掃描電容顯微術於低溫退火 影響硼摻雜原子活化行為之研究
鄭皓達、簡鳳佐、張茂男/逢甲大學電子工程學系、國家奈米元件實驗室
我們使用掃描電容顯微術(Scanning Capacitance Microscopy，SCM)研究兩段式熱退火在矽基材佈植區深度小於150 nm的硼摻雜原子之活化情形。為了避免光擾效應我們使用前翼懸臂導電探針(front-wing conductive probes)來取得掃描電容影像並研究高溫急遽熱退火後的低溫退火(post-spike low-temperature annealing)製程對硼原子活化的影響。在實驗中我們已穩定控制環境條件，包括光擾與相對濕度。實驗結果指出在500℃的後續低溫熱退火會導致淺摻雜表面區域的硼原子有增強活化情形，而且也導致電性接面空乏區在側向(lateral)與縱向(vertical)的窄化現象。點缺陷的產生與復合(point defect generation/recombination)導致硼原子的活化(activation)與去活化(deactivation)可能會發生在高溫急遽熱退火之後的低溫製程中。在相同的溫度影響之下，我們的實驗結果也顯示側向電性接面空乏區比縱向電性接面空乏區顯得更不穩定。
前言
目前積體電路製程技術已達到奈米等級，對於奈米等級的元件而言，超淺接面的製作是不可或缺的。一般而言，超淺接面是由離子佈植並經過適當的熱退火處理而產生，例如急遽熱退火(spike annealing)、雷射退火(laser annealing)以及閃光退火(flash annealing)等，而對於載子濃度的觀察則普遍採用掃描電容顯術。掃描電容顯術是將傳統的電容-電壓量測技術觀念引入擁有高解析度的掃描探針顯微鏡之中，當導電探針與半導體試片接觸時，試片與探針之間的等效電容值為試片表面氧化層及待測樣品空乏層電容的串聯值。整個架構可視為一個微小的金氧半(metal-oxide-semiconductor，MOS)結構。施加高頻AC偏壓在半導體試片或導電探針上，使兩者間產生電場變化，並驅使試片內的自由載子以產生累聚(accumulation)或空乏(depletion)的現象，此現象如同可移動的電容板。因此掃描電容顯微術可說是具有二維平面解析能力的C-V量測技術，藉由偵測外加AC偏壓下的電容變化量，可分析二維自由載子濃度分佈之影像。掃描微分電容(dC/dV)影像係由亮度不同的色塊所組成，其亮度及色階能反映出自由載子極性與濃度變化的情形。因此掃描電容顯微術常使用於觀察半導體元件的電性，例如掃描電容顯微術可用以描繪載子濃度以及電性接面的分佈情形。[1-5]由於配備高靈敏度的電容感測器與使用奈米導電探針，掃描電容顯微術具有高靈敏度以及高空間解析度，可提供奈米區域的微分電容訊號分佈。掃描電容顯微術的量測系統通常架構在以雷射偏折法成像的原子力顯微鏡上(Atomic Force Microscopy，AFM)，[6]並使用具有奈米解析度的導電探針在接觸模式(contact mode)下進行掃描，[7-10]可同步提供掃描電容影像以及相對應的表面形貌影像。此技術也可應用於許多特殊研究課題，例如分析微量金屬污染所造成的缺陷[11]、研究鐵電材料的鐵電域結構[12]、描繪差排影像[13]以及超晶格的張力(strain)變化分析[14]等。
