JPV（结光电压）技术及其在硅基外延材料掺杂中的应用研究

2021-11-03北方工业大学任宇轩

电子世界 2021年18期

北方工业大学屈敏刘聪任宇轩张静

中国科学院微电子研究所刘金彪

当前，在5G、云计算、人工智能以及大数据等需求的强力推动下，作为基础工艺的集成电路制造技术发展迅猛，器件的关键尺寸不断缩小，同时一些新的高迁移率材料也被引入制造当中，用以提高器件的性能并降低功耗，这其中，Ge材料作为一类高迁移率材料最为业内关注。为了与产业界的大尺寸晶圆制造工艺相兼容，这种材料的应用一般都是通过在硅衬底上外延薄膜Ge单晶材料来实现的，外延材料依厚度据设计和工艺的不同，在几十纳米至几微米不等，在纳米逻辑器件中，外延层厚度一般都在百纳米尺度水平，这个厚度对包括四探针一类的接触测试接触提出了重要挑战，

四探针是工业界用于表征薄膜掺杂效果的一种最常见的手段，它利用四根探针，两两一组，分别作为电压和电流测试，通过计算获得薄膜的方块电阻，这种方法便捷可靠重复性高，但要求薄膜底层为高阻或绝缘材料，当对厚度较薄的外延材料进行测试时，四探针的探头极易刺穿外延薄膜直接与衬底接触，如果衬底硅非高阻特性，就有可能影响测量的准确性和可靠性，与此类似，在超浅结的测量中，由于结深较浅，也存在PN结被刺穿而影响测量的问题。因此工业界曾采用JPV技术（结光电压法）对超浅结的电阻进行表征，并取得了一定的效果，本文介绍了JPV技术的测试原理并在此基础上探索了其在薄层外延材料表征上的应用。

1 实验方法

实验基于8英寸P型硅衬底展开，首先通过RPCVD的方法在硅衬底上外延形成Ge单晶薄膜，工艺过程中通入PH3气体进行原位掺杂，使外延薄膜呈N型掺杂。随后借助光刻掩膜技术，将硅片分为4个象限，在10KeV能量下进行不同剂量的B注入以获得不同的掺杂浓度，剂量分别是2×1014，4×1014，6×1014，8×1014，由于B在Ge材料中没有明显的增强扩散现象，因此可以用仿真的结果粗略预测杂质的分布情况和结深，衬底的原位掺杂浓度在1×1018水平，根据PN结的定义，结深的位置处于P型杂质与N型杂质浓度相同的位置，从仿真可知最终的结深大约都在80nm范围内。注入完成后在衬底表面用低温PECVD的方法沉积一层SiO2薄膜，防止后续退火过程中的杂质析出以及Ge衬底材料的损失。最后用RTP的方法在氮气中600℃10s对衬底退火激活注入的杂质并修复缺陷。退火完成后的样品在去除氧化层后分别在四探针设备上初测电阻，并以此为基础建立测试模型，多次测量验证测试的可靠性和重复性。

2 实验数据与讨论

JPV的测试原理如图1所示，设备采用固定波长的脉冲激光光束，光束直径约在百微米水平，波长选择一般使得该光束在PN结位置可以被充分吸收，以波长375nm的激光器为例，光束在硅中的吸收系数约α为29.69，因而其透射深度约为33.6nm（1/α），位于杂质分布的峰值位置，测试时光束沿法线方向垂直入射进入圆片，在PN结附近激发出电子和空穴对，交界附近一个扩散长度内的载流子被调制的光在p-n结附近产生少数载流子，在发光区域产生局部时变过量的多数载流子，这些多子自发地沿平行于结的径向扩散远离辐射区域，这种渐变的分布产生了一个调制的结光电压，以激光入射点为圆心，向外逐渐衰减，相应位置晶圆上方有2个导电电极，它们的位置以光斑为圆心，沿径向排列，通过电容耦合的方式测量时变的结光电压，这二者的差值与注入层的方块电阻有关。它们的关系可以用以下公式来表达：

图1 JPV技术测试示意图

Vjpv代表节光电压，Irad为侧向电流密度，Rs是掺杂层的电阻率，Φ是光电流密度，Cd是PN结电容，Gd是PN结电导，r是距离探针轴线的长度，ω是激子的调制频率，借助这个关系式，在测试时，在不同的激光能量照射下扫描调制频率，用于获得最优的测试条件，使JPV电压与方块电阻呈现良好的线性关系。图2a，所示为结光电压法测试的样品的电阻分布图，其与四探针的测试结果一致性较好（图2b），从数据上可以看到随着浓度的增加，二者的偏差越小。

图2（a）不同剂量掺杂下的Ge外延材料电阻分布（b）四探针与JPV技术的对比校正曲线

常规的四探针法测试，受探针物理尺寸限制，在直径200mm晶圆上一般选择121点测试，并依据这些信息模拟计算杂质在片上的分布情况，相比之下由于JPV光斑更小，可以提供更详尽的杂质分布信息，如在1mm的间距下可以获得超过20000个测试点的电阻信息，这些信息可以更直观反应出离子注入和退火工艺的片内均匀性。

除了电阻的信息外，JPV还可以通过表面势的测量表征PN结漏电，用于评估PN结的损伤，JPV测量中，漏电流可以用以下关系式获得：

Rd为PN结电阻，可以通过测量不同频率照射下表面势的变化获得，依据此公式，对实验中的样品进行了漏电流密度表征，图3为对应Ge外延掺杂衬底的结漏电测量结果，从数据上看到不同区域的PN结漏电流密度从0.3uA/cm2～2uA/cm2变化，随着注入剂量升高而升高，与电阻变化的趋势恰好相反，这可能是来自于注入引入的损伤未能充分修复的原因，从而快速量化表征了PN结的质量。