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离子注入后晶圆清洗带来的材料和掺杂剂损失的测量

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发表在  2009-11-26 19:15:45  | 显示全部楼层 | 阅读模式

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 对45nm及以下技术节点的逻辑器件制造来说,经过次数不断增加的高剂量离子注入光阻层的清洗步骤后,仍保持超浅结(USJ)的完整性非常重要。在PMOS区采用SiGe带来了材料方面的又一挑战。一种新型短循环法可精确测量各种去胶/清洗工艺造成的非晶硅或SiGe的损失量。

  根据国际半导体技术蓝图(ITRS),45 nm技术节点下,每次清洗步骤导致逻辑器件硅损失的标准要求是0.3?;32 nm技术节点下,每次清洗损失标准为0.2?。对大剂量离子注入的光刻胶所做的10次或10次以上的前端工艺(FEOL)清洗步骤及其他清洗工艺而言,允许总的硅损失量约为3?。提升式源/漏极(raised S/D)可接受的SiGe损失量还未定义,但随着SiGe逐渐被集成到沟道中,清洗工艺对SiGe的影响也将变得更为重要。

  要优化器件特性,显然有必要控制清洗工艺对SiGe的影响。将来,随着人们采用先进材料和技术以实现对尺寸的持续缩小,制造存储器件也会面临同样的问题。实际上,在先进DRAM器件的制造中,已经采用外延硅来提升S/D,这样可以改进的漏电流和记忆保持时间。

  优化去胶/清洗工艺对于成品率和器件特性都很重要。最重要的FEOL清洗步骤可能就是大剂量离子注入(HDIS)后的清洗。随着器件的缩小,在满足超浅结(USJ)或其它关键材料越来越严格的损伤/氧化/损失要求的同时,还要保证灰化残留物的清洗效率将变得越来越困难。若将这种残留物留存下来,将形成很高的接触电阻或影响器件的可靠性。但过于激进的清洗方法可能引起材料/掺杂损失,增加薄层电阻(Rs)和减少S/D驱动电流从而改变了器件的电学特性。

  许多制造商试图用各种方法来减少硅损失和SiGe损失。部分采用降低SC1湿法清洗温度的方法,但这种方法降低了残留物和颗粒的清洗效率,给干法去胶工艺增加了难度。同样的,对于低能和/或低剂量注入水平的情况,人们发现利用无氧化特性的化学物质进行等离子去胶可以减少硅氧化,但根据注入条件的不同,也会在不同程度上降低清洗效率。

  对于采用SiGe进行应力工程的逻辑器件,由于需要确定清洗工艺对裸露的外延SiGe的影响,情况就变得非常复杂。由于GeO2溶于水,SiGe损失与硅损失的区别很大。此外,掺杂(非晶化)的SiGe可能和晶体SiGe的损失也有很大不同,对晶体SiGe进行精确且低成本的光学测量非常容易。

  目前TEM法是用于测量结材料损失的常见方法,但TEM测量技术本身速度很慢,而且样品制备所需的手工操作可能引入误差。本文所进行的研究也曾试图采用TEM,但变化的因素太多而造成结果不可信(图1)。

                               
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  显然需要一种方法,可以迅速、精确且低成本地监控干法去胶和湿法清洗工艺带来的结凹陷效应。理想的办法是采取快捷且不具破坏性的光学法。但由于高浓度注入(掺杂)Si或SiGe的光学性质随记录温度的不同而有变化,不太稳定,因此很难进行精确的厚度测量。本文中描述的方法可以利用空白非晶硅或SiGe晶圆进行光学测量,
  试验步骤

  测量掺杂SiGe损失的第一步,是在进行注入、干法去胶和湿法清洗工艺后再生长SiGe材料。此步骤要求往体硅晶圆上未图形化的SiGe薄膜里注入氙或砷离子。

  SiGe损失的测量步骤:
  1. 在体硅晶圆上生长一层具有一定厚度和组分的SiGe薄膜。结位置处用于S/D应力工程的SiGe材料通常含有20%的锗,厚度为60-70 nm。

  2. 随后,利用基于椭偏计的薄膜测量工具测量SiGe薄膜厚度,本文试验采用的是KLA-Tencor上的F5X(测量的叠层为SiGe/Si,一般拟合优度(GOF)为0.95)。