掃描電容圖譜(Scanning Capacitance Spectroscopy，SCS) 是掃描電容顯微術的延伸應用，可用於量測掃描面上特定點的微分電容-電壓曲線，其傳達出的訊息與傳統的電容-電壓曲線有異曲同工之處，可提供奈米區域完整的微分電容特性以彌補掃描電容影像在電性資訊上的不足。然而由於原子力顯微鏡的雷射雜散光所產生的光擾(photoperturbation)，掃描電容顯微鏡常得到錯誤的掃描電容影像，光擾的影響主要包括光電壓效應(photovoltaic effect)以及高階載子注入(high level injection) 效應。前者會影響電性接面的內建電場以及探針與試片表面之間的等效偏壓；後者會提高等效載子濃度造成高濃度載子與低濃度載子的影像對比度降低，光擾對掃描電容圖譜也有明顯的影響。半導體材料的光學吸收使少數載子的生命週期變短，因而在反轉區(inversion region)出現明顯的類低頻 dC/dV-V特性。[15]此影響導致掃描電容顯微鏡在分析摻雜區域因熱退火條件所造成的微小電性變化上面臨許多困難。為此，我們使用前翼懸臂導電探針來避免原子力顯微鏡的雷射雜散光[16]，以便我們研究熱退火處理對摻雜活化的影響。除此之外，掃描電容圖譜也受到環境相對濕度的影響而導致遲滯效應(hysteresis)。[17]當連續改變施加在試片上電壓時，其正向電壓(Forward Vbias)曲線與逆向電壓(Reverse Vbias)曲線會因為表面水膜所引致的電荷而造成差異，出現平帶電壓位移(flatband voltage shift)的現象。
實驗介紹
本文中實驗試片使用n型<100>矽晶圓基板，其濃度為5 × 1015cm-3。實驗準備兩組試片，一組使用標準半導體製程，製作開口寬度為0.8mm，間隔寬度為2mm的柵狀圖形，以製作橫截面試片(cross-sectional sample)作為掃描電容顯微鏡分析之用；另一組試片為表面無柵狀圖形的試片，作為二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)分析之用。兩組試片皆使用相同的離子佈植條件，其離子源使用二氟化硼BF+2，能量為20keV，劑量為5 × 1014cm-3，入射角度為7度角。離子佈植後的熱退火處理我們使用兩種製程，一種為高溫急遽退火(spike annealing)，其溫度為1050℃；另一種為低溫爐管退火(furnace annealing)，其溫度為500℃，時間為6小時。本實驗使用這兩種熱退火處理條件來分析其硼離子活化的情況，單一高溫急遽退火者簡稱SA；先進行高溫急遽退火後再進行低溫爐管退火者，簡稱SA+FA。每一組試片都有SA及SA+FA兩種條件。
掃描電容影像的分析使用國家奈米元件實驗室(National Nano Device Laboratories，NDL)的掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope，SPM)。此機台為Veeco公司所生產的掃描探針機台，具有原子力顯微鏡與掃描電容顯微鏡的功能，可在接觸模式(contact mode)下同步偵測試片表面微觀形貌變化與微分電容訊號，故可同時獲得試片的二維表面形貌影像及其對應的自由載子濃度分佈影像。原子力顯微鏡的雷射光波長為670 nm，輸出功率約為1 mW。掃描電容顯微鏡的電容感測系統靈敏度可達10-18 F/(Hz)1/2。操作模式使用定電壓模式(constant voltage mode)，調制電壓頻率為89 kHz，調制交流偏壓為1V，直流偏壓值為0。為了避免光擾效應造成不正確的微分電容影像，本實驗使用國家奈米元件實驗室所設計的前翼懸臂導電探針。圖一為前翼懸臂導電探針於橫截面試片上掃描電性接面區之示意圖。前翼懸臂導電探針與一般導電探針不同的地方在於與探針針尖(tip)相連接的前端懸臂設計成具有大面積的長方形形狀。此大面積的懸臂區域能夠在掃描區提供一個有效暗區(shadow area)，使探針在試片上掃描時能避免原子力顯微鏡的雷射雜散光干擾，亦即可抑制試片表面光學吸收所造成的光電壓效應以及高階載子注入效應。導電探針為具有鉻-鈷金屬膜的矽探針，製造商為MikroMasch公司。
