中所呈现的虚线区域。图柱被切成约0.3纳米的片状,并在每片中计算各种原子。锗的原子数目除以原子的总数,以得到锗的浓度百分比当作深度的函数。图二b呈现伴随SIMS分析的结果。在堆栈中之各层的组成很明显:具有6%锗的60纳米硅锗层;35纳米的硅层;以及具有9%锗成分的另一硅锗层。
图二b的坐标轴代表每一片的浓度与原子数。以原子来量化数据,更容易体会这种分析是以原子探测来进行。在仅含硅的区域中,在D分析圆柱中每片有10,000?00个硅原子。而在第一与第二硅锗层中,每一片分别有600?5个锗原子与900?30个锗原子。从1D组成影像上可看到有明显的锗原子统计数据变动,而这是在任意材料中的自然原子波动结果。此自然波动可以二项式分布函数详加定义。对于稀释物质(即低于10%),相当近似于Poisson分布。此自然变动可藉由提高每片的原子数而降低,也就是增加分析试片的体积。如此可采用较厚的试片以降低深度分析(z方向)上的空间灵敏度来达成,或是加大分析圆柱的直径以降低x-y方向上的空间灵敏度。
图二b中所示的原子探测与SIMS资料彼此相关,但在分析技术上有二个显著的差异点。首先,SIMS分析的斜率「卷离」接近7nm/decade,而相较于原子探测,其呈现出仅1nm/decade的斜率卷离。其次,这二项分析技术都侦测到锗原子堆积在硅锗-硅界面上。SIMS分析量化此堆积为~9%,而原子探测量化其为~12.75%。依据原子探测资料,堆积的宽度为2纳米。这样的长度等级因SIMS在峰值的高斜率卷离而无法正确量化。锗的堆积量可藉由制造数个半径5纳米的分析圆柱,并检测从每个圆柱抽出的1D组成影像,量化成区域位置的函数。结果显示锗的堆积呈局部变化,每个分析圆柱的峰值锗百分比浓度为11.8、14.0 、14.8、11.1及12.6。5纳米圆柱的平均值12.8%,与15纳米半径圆柱所得到的12.75%极为相近。最后,因为原子的位置与性质为已知,硅锗-硅界面的平均化学粗糙度可藉由绘出在此界面上的等化学表面来加以量化。
因为二种分析技术的特性之故,原子探测在硅锗-硅界面上的分析可能比SIMS更为精确。除非在原子探测数据上提供额外的信息,SIMS在多重元素材质(例如硅锗)及相当深度的材质(即>50微米)上难以达到高质量的深度影像。有相当数量材质相互混合,这是因为用来溅射移除材质的高能离子束「模糊」了这些层间的界面所造成的结果。同时,SIMS溅射与离子化速率皆会因材质组成而改变。因此,以SIMS做埋入界面的定量分析基本上是种挑战。因为原子探测利用场发射且并未含有高能离子束,所以像离子化效率、溅射速率与离子混合等参数不会构成分析上的影响因素。当理论上的场发射可在材质间作改变时(例如钨44V/nm vs.铝22V/nm),硅与锗的场发射临限近似33V/nm [13]。因此,原子探测在z方向上的分辨率比SIMS更为灵敏,特别是对多重组成材质而言。
硅-硅锗-硅:硼,第三个测试结构分析为另一个连续的硅-硅锗层,不同的是本次的其中一个硅层掺杂了硼。再一次不论怎样的样品温度或脉冲振幅,场发射在电压脉冲系统中无法达成。
激光脉冲原子探测再次成功地分析此测试结构。图三a呈现多层测试结构的3D原子分布图。此外,硅原子呈现为红点,而锗原子为绿点。硼掺杂物原子以蓝色球体表示,较大的尺寸用以强调。图三b呈现测试结构在分析方向上的原子组成1D影像。第一个硅锗层为30纳米厚,锗浓度28%。第二个硅锗层为20纳米厚,锗浓度20%。硼掺杂的硅区域明显地具有1021/cm3之峰值浓度(以每片的原子数绘于右方坐标轴)。显示出部份的掺杂物原子从硅区域扩散进入邻接的硅锗区域。
图四呈现此分析对应于硼与硅区域的质谱。硅原子主要在2+电荷态被测得,且同位素在14、14.5与15很明显。硼原子如所示,在1+与2+电荷态被测得。单独的硼同位素很明显。值得说明的是在同位素尖峰之间没有重迭,代表此系统的质谱更足以区别同位素靠近的原子。噪声基底接近10个单位,而硅主峰值将近一百万单位。这表示掺杂物灵敏度低至~1018/cm3。
结论
与SIMS数据相比,激光原子探测在这些系统中提供优良的界面分析。激光原子探测具有1nm/decade的深度分辨率,而SIMS为7nm/decade。加上了区域电极几何结构与快速脉冲激光设计,3D原子探测对于在硅-与硅锗-基材质中的掺杂物原子,提供了一种优良的分析技术。除了提供一种对界面上锗堆积比较精确的量化分析之外,原子探测分析能够收集有关界面化学粗糙度的信息,以及在极小区域范围上的原子分布之不连续量化数据。
在局部区域上、原子层级上,以3D方式分析硅及硅锗结构的能力,提供了许多用来描述硅-基组件特性的独特机会。最引人注目的是现在能够在实际组件上分析掺杂物原子的2D与3D分布。监测掺杂物从源极/汲极区域侧向扩散进入信道区域,为其中的一种可能。现在也可监测在组件本身的特征尺寸上的界面杂质,例如在硅锗沈积制程中所累积的。
已广泛应用在TEM分析上的聚焦离子束剥离技术,可以在组件晶圆的微小区域(<1 x 1微米)上制作样品。能够从晶圆在不同处理点的测试结构区域抽取小片的硅,使晶圆制作时得以在特定区域建立各别的原子分布图。最后的结果将成为特定组件或晶圆区域的制程记录。多种优点将引领新制程技术更快速的发展与布局,以及故障分析上的丰富信息来源。SST-AP/Taiwan

致谢
作者感谢S. Corcoran, Intel Corp的协助。

参考文献
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作者
K. Thompson,从U. of Wisconsin获得他的电机工程PhD学位。他是Imago Scientific Instruments Corp.的研究员,地址:6300 Enterprise Lane, Madison, WI 53719,电话:608/274-6880。
D.J. Larson,从U. of Wisconsin获得他的物理与数学学士学位,以及他的材料科学硕士与PhD学位。他是Imago Scientific Instruments Corp.的研究员。
R.M. Ulfig,从UW-Madison获得他的核子工程学士学位,以及他的材料科学与工程硕士学位。他是Imago Scientific Instruments Corp.的资深应用工程师。
J.H. Bunton,从UW-Madison获得的材料科学与工程学士学位,以及他的材料科学硕士学位。他是Imago Scientific Instruments R&D部门的资深项目工程师。
T.F. Kelly,从西北大学获得他的学士学位,并从MIT获得他的材料科学PhD学位。他是Imago Scientific Instruments的创办人与CTO。

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