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工程基板所需之應力量測技術

   日期:2005/4/13   來源:半導體科技    

各種創新的材料的興起已成為改善元件效能的簡易替代方法 [1]。在各種解決方案中,尤其是應變型絕緣層上覆矽(sSOI)的工程基板,普遍被視為改進Ion/Ioff比率與互導[1-3]最具發展潛力的技術。由於應力是這項突破性技術中最主要的元素,因此需要開發一項實驗性技術來量測應力層,以及一項量測機制來進行監控。而sSOI晶圓的製程與各項監視應力的技術會以整體的方法作評量。本文將介紹從供應晶圓(donor wafers)以及最終sSOI架構中所量測之應力。
傳統CMOS元件透過持續縮小尺寸來提升效能,然而此方式因高介電常數的閘極介電質以及發熱量等因素而面臨到閘極氧化層的穿隧效應(gate-oxide tunneling)與載子游離性(carrier-mobility)下降等限制。sSOI是其中一種解決方案,其結合完全空乏區(fully depleted)或部份空乏區(partially depleted) SOI的效能與擴充性,加上應變型矽元件的強化載子游離性。由於sSOI相容於CMOS整合製程、標準型MOSFET架構以及電路配置,因此使它更具吸引力。sSOI的雙軸抗張應力改變了矽元件結構,並可能會影響矽元件表面平整度(microroughness) [4-6],上述種種改變導致電荷載子具備更高的游離性。
我們將詳述從鬆散矽鍺虛擬基板(relaxed SiGe virtual substrates)開始的sSOI晶圓製造過程,探討各種SiGe釋放應力的機制,藉以闡明在製造應變矽晶層時所面臨的各種問題。我們亦將探討和比較各種在晶圓和元件製程中用以監控其中應力變化的實驗技術。此外,也將討論運用在供應晶圓上的各種技術(例如應變型矽鍺上覆矽虛擬基板)與最終結構上所獲得的結果(例如應變型矽鍺上覆矽虛擬基板以及應變型絕緣層上覆矽鍺(strained-silicon-SiGe-insulator,SGOI)與sSOI晶圓),同時也分析應力變化對載子游離性與元件效能所產生的潛在影響。

工程sSOI與SGOI基板
Soitec目前運用Smart Cut技術來大量量產SOI晶圓[7, 8]。各類型的原子(最好採用氫離子)先佈植在供應基板A內;也就是在晶圓最上層表面之底層而且與晶圓面平行的區域內建立一個無應力區(weakened zone)。之後,將基板A與基座的晶圓B接合在一起。而在接合步驟之前,在兩片晶圓中至少一片晶圓上先形成一層像SiO2 之類的絕緣層。然後在無應力區域內進行分割步驟,從基板A將一薄層轉移至晶圓B。最後再進行處理步驟,磨去切割後產生的不平表面。這個步驟適用於製造SOI晶圓,尤其是厚度極均勻的矽晶片之細薄矽晶頂層(小於500奈米)。它同樣也讓埋入氧化層(buried oxide)的厚度具有極高的彈性,其厚度可從數微米一直到100奈米以下。
元件層轉移技術可用來製造具張力的的sSOI晶圓。在運用此技術時,最初使用的材料為磊晶層堆疊(epitaxial layer stack),最後的無應力SiGe將置於應力釋放緩衝層(例如一個薄的應力鬆散緩衝層或分級緩衝層) 之上[9]。在鬆散的SiGe層上進行氫佈植,磊晶堆疊的頂層便轉變為另一個矽基板。在接合之前,至少透過一片晶圓上因熱氧化或沉積過程所產生的絕緣層(最好是二氧化矽),可以形成一個內含埋藏介電質的結構。
以此種技術為基礎所發展出的兩種模式皆被用來製造SGOI與sSOI。其中一種模式,在元件層轉移過程中,會產生厚度僅有數百埃的上覆鬆散SiGe絕緣層,之後在其上方會長成一個應變矽層。此種製程稱為SGOI,而在製程結束後(應力矽加上鬆散SiGe) 半導體層的總厚度通常會介於300至700埃之間。SGOI基板可以適用在部份空乏區SOI結構。
在第二種模式中,在供應晶圓(也就是在鬆散的SiGe層)上直接長成張力應變矽晶。內含應力矽與鬆散SiGe的雙層結構之後會轉移至矽基板。在移除SiGe層後,舉例而言,透過選定的洗滌式蝕刻步驟[1,10]後,張力應變的矽層就會露出而形成sSOI。第二種模式能滿足完全空乏區SOI結構之需求。
在SGOI中的鬆散SiGe提供一個改變頂層矽晶層晶格參數的方法,因此能強化其中的電性特性。僅包含矽晶與氧化物的sSOI晶圓將更快的被應用於IC製程中。由於含鍺晶圓會有鍺元素擴散的風險、應變矽/矽鍺介面產生不適當的錯位以及鍺元素交互散佈的現象,因此需要更低的散熱量。不論最終產品是否運用SiGe合金,研究此種虛擬基板的狀態是相當重要的,因為它會直接影響最終應變型矽晶或sSOI晶圓的品質。

