淺層摻雜的替代方案
氣體團簇注入(gas cluster infusion)
John Hautala, Matt Gwinn, Wes Skinner, Yan Shao, Epion Corp., Billerica, Massachusetts
半導體元件尺寸微縮小化，有效達到淺層摻雜的新方法是必須的。類似的製造議題存在於源極汲極延展區(source drain extensions，SDE) 中超淺層結合(ultra-shallow junction，USJ)所需準確的摻雜及在雙邊動態隨機存取記憶體(dual-line DRAM)元件的p+補償摻雜。在以上兩者應用中，傳統粒子束線離子植佈有其先天上的限制，因此許多公司正發展其他替代方法，如電漿摻雜、高分子摻雜及氣體團簇注入摻雜等。每一種新提出的替代方法都各有優缺點，本文中將針對注入摻雜法與其他方法的差異點提出討論。
傳統離子值佈在需要淺層摻雜的應用上，如超淺接面及DRAM中複晶矽摻雜，面臨了本質上的挑戰，即如何在原本大波束電流(beam current)情況下達低能量的到淺層摻雜。因此驅使了新淺層摻雜方法的發展，其中包括了大分子摻雜、電漿摻雜及以離子化氣體團簇注入摻雜等方法。
近來注入摻雜的進展使其得以在非常高的硼通量(>100 mA)下，卻僅有小於1keV的等效單體摻雜能量。除了得以產生獨有高等效波速電流外，注入摻雜在機制上有別於其他摻雜方法(如粒束線、分子及電漿等)，可歸納為以下幾點：
(1) 摻雜深度與分子質量無關。
(2) 摻雜深度和加速能量的1/3次方成比例。
(3) 注入摻雜能夠自我形成非晶態(self-amorphizing)，不會造成穿隧效應(channeling)或射程末端(end-of-range，EOR)破壞。
(4) 注入摻雜在任何能量時都不會造成自濺鍍(self-sputtering)，且儘管在高摻雜劑量(>5E16/cm2)下，亦不會有摻質(dopant)在表面累積。
(5) 氣體團簇注入製程功率低，不需對晶圓冷卻，並可應用在具光阻的材料上。
上述特點及製程的加工特性將會在後面有更詳細的討論。
以氣體團簇離子束進行注入摻雜
離子植佈的物理機制已有詳細的研究且得到充分的認識，雖然傳送摻質到基板的方法大不同，單質及BF2粒子束線、電漿及分子等摻雜製程仍依循傳統衝擊(ballistic style)的離子植佈機制。氣體團簇離子束(gas cluster ion beams，GCIB)進行的注入摻雜，則是具完全不同於上述離子植佈的過程及特性，在淺層摻雜應用上亦有許多物理特性上的差異。
注入摻雜製程採用GCIB技術，在文獻[1-3]中有詳細的描述，此種GCIB淺層摻雜應用中使用的混合氣體內含小部分比例(1-5％)的摻質氣體，如B2H6，或是以鈍氣(氬氣或氦氣)稀釋具摻質的混合氣體如GeH4+ B2H6。氣體傳送至機台時壓力約10大氣壓，藉由絕熱的擴張過程，形成具有超過5000個原子的氣體團簇，在被離子化及加速至60keV能量後，傳送至基材表面。
當團簇能量轉移到基材表面時會造成一球狀區域的急速加熱，氣體分子團簇會被分解成原子並混雜著基材原子。這些氣體原子(H、Ar、He等)會立刻離開基材表面，所有可溶入的原子，不論其原子量為何，則會被注入基材內到完全相同深度。