  3. 随后往SiGe薄膜(上面无光刻胶)注入氙(用于材料损失测量)或砷离子(用于掺杂损失测量)。两次注入都是以20keV的功率完成,在表面生成非晶化的薄膜,厚度大约为SiGe的一半(注入前先用TRIM软件模拟验证)。离子注入未触及下面一层SiGe,该层SiGe保持晶体状,将用于生长晶体。

  4. 然后采用各种清洗工艺清洗晶圆,包括Mattson ICPHT源中的干法去胶化学物质。除非另有说明,所有的干法去胶都是在250℃下完成的,随后进行湿法清洗。其中一片晶圆全部采用湿法清洗处理。干法去胶利用以氧为主或无氧的混合气体进行。湿法清洗采用标准的SPM/SC1组合,其中SC1温度一般是40℃,稍低于65nm工艺流程的标准。准备一片控片,不用去胶或清洗工艺处理。控片和所有其他的试验晶圆一起进行离子注入,在其他晶圆进行去胶/清洗处理时将其另外存储,直到进行退火步骤。

  5. 经过各种清洗步骤后,迅速将所有晶圆(包括控片)进行快速热处理(约1000℃的尖峰退火),形成SiGe材料。退火温度与45nm工艺采用的温度相同。

  6. SiGe层退火并在表面重新形成晶体后,再次采用椭偏法
薄膜厚度工具测量晶圆。用最初测得的厚度减去SiGe层厚度,获得氧化或失去的材料厚度。然后将测得的各种清洗条件后SiGe损失量与控片的损失量进行比较。

  要确定掺杂损失,退火后测量注入砷的晶圆的薄层电阻,包括未经过去胶或清洗步骤的控片。利用Frontier Semiconductor Measurement公司的非接触薄层电阻测量工具测量硅的电阻率。利用Tencor RS100四探针测量SiGe的电阻率。各种去胶/清洗条件下测得的薄层电阻结果显示出退火对SiGe中激活掺杂的相关影响。
  硅表征

  本法最初用于测量绝缘层上硅(SOI)晶圆上的α-Si损失(图2)。对于控片,注入、等待和退火期间消耗了25?的硅。这可通过离子注入导致的溅射和随后在注入到厚度测量之间过长的等待时间(约为两周)里形成本征氧化层来解释。


                               
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  显然,控片中比经含氧去胶的样品拥有更厚的本征氧化层。这表明在等离子环境中具有形成更密集氧化层的钝化效应,而本征氧化层阻挡更多硅被氧化的能力明显较差。因此,控片无效,我们必须考虑图2中显示的硅损失量只是相对的。

  从如下事实可知生成氧化层的钝化效应:经历10次去胶/清洗循环步骤的晶圆的硅损失量要远少于只经一次循环的晶圆的硅损耗量的10倍。经10次去胶/清洗处理比一次去胶/清洗处理多消耗的约5-7硅损失,我们认为,这表明基于O2或形成气体(FG)的去胶/清洗每次带来约1?的硅损失,这与我们客户的报告一致。有趣的是,含氧和FG的干法去胶/湿法清洗晶圆的结果都比经过10次强酸湿法清洗(SPM+SC1)消耗少得多的硅,而许多存储器制造商都采用10次湿法清洗。

  经10次H2+O2处理的晶圆的硅损失比氧或FG加工晶圆的硅损失要多得多,表明氢拥有促进氧化的功能,可能由于它可降低氧化硅的激活能。经无氧的氢去胶处理的晶圆与经有氧去胶处理的晶圆的耗硅量差不多,表明它具有与氧处理相同的钝化效应,可能是因为对表面的氮化处理或对表面激活使得湿法清洗过程中氧化物生长更致密。

  本文还测试了各种去胶/清洗工艺和不同热退火方案处理对离子注入后硅(2keV,1015As+)的薄层电阻的影响(图3)。对于闪光退火(flash anneal),最终的薄层电阻显然与去胶/清洗类型无关,表明退火过程中掺杂极少出现向外扩散。并且,即使最终的薄层电阻与去胶用的化学物质有关,关系也不太大。