SiGe鬆散
具成本效益的sSOI晶圓製造需要在高晶體品質、高鬆散度以及高產量(低成本)的環境下所長成的SiGe薄膜。至今業界仍無法同時滿足此三種需求,因此通常只會在成本及品質之間取得最佳的平衡點。SiGe薄膜是透過在矽或鍺基板上進行異質磊晶沉積製程所產生,而矽與矽鍺晶格之間的錯位,主要透過兩種機制來修正 [11]。沉積層中的鬆散原子與自然晶格之間的空隙會在SiGe表面產生規律性的波紋,形成交叉線陰影之圖案。圖一顯示兩個交叉狀SiGe表面之實例。
SiGe鬆散的第一階段會在上升後較高的溫度發生,而此時SiGe層則略超過臨界厚度。60高瑪蠾鴔峖車痐腄A並沿著<110>晶體方向傳遞出去,這個方向對應著<111>gliding或slip面以及<100>晶圓表面的交叉,且感應表面步驟會沿著相同的<110>晶體方向進行排列。這些原子縮放步驟源自於單一或多重錯位,且衍生自單一slip平面。藉由額外錯位的導入,進一步增加薄膜厚度會導致快速的應力釋放。根據T. Spila et al. [11] 所述的模式,長成步驟是藉由增加SiGe的長成速度來進行,而要增加產生速度則需降低H表面的涵蓋率。結果在SiGe的表面紋路中可看出應變區域中較低長度的變異率。若解析度小於交叉長度等級,則可透過實驗來觀察應變區域的異質性(inhomogeneity)。

應變型矽晶之特性
應變型矽晶可運用傳統的薄膜法來分析其厚度與成份,但業界尚未發展出直接量化應力、張力均勻度以及評估該應力與隨後的CMOS製程反應之技術。在許多應力量測技術中,X射線繞射(XRD)與拉曼光譜(Raman Spectroscopy)之發展前景最被看好的技術。光子反射比也是目前其中一種被研究用來探測應力的技術。XRD是唯一能直接拍攝到晶格影像的技術,且已被用來量測SiGe層的成份與殘餘應力[12?4];然而,此技術相當費時且空間解析度有限,當應用在細薄與(或)接合層時,會有技術上的挑戰。

拉曼光譜
拉曼光譜已被用以量測立方晶系半導體材料之應力,尤其是矽晶層 [15],所用的方法是偵測光子位移 [16?9],因為此數值與晶體所承受的壓力或應力有直接相關的關係。拉曼光譜具有相當高的空間解析度以及作業流量。藉由選擇適合的雷射波長,能夠選擇性地偵測到不同深度的晶圓層。波長較短的紫外線雷射通常先採用10nm,適合用來偵測細薄的SOI層 [20, 21]。從拉曼的尖峰值中,可研判出成份以及SiGe合金的殘餘應力。我們運用J.C. Tsang et al. [22]所提出的一種分析方法,採用與矽矽(Si-Si)、矽鍺(Si-Ge)與鍺鍺(Ge-Ge)成份相關的三種不同拉曼模式進行量測。此三種模式的頻率需視乎鍺元素與SiGe層之應力,並呈現以下關係:

wiSi = 521 - 68x - 815e// (1)
wiGe = 399.5 + 14.2x - 575e// (2)
weGe = 282.5 + 16x - 385e// (3)