掃描電容顯微鏡會因為環境及試片表面等變因影響其微分電容訊號，為了能夠準確地比較不同熱處理條件在佈植區及電性接面區的掃描電容影像，我們必須使SA及SA+FA兩種試片控制在相同的表面條件(surface condition)下。圖二(a)為SA及SA+FA兩種熱處理試片在基板n型區的掃描電容圖譜曲線分佈。由圖二(a)中我們可以得知SA及SA+FA兩種熱處理試片呈現出相同的峰值偏壓(peak bias)分佈，表示兩種熱處理試片沒有平帶電壓平移的情形，也就是說兩種熱處理試片經過橫截面試片製備後表面條件是幾乎相同的。另外，從圖二(a)中我們也發現在兩種試片在反轉區沒有類低頻dC/dV-V特性的訊號出現，表示試片在掃描過程中並未受到光擾影響。圖二(b)為SA及SA+FA兩種熱處理試片的dC/dV訊號強度分佈。從圖二(b)中我們可得知SA及SA+FA兩種試片在基板n型區的訊號強度值相差不超過1mV，這進一步驗證SA及SA+FA兩種試片具有相同的表面條件。
結果與討論
藉由兩種具有相同表面條件的試片，我們便可以研究不同熱處理條件在電性接面的變化。圖三(a)與(b)為SA與SA+FA試片在表面離子佈植區及電性接面區的微分電容影像。圖三(c)與(d)分別為圖三(a)與(b)的局部放大圖，從圖三(c)與(d)中可以很清楚的看到SA+FA熱處理的試片，其電性接面在側向及縱向處比SA熱處理的試片還要窄，接面變窄意味著後續的爐管熱退火(post-spike FA)導致接面區的電場降低。導致接面電場降低有兩種可能性：一是該試片在接面區附近摻雜硼原子分佈量減少，另一種可能性是在接面區附近摻雜硼原子活化程度下降所導致。然而，從二次離子質譜儀中SA與SA+FA兩種試片在接面區附近摻雜硼原子分佈量並沒有明顯的不同，也就是說後續的爐管熱退火並不影響在接面區附近硼原子的分佈量。因此，我們認為在接面區的電場變化是由於矽晶格為了趨於穩定，透過點缺陷的產生與複合使硼原子產生去活化現象。由先前的研究結果已顯示矽晶圓的硼離子佈植區在經過高溫急遽退火後，硼原子分佈仍然是處於不穩定的狀態。[18]一般而言，低溫爐管退火處理的目的在於修復離子佈植後所造成的晶格缺陷，為了穩定矽晶格，藉由點缺陷的產生與複合來降低晶格缺陷數目是必要的。在離子佈植後，因為離子撞擊的動量傳遞特性使得間隙原子(interstitials)分佈的位置會比空缺型缺陷(vacancies)的分佈位置還要深，而且暫態增強擴散(transient enhanced diffusion)以及硼增強擴散(boron-enhanced diffusion)也會產生多餘的間隙原子[19-20]。因此對於SA熱處理的試片而言，在電性接面區附近p型的矽晶格中包含四種狀態的原子：(1)具有規則排列的矽原子(SiR)；(2)佔據空缺位置而形成電性活化的硼原子(BA)；(3)被撞擊到間隙位置的矽原子(SiI)以及(4)處在間隙位置的硼原子(BI)。從晶格的觀點來看，主要的缺陷為SiI、BA以及BI。氟原子在此區域的密度很少因此可以忽略其對晶格缺陷影響。以一個單位體積而言，在電性接面區附近P型矽晶格中，硼原子的總量([BT])可以用下面的方程式表示：
[BT] = [BA] + [BI] (1)
其中[BA]代表活化的硼原子數量；[BI]為處在間隙位置的硼原子數量。從式子(1)可得知硼原子在矽晶格裡可看成只有活化以及非活化兩種狀