                               
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  不过对于普通的尖峰退火(spike anneal),表面钝化氧化层的存在对薄层电阻有很大影响。此处可看出用氧去胶的有利效果。控片的薄层电阻最高,控片既未进行去胶也未清洗,而经氧气去胶的晶圆的薄层电阻最低。显然本征氧化物对掺杂向外扩散的抑制作用要低于氧等离子条件下生长的更致密氧化物的抑制作用。FG去胶具有比用氢含量较高的混合气体能形成更高密度的壁垒,几乎与氧去胶相当。
  SiGe表征

  图4显示了与非晶硅测试相同的干法去胶和湿法清洗后SiGe损失结果。同图2一样,每次干法去胶后用标准的SPM/SC1进行4次干法处理。等候时间控制比上面显示的硅损失结果要好得多,整个工艺过程共计耗时约两天。


                               
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   经氙注入后的控片具有极少或无SiGe损失,尽管会发生溅射及本征氧化层生长。控片无SiGe损失的原因可能在于测量方法(测量SiGe/Si叠层)——有可能椭偏计不能分辨表面生长的本征氧化物,因此增加了SiGe的厚度。

  图4将这些数据归一化,将控片设为零损失。结果表明经氧处理和湿法清洗后损失了约6?的SiGe,但经FG去胶仅损失3?。250℃下含O2处理比200℃ O2处理形成更多氧化物,即消耗更多的SiGe,但若200℃ O2处理加工时间更长,则可以抵消温度的影响。对于全部采用湿法去胶导致的SiGe损失与氧去胶消耗的SiGe相当,是同样的湿法清洗但减少化学去胶次数的耗硅量的两倍。

  在SiGe晶圆的掺杂损失实验中,等待时间的控制要好于前面的硅损失测试,并且仅采用了了标准的尖峰RTP。应指出每次干法去胶条件都包含一次SPM/SC1湿法清洗。这个组合循环处理四次。记录的湿法工艺(POR)包括重复两次的SPM/SC1清洗,以获得与干法/湿法组合工艺相当的清洁程度。这种2次湿法POR同样每次POR都重复4次,因此共计8次湿法清洗。


                               
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  图5表明控片和硅一样拥有最高的薄层电阻——比氧去胶后的薄层电阻高20%左右。这意味着它与硅晶圆一样,此时掺杂剂向外扩散最多,同样也是由于退火过程中本征氧化层的渗透作用。有趣的是,SPM/SC1工艺有效重复8次后,会比通过干法去胶/湿法清洗组合(四次干法去胶四次湿法清洗)消耗更少的掺杂剂。

  经含O2去胶后的薄层电阻最低的结果与我们的硅晶圆结果一致。与200℃下去胶相同,250℃下的O2去胶生长的氧化物对掺杂剂扩散的渗透阻挡效果较差。

  含FG去胶后的薄层电阻只比250℃下含氧处理后的薄层电阻稍高,与200℃处理后的薄层电阻相同。同硅的情形一样,这表明FG处理也具有钝化效应,可能是由于氮化反应或由于湿法处理促进了大量的氧化反应。

      结论
        我们采用了一种新方法测量经多次去胶和清洗处理后的非晶硅损失,此方法最先用于测量SOI晶圆的非晶硅损失。这种短期循环测试方式对于测量高剂量注入后的硅和SiGe的相对材料和掺杂损失很有用。
       本法可用于评估和优化等离子/湿法清洗工艺。根据我们的研究,干法去胶/湿法清洗组合导致的材料损失和全部湿法去胶/清洗法导致的损失相当或者更少。此法可以用来进行简单有效的工艺控制监控。

References
  • International Technology Roadmap for Semiconductors — Front End Process 2007, www.itrs.net/Links/2007ITRS/2007_Chapters/2007_FEP.pdf.
  • R. DeJule, "Trends in Shallow Junction Engineering," Semiconductor International, April 2008, p. 42.
  • S.E. Savas et al., First International Conference on Plasma Etch and Strip in Microelectronics (PESM 2007).
  • M.S. Ameen, A.K. Srivastava and I.L. Berry, "I: Ultra-Shallow Junction Cleaning: Metrology for Evaluating Dopant Loss and Substrate Erosion," Solid State Phenomena, Vol. 134, 2008, p. 129.
  • Using the SRIM 2006 Code, www.srim.org.
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