高階高效能(HP)邏輯植入的精準度要求
Hans-Joachim Gossmann, Greg Redinbo, Yuri Erokhin, Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc., Gloucester, MA, United States
Terry Romig, Kim Elahot, JieJie Xu, Jennifer McComb, Texas Instrument, Dallas, TX, United States
因為元件減縮的需求而減低接面深度意味著熱預算的縮減，亦及最終的需求是一種無擴散的退火製程。而且當擴散已經不再平均化離子佈植中產生的瑕疵時，最終摻雜分佈會漸漸被剛植入摻雜時的分佈剖面所主導。這種瑕疵可能包括一個介於預設和真實入射角度間的有限角度或離子束分佈的一個有限角度。總括而言都可以稱為佈植的精準度，在本文中，有評論32奈米半節距(25奈米物理閘極長度)的高效能(HP)邏輯製程的佈植精準度的要求，各種不同的效應藉由科技的電腦輔助設計(TCAD)模擬來分析，並且還有一張製程變數的柏拉圖加上它們對電晶體飽和電流(Idsat)的影響，也會在本文中出現。
傳統上，一個佈植的製程是被以下的項目所定義：包括佈植種類的原子量、能量、劑量、投射離子束方向(離子束軸向)相對於晶圓位置的角度等所定義。對大於0.18微米世代的元件而言，只要符合介面深度(xj)和平面電阻(Rs)的目標值，因為源極/汲極的延伸(SDE)接合接面，就會實質地保證符合元件特性的目標。然而，今日的情況就不是這個樣子了，並且製程變數中例如離子束的角度性質就需要被考量進來。這些額外的要求可以用這些參數清楚的描繪出來：
l 整體的操控角度(晶圓與晶圓間的平均角度)：離子沿著投射軌道在晶圓上某一點的平均時間伴隨的結果就是晶圓上所有點的空間分佈，某些佈植機台擁有把這些角度歸零的功能。
l 區域的操縱角度(晶圓內角度分佈)：離子沿著軌道投射在晶圓上某一點的平均時間，這個參數基本上通常會沿著晶圓上所在的位置而變化(區域性引導角度變化)。
l 角度的延伸：(元件內角度延伸) 各別離子軌道撞擊晶圓上某一定點的角度分佈寬度。
VS32：一種虛擬的32奈米技術
為了研究對電子元件參數的影響，我們使用科技電腦輔助設計(TCAD)來模擬32奈米半節距高效能電晶體，我們設計一種虛擬的技術，將Idsat、Ioff、次臨界斜率S和汲極導引的障礙下降(DIBL)最佳化。主要的技術成份是由以已經發表的高效能 65奈米和45 奈米技術延伸而來的。 特別的是，我們使用25奈米物理閘極長度，物理性的閘極氧化層厚度為1.1奈米(相當於在反轉時，一個電性的閘氧化層為1.6奈米厚)。6奈米間隙壁長度，內埋源極/汲極-矽鍺(eSiGe)和應力層，利用幾乎可以忽略的擴散來做摻雜活化(例如快閃記憶體或LTP)和NiSi接觸孔。我們注意到閘極長度和閘氧化層厚度都跟ITRS2005的預估有明顯的差異[1]，但是這個結果跟工業界的趨勢大致符合，選定的電性元件參數顯示在表中。
區域性的操控錯誤
在高階元件技術的設計中，有很大部分的延伸的摻雜物分佈剖面是由剛佈植摻雜物分佈剖面所貢獻，擴散剛好相反。甚至於小的區域性離子束操控角度，θlocal，在佈植延伸時導致元件功能有明顯的變化。如圖一所示，對nFET而言，小於1度θlocal的區域性離子束操控角度會導致百分之3的Idsat 變小。
源極端的遮蔽(θlocal＜０O)作用，就是降低源極－延伸摻雜導致比汲極端遮蔽更嚴重的Idsat衰減。因此，對Idsat而言，肯定確認源極端的重疊和源極端延伸的電阻是比汲極端的重疊和延伸的電阻更來得重要[2]。
在一個製造的環境中，非零的區域性操控角度外在表現出來的就是在晶圓測試中非零的不對稱或元件功能的歪斜，Idsat是正常狀況下是第一個被量測的項目，然後當源極和汲極測試電壓改變則量測成Irdast，這個偏差被定義成2(Idsat - Irdsat)/(Idsat + Irdsat)。對於VS32 nFET而言，偏差顯現在圖一中，其它的直流和交流元件參數例如臨界電壓或轉移頻率受影響的方式都很類似。以定性來說，pFET的直流和交流元件參數，也是發生相同情形，但是對pFET和nFET兩者而言，效應的大小也要取決於元件的設計。
