NiPtSi硅化物特性研究 11

NiPt金属硅化物工艺特性研究

摘要: 随着MOSFET器件的特征尺寸进入亚100 nm,传统自对准硅化物材料,如TiSi2、CoSi2,由于其硅化物形成工艺的高硅耗、高形成热预算和线宽效应等特点,已不能满足纳米尺寸器件对硅化物材料的要求,显现出其作为自对准硅化物材料的局限性。NiSi与传统自对准硅化物材料相比,不但具有硅化物形成工艺的低硅耗和低形成热预算,而且具有低电阻率,又不存在线宽效应。所以,NiSi作为纳米尺寸器件最有希望的自对准硅化物材料得到广泛的关注和研究。

关键词:快速热退火;镍硅化物;MOSFET

Investigation on Technological Characteristics of Ni(Pt)Si Silicide Abstract:As the feature size of MOSFET is scaling down to sub-100 nm,traditional salicide materials,such as TiSi2and CoSi2,can no longer satisfy the requirement of nano-scale device,due to their defects,including high silicon consumption,high heat budget of formation and line width effect. NiSi,which has low silicon consumption, low heat budget of formation,low resistivity and no linewidth effect,has been considered as the most promising candidate of salicide materials. Characteristics of Ni-Silicide,formation process of NiSi and optimization of the formation process were summarized.

Key words:RTP; NiSi; MOSFET

1 引言

硅化物具有能承受高温热处理、能选择腐蚀、薄膜电阻率低等特点,因此在超大规模集成电路制造中,作为一种性能优良的接触材料得到广泛的应用。目前TiSi2、CoSi2成为普遍使用的一种硅化物,但当器件等比例缩小到深亚微米时,TiSi2的线宽效应严重阻碍了高阻C49-TiSi2向低阻C54-TiSi2的转化。钴硅化物与钛硅化物相比,虽然能够较有效地避免了线宽效应,但在深亚微米浅结工艺中钴消耗Si原子较多。镍硅化物具备无线宽效应、无桥连现象、薄层电阻小、低温退火消耗更少的硅原子和Ni硅化物应力小等优点,受到人们的重视[1]。但是NiSi的缺点是热稳定性不好。NiSi在高于650°C时开始结团,在750°C时低阻NiSi开始向高阻NiSi2转化,结果薄层电阻升高导致器件性能严重退化。因此如何提高NiSi的稳定性是目前急需解决的课题。文中在掺杂p型多晶硅和n型单晶硅上,采用掺Pt的方法来改善NiSi硅化物的温度稳定性,取得了较好的结果。

2 金属硅化物工艺

随着器件的特征尺寸不断缩小，当其特征尺寸缩小到深亚微米和纳米级时，器件的一些非本征参数成为影响器件性能提升的重要因素[2]，例如各种寄生电阻和寄生电容。这些减小寄生电阻一方面可以通过增加源漏区的掺杂离子浓度，但是掺杂浓度不能无限制的增加，因为掺杂浓度增加一方面会造成源漏区晶格结构的破坏，同时也容易带来严重的短沟道效应[3]。为此人们便引入金属硅化物，主要是在接触孔和源漏或栅极间形成欧姆接触。金属硅化物是指金属原子和Si原子在高温下通过固相反应形成的一种金属硅化物，在实际的生产和应用中得到广泛应用的比较广泛的依次为MoSi2、WSi2、TiSi2、CoSi2和NiSi。另一个可行的方法是采用全金属硅化物源漏结构的MOSFET 或全金属硅化物源漏结构的FinFET。

3 NiSi金属硅化物工艺技术难点以及发展趋势

NiSi金属硅化物虽然拥有众多的优点，但是其在大规模集成电路应用还面临许多困难和挑战：

（1）硅表面的处理。由于Ni不能和SiO

发生固相反应，Si表面的氧化层

2

如果去除不干净，会影响Ni和Si之间的固相反应，造成金属硅化不均匀，影响半导体器件的特性，所以在沉积金属之前首先要确保Si表面的自然氧化层去除干净[4]。目前去除氧化层主要是用稀释的HF溶液（水和HF酸的比例为100:1），清洗甩干后立即进入物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）设备，以尽量减少在空气中暴露的时间。在PVD设备中一般在沉积金属前都用氩离子轰击硅表面，去除Si表面30Å左右的表面物质，以确保Si表面的氧化层去除干净[5]。

（2）NiSi的热稳定性的问题。因为NiSi不是最终的一种稳定的相，当温度继续升高NiSi相将会转化为NiSi2相，而NiSi2相是一种高阻相。因此如何对镍硅化物的两步快速热退火（RTA1和RTA2）的条件进行选择就显得尤其重要[6]。在实际的工业生产中，要求选择的RTA1和RTA2要工艺稳定、重复性好并且形成的镍硅化物薄膜电阻和接触电阻要低。另一方面，NiSi在高温下容易出现团聚现象。文献指出，当NiSi在600℃快速热退火时就出现严重的“团聚”现象，但是此时并没有出现NiSi相转化为NiSi2相，从而造成薄膜电阻的急剧增加，使器件的特性退化等。因此，如何来抑制NiSi在快速热退火过程中出现的严重“团聚”现象，将是一个十分重要的议题。

（3）薄膜厚度控制的问题。在薄膜沉积的过程中，一般无法对沉积薄膜厚度进行实时监控。通常的做法就是先通过较长时间的沉积，生长处较厚的金属薄膜，再测出沉积金属薄膜的厚度，然后根据沉积时间和厚度之间的关系，计算出生产所需厚度金属的沉积时间。通过这种方法得到的沉积金属的厚度往往不是那么精确，这就给有效控制Ni金属薄膜的厚度带来很大的困难[7]。在实际的工业生产中可以通过一系列的手段来将沉积薄膜的速率调整到适当的范围。

（4）衬底应力的控制的问题。一般来说，Si衬底应力对镍硅化物的形成有着直接的影响[13]。Si衬底压应力能抑制镍硅化物的形成，这是因为衬底的压应力能抑制Ni原子在Si原子的中的扩散，从而抑制镍硅化物的形成。Si衬底张应力能促进Ni硅化物的形成，这是因为衬底的张应力能促进Ni原子在Si原子中的扩散，从而促进Ni硅化物的形成。工业生产一般根据需要，调整晶片衬底的应力。

（5）缺陷的控制方面的问题。在金属Ni薄膜的沉积过程中，缺陷控制是十分重要的一个参数。这是因为即使很小的缺陷颗粒也会对Ni金属薄膜产生很大