典型5keV注入摻雜濃度曲線(doping profile)如圖一所示，相對於標準500eV粒子束線離子植佈，其具有非常陡峭的濃度分佈曲線，且無穿隧效應及能量污染(energy contamination)，這是因為兩者在注入摻雜機制迥異所致。摻質的穿透深度並不是由個別原子或分子能量(此例中能量小於5eV)決定，而是取決於團簇的集體能量。非常陡峭的曲線改善了USJ中的漏電流及短通道效應(short channel effects，SCE)，無能量污染及非常高的等效粒子束電流亦使注入摻雜亟適於p+複晶摻雜。
摻雜不受摻質質量影響
注入摻雜與其他所有摻雜製程最明顯且最直接的差異，是其摻雜深度與摻質質量完全無關。摻雜曲線與深度主要取決於團簇的集體能量。此能量直接決定了過熱(super-heating)與混合(intermixing)進入基板深度。在團簇內的任一摻質原子將會注入至相同深度(如圖一)。此種得以摻雜所有摻質至相同深度的獨特能力，可在單一製程中混入多種原子，如C、F、As、P等，而不需多次摻雜，且可確保其均具有相同的摻質濃度曲線。摻雜劑量中各原子的比例，可由通入氣體的混合比例決定，因此摻雜比例或是具有特定原子比的化合物，如SiGexBy，均可藉由質量流量控制計(mass flow controller)或是使用特定比例的預混氣體[4,5]來控制。
摻雜深度與摻雜能量的1/3次方相關
USJ及DRAM複晶摻雜等應用需要較低的植佈能量，然所有離子植佈技術都是以離子衝擊基材，因此植佈深度(劑量在1E18/cm3時)與離子的加速能量具有線性關係，而其斜率則取決於摻質質量。在相同能量下，具有較高分子量的氣體將產生較淺層的摻雜接合面(junction)。然而能量與植佈深度有如此強烈的相關性下，其可能受到對能量污染的影響，因此對於需精準控制佈植深度時將發生問題。且由於摻雜深度完全與能量相關，因此在超淺層摻雜製程中，需限制粒子束能量，然對無減速機構的粒子束線工具而言，欲達到超淺層摻雜即面臨問題。另一方面，在注入摻雜過程中，摻質與基材原子混合的半球狀區域的體積主要取決於團簇的集體能量，所以摻雜深度僅與能量的1/3次方相關(E1/3)，如圖二所示。此與能量弱相關的特性，使GCIB得以有效地進行淺層摻雜。其可以相當高的等效束電流進行，而得到非常陡峭的摻質濃度曲線及無能量污染的風險，然也因為粒子此種特性，無論是何種摻質，注入摻雜製程僅適用於淺層的摻雜應用(深度小於40奈米)。
摻雜層形成非晶態
當每一團簇到達基材表面時，在極高壓(大於Mbar)的混合氣體與矽基材原子及瞬間的高熱能(大於5000K)條件下，將形成完全非結晶態的摻質層。由於每一個矽基材球狀空間均小於10奈米直徑，散熱太快(小於5 pico-sec)來不及進行再結晶(re-crystallization)，因此無論是任何的製程條件，包括劑量、摻雜能量及氣體種類，注入摻雜的表層均保留著完全非結晶的結構。由於無高能量球狀離子的存在，因此不會造成撞擊效應(knock-on effects)，亦不會在摻雜終了時(終端深度)產生孔隙的累積。由注入摻雜造成非結晶層的厚度與摻雜深度均遵循E1/3相關的特性，因此在常用能量範圍3-60keV條件下，厚度約為5至15奈米。所有TEM分析均證實在材料退火(anneal)後晶格完全回復，且亦無在預先非晶態佈植 (preamophorizing implants，PAI)中常見EOR破壞的發生。無EOR的破壞反應為注入摻雜製成USJ元件超低漏電流表現的原因[9]。
無自濺鍍現象