其中x 是Si1-xGex 合金內的鍺元素,e//是平面應力。這些係數是由實驗歸納出來的,且經過HRXRD 與SIMS量測校正所得[22, 23]。我們運用(1)與(2)之間的關係計算出鍺成份並求出鬆散程度:

Degree of relaxation = 1- (4)

公式中的e//exp是量測到的殘餘應力,而e//th是含有x 鍺元素成份且完全鬆散SiGe層的理論應力值。
拉曼光譜對映法可將應變型矽/矽鍺結構以與已發佈的數據作比較,以及用以校正其中的各種關係。圖二顯示檢視的元件層堆疊以及拉曼光譜。其中有許多光譜是運用集縮光束所產生,以1mm為遞增單位,藉以產生灰階或彩色的40 x 40mm區域光譜圖[24]。SiGe薄膜內矽鍺(SiGe)與矽矽(Si-Si)元素帶的各項最高值會依據採樣的位置呈現一致地上揚或下降;從此現象我們可推論這類變動與SiGe層的應力變化有關。
從拉曼位移中,我們可直接研判應變矽層的應力以及SiGe層的成份與鬆散程度。從SiGe的成份以及殘餘的應力中,我們可推算出SiGe晶格的參數以及在矽cap中所產生的應變。矽cap的應變區域與晶體方向一致<110>,就像交叉以及錯位的網路,且衍生自SiGe層的鬆散配置所導致的空間變化。
SGOI與sSOI的拉曼圖呈現的應力網路圖案,在轉移後的SiGe層以及上方長成的矽cap皆呈現一致的狀況。圖三顯示SGOI的範例。藉由分析拉曼位移,我們可推論出SiGe的成份與鬆散程度。預測與實際量測到的應力其兩者之間的差異小於100MPa,且SiGe與應變型矽薄膜之間呈現晶格方向一致的現象。
CMOS 製程中需要施加應力讓元件在多次熱處理循環中維持原狀。為展現sSOI材料的強固性,我們將一個樣本在傳統的熔爐中在1100蚓下加熱2 個小時。如圖四所示,拉曼光譜量測出的應力與這個緩慢熱處理流程之間維持一定的關係。應力幾乎沒有改變,顯示應變型矽/二氧化矽接面呈現非常強固的接合。
透過比較鄰近區域之間的拉曼位移,可更細膩地分析出sSOI晶圓的應力均勻度。圖五以不同的色彩突顯出sSOI晶圓中一個10 x 6 cm區域之應力,其平均值為1.5GPa,標準變異s= 65MPa。

結論
針對SiGe與應變型矽薄膜內部的應力進行量測調查,結果顯示在<110>晶體方向呈現微量的應力調節。拉曼光譜適合用來觀察薄膜材料的應力變化,因為它具備小尺寸、控制採樣深度以及速度等方面之優勢。轉移應變型矽晶運用Smart Cut技術可維持應力,藉此製造出sSOI或SGOI,即使是在長時間加熱至高溫狀態後。上述結果皆促使各界進行廣泛的研究以及各種新一代工程材料的採納。SST-AP/Taiwan

聲明
Smart Cut 是S.O.I. TEC Silicon絕緣層上覆矽技術商標。

參考資料
1. C. Mazure I. Cayrefourcq, B. Ghyselen, F. Letertre, C. Maleville, "Moving from Today's SOI to Advanced Substrate Engineering" Solid State Tech., p. 111, July 2003.
2. K. Rim, J.L. Hoyt, J.F. Gibbons, "Fabrication and Analysis of Deep Submicron Strained-Si N-MOSFETs," IEEE Trans. Electron. Dev. 47, p. 1406
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