在大量生產的環境下，n型源極/汲極延伸(nSDE)的單一模式佈植過程中，區域性離子束的操控，對元件偏差的效應如圖二所示。生產多批次元件中使用其中的一種工具(平方)來顯示超出被允許的製程控制界限的偏差數值。垂直離子束的操控範圍從0.75度到1度，已經被證實是增加元件偏差和隨後良率損失的根本原因。
減緩區域離子束操控
四分佈植，亦即使用摻雜劑量的四分之一，在一個固定傾斜角佈植的和轉動0度、90度、180度和270度，降低了離子束操控的衝擊(圖三)，圖三比較在離子束操控角度為-2度(源極端遮蔽)時，Idsat是傾斜角的函數。可看到的是四分佈植明顯的改善(藍色方格)，提供傾斜角度也足夠大。甚至於更棒的是一個稱為「四分45」(紅色圈圈)，其轉動角度45度、135度、225度和315度。但是甚至在最好的條件下，Idsat還是會降低近百分之2。
終端型的影響
離子佈植機台分成兩種結構組成，這取決於是否有扭曲是靠著：1)沿著兩個垂直軸線(‘xy’的傾斜或靠2)一個沿著晶圓正向的旋轉(“xy”)，後者有四分的組合對減緩區域性離子操控來說是比較有利的。如圖四所示。一個四分離子佈植機在xy-終端減低-2度離子束操控的效應到只有影響到百分之0.5。事實上，相對於xy-終端它甚至在傾斜0度下也有效，這個減緩的發生是因為一個零傾斜的xy-終端，元件仍認定導控角為一個「有效的傾斜角」沿著這個角度四分模式的轉動變為可能。另一方面xy-終端不可能在零傾斜下產生一個轉動。
柏拉圖 (Pareto Chart)
VS32的不同製程變數對nFET Idsat的影響，與從延伸佈植區域性操控角得到的結果比較，如圖五所示。我們可以看出佈植角度的準確性是控制和達成高良率最重要的參數。
結論
對於32奈米半節距和以下的元件而言，大部份的摻雜的分佈分化型是因為當佈植摻雜物分佈分化的貢獻，這是與擴散的貢獻相反的。結果是當佈植摻雜物剖面的微小變化，對元件特性開始會有一種不成比例的影響。
關於文中討論到的32奈米半節距nFET，在延伸佈植，甚至小至1度的離子束導控角，都會導致降低Idsat百分之3。延伸離子束的操控是Idsat衰減最大的貢獻者，大於斜環(halo)佈植離子束操控，閘極-複晶矽關鍵尺寸變化，或佈植劑量的貢獻。因此離子束操控和離子束平行狀態的嚴格控制這是絕對必要，這也是生產先進高效能技術達到高良率的先決條件，離子佈植機滿足這些需求的技術是現成的，VIISta HCP單晶片，高電流離子佈植機的角度控制要素，確保在每一次的佈植之前的離子束操控和離子束平行狀態會被量測、監控和交互鎖定下來並達成小於0.1度，離子束操控對元件功能的影響，可以佈植機明顯地減緩，並且這個緩和對一個終端完成四分佈植機的實際晶圓轉動是較佳的。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. International Technology Roadmap for Semiconductors, semiconductor Industry Association, SIA, San Jose, CA, US, 2005, http://www.itrs.net/Links/2005ITRS/Home2005.htm
2. T. Ghani, K. Mistry, P. Packan. M. Armstrong, S. Thompson, s. Tyagi, M. Bohr, ?Asymmetric Source/Drain Extension Transistor Structure for High-performance Sub-50nm Gate length CMOS Devices? paper # T3-A1, 2001 Symp VLSI Technol digest Tech. Papers, IEEE, New York, NY, US, 2001.
要索取更多資訊請接洽Hass-Joachim Gossmann, Varian Semicondusctor Equipment Associates Inc.(VSEA) 35 Dory Road, Gloucester, MA 01930, United States；電話：978/282.2953；電子郵件信箱：hans-joachim.gossmann@vesa.com；或接洽Terry Romig, Texas Instruments；電子郵件信箱：t-romig2@ti.com。
圖一：Idsat (藍色方格)和它的偏差(紅色三角形)是區域性操控角度的函數Qlocal源極端遮蔽相當於Qlocal＜0度。