進行原子及分子植佈時，尤其是在低植佈能量及高劑量條件下，植佈/沉積與蝕刻效應間的平衡將面臨考驗，此種平衡在製作USJ淺層摻雜接合面(小於15奈米)及需低植佈能量製作厚度小於80奈米、高摻雜濃度(>E16/cm2)的複晶矽層時佔有相當重要的地位。如圖三所示，注入摻雜製程中GCIB劑量與矽基材中的硼(B)劑量成線性比例，此比例從低劑量(<1E15/cm2)至非常高劑量(>1E17/cm2)範圍均成立。此圖雖是以60keV進行注入摻雜(Xj約為30奈米)，在所有的團簇能量下上述線性比例關係仍存在。對30奈米深的注入製程而言，矽基板中硼元素在劑量0.5與1E17/cm2間開始達到飽和。若劑量高於1E17/cm2時，完純而密度硼膜將沉積在基材上，其厚度與GCIB劑量亦成線性關係。以高解析度XPS與SIMS分析具5E16/cm2摻雜劑量的試片，基板表面並沒有硼原子的累積，且矽原子的濃度大於30%。此外，所有硼原子均與Si或Si-O鍵結，並無B-B鍵結的發現。
低功率
另一個氣體團簇摻雜重要的特點是其與光阻材料相容。在電漿摻雜、摻質沉積等製程中，光阻材料會發生如氫氣揮發、表面硬化或聚合等問題。相對較高的能量傳入晶圓下，需從底部冷卻晶圓以保護光阻。對注入摻雜而言，儘管有非常高的摻質流量，由於平均每一千個原子內僅有少於一個離子，所以粒子束電流及能量均較低。以大於100mA硼原子通量進行摻雜時，一般來說傳輸到基板的最大功率在DRAM元件p+複晶摻雜應用約6W，在淺層、低功率USJ摻雜應用時小於1W。在以上兩種應用製程中，不需冷卻晶圓即可保持在室溫上下，此可達到前面所描述無硼累積在表面，且不會造成氫氣揮發等優點，因此儘管在非常高的劑量下(>1E16/cm2)，在注入摻雜製程後，不需施以特別的或是強烈的方式去除光阻材料。
可加工性
Epion公司在量產摻雜製程上已得到重要的進展，其成功展示快速的量產製程，等效波束電流與等效原子束能量關係如圖四所示，假設等效原子束能量在0.1、0.2、0.4及0.6keV時在硼濃度達到1E18/cm3時，Xj值分別為7.5、12、20及28奈米。適當的注入能量可以用來搭配這些Xj值。其他的製程表現指標如不均勻程度小於0.5%、所有的金屬污染小於5E9、在正常運作時間超過200小時情況下，晶圓與晶圓間的重現變異小於2%(約一個標準差)及低微粒污染等，詳細的說明如文獻11。
元件表現
注入摻雜得到非常陡峭摻質濃度曲線及無EOR破壞等的優點均反應在元件特性上。Renesas[12,13]量測以5keV硼注入摻雜製成具50奈米閘極pMOSFETS，相對於以200eV離子植佈製作者，其有較佳的短通道效應(SCE)。Ho Lee與同事在Samsung[9]以GCIB摻雜，亦得到較佳的SCE，其量測STI-bounded p+接合面漏電流，發現以標準90奈米邏輯製程之BF2+Ge-PAI離子植佈製成的元件，比以注入摻雜製成者高4倍。使用混合雷射瞬間熱處理(laser spike anneal，LSA)及降溫快速回火(rapid thermal anneal，RTA)的技術，以注入摻雜製作超淺層接合面(Xj～18奈米，Rs～800W/sq)，相較一般的離子植佈顯示絕佳的活化(activation)特性、低的源極引發能障衰退(drain induced barrier lowering，DIBL)效應(120mV/V)及減少系統反轉Tox等。在MOSFETs中為保留低的寄生串聯電阻(parasitic series resistance)、閘極引發漏電流及臨界電壓的變異等，特定的口袋(halo)及隙壁(spacer)組合是必要的。
結論
注入摻雜與其他離子植入製程有不同的物理機制，在以GCIB技術製作USJ及DRAM元件時有許多優點，包括：(1) 摻雜不受摻質質量影響，可同時進行多種摻質摻雜至完全相同深度。(2) 摻雜深度僅與摻雜能量的1/3次