CN100442460C

CN100442460C - 等离子体退火形成硅化镍的方法

Info

Publication number: CN100442460C
Application number: CNB2006100254198A
Authority: CN
Inventors: 莫鸿翔; 吴汉明
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2026-04-03
Also published as: CN101051611A

Abstract

本发明涉及一种利用等离子体工艺中的等离子体加热这一特性进行材料热处理的方法，具体而言，涉及利用等离子体沉积过程中的等离子体加热进行退火处理形成硅化镍的方法，包括以下步骤：对暴露的硅表面进行预清洗，除去自然氧化物；在清洗后的硅表面上沉积镍或镍合金，同时利用等离子体加热至第一温度下使镍或镍合金的至少一部分与硅反应，以形成高电阻硅化镍；移除未反应的镍或镍合金；和在第二温度下进行热退火处理，使所述高电阻硅化镍转化为低电阻硅化镍。本发明的方法中所述高电阻硅化镍的形成在所述镍或镍合金的沉积过程中通过等离子体退火处理来完成，不再需要传统工艺中的第一退火步骤，从而简化工艺过程，缩短工艺时间，降低工艺和设备成本。

Description

等离子体退火形成硅化镍的方法

技术领域

本发明涉及一种利用等离子体工艺中的等离子体加热这一特性进行材料热处理的方法，具体而言，涉及利用等离子体沉积过程中的等离子体加热尤其是离子轰击加热进行退火处理形成硅化镍的方法，更具体而言，涉及一种在暴露的硅表面上形成低电阻硅化镍的方法。

背景技术

随着半导体器件集成度的持续增加以及与这些器件相关的临界尺寸的持续减小，人们的兴趣越来越集中于以低电阻材料制造半导体器件从而保持或降低信号延迟。硅化物和自对准硅化物材料及工艺已被广泛用于降低CMOS器件的栅极导体和源极/漏极区的表面电阻和接触电阻。

包括钨、钽、锆、钛、铪、铂、钯、钒、铌、钴、镍及这些金属的各种合金在内的诸多金属已经用于在半导体器件上形成硅化物层。然而，对于栅极长度小于约100nm的情况，传统的自对准硅化物工艺及材料倾向于存在开口、残留杂质、层内不均匀等各种问题，而这些问题部分地源于硅化物材料层内的结块。绝大部分金属与硅反应从而形成所期望的硅化物层都需要进行高温退火处理，而高温处理使得这些问题更加明显。例如，在用钴形成硅化物时，最初形成硅化钴(CoSi)，但是随着退火工艺的进行，特别是在较高温度下，硅化物倾向于包含越来越大量的硅，并且达到了一种更接近于二硅化钴(CoSi₂)的成分。然而，对于具有小于约100nm的栅极长度的器件而言，在传统的Co自对准硅化物工艺中使用的第二高温硅化容易导致硅化物材料层内的结块，这增加了层内不均匀的程度并容易使所得器件的性能退化。

镍在形成所需硅化物时可以在相对低的温度下进行退火工艺，例如低于约550℃。依据反应条件，镍可以与硅反应形成一硅化二镍(Ni₂Si)、硅化镍(NiSi)或二硅化镍(NiSi₂)。使用高于约550℃的退火温度容易增加电阻最大的二硅化镍的形成，并相应地增加硅的消耗，因此一般不采用。硅化镍在三种镍的硅化物中表现出最低的表面电阻，并且优先在较低的温度下形成。由于硅化温度较低，NiSi表现出降低的结块趋势并且形成了其表面电阻通常与器件尺寸无关的硅化物层，这增加了其对于降低精细线条结构的电阻的作用。因此，在65nm及以下的技术节点中，可望将硅化镍用于栅长度为65nm及以下的CMOS器件。硅化镍具有比硅化钴和硅化钛低的电阻，并且不表现出类似于硅化钴和硅化钛对30nm窄的线宽度的线宽度依赖性。

形成硅化镍的传统工艺通常包括以下步骤：对暴露的硅表面进行预清洗，除去自然氧化物；在清洗后的硅表面上沉积镍或镍合金；在第一温度(约250-300℃)下进行低温快速热处理，使镍或镍合金的至少一部分与硅反应，以形成高电阻硅化镍；移除未反应的镍或镍合金；和在第二温度(约500℃)下进行热退火处理，使所述高电阻硅化镍转化为低电阻硅化镍。传统工艺流程如图1所示。可见，在传统方法中需要分别进行两次退火步骤，不但耗时，而且增加了成本。(参见中国专利200310120207.4和国际公布WO2002/047145)

发明内容

本发明的一个目的是提供一种利用等离子体退火处理在暴露的硅表面上形成低电阻硅化镍的方法，包括以下步骤：

(1)对暴露的硅表面进行预清洗，除去自然氧化物；

(2)在清洗后的硅表面上沉积镍或镍合金，同时利用等离子体加热至第一温度下使镍或镍合金的至少一部分与硅反应，以形成高电阻硅化镍；

(3)移除未反应的镍或镍合金；和

(4)在第二温度下进行热退火处理，使所述高电阻硅化镍转化为低电阻硅化镍。

根据本发明的方法，其中所述预清洗除去自然氧化物的步骤可以例如通过利用氩等离子体溅射移除厚度为的硅表面层来完成。

根据本发明的方法，其中所述镍或镍合金通过物理气相沉积(PVD)法沉积在清洗后的硅表面上，也可以通过本领域普通技术人员所公知的任意其他沉积技术进行沉积。

根据本发明的方法，优选利用等离子体技术中的离子轰击加热来达到第一温度。

根据本发明的方法，其中所述第一温度通过调整等离子体产生条件而达到200-450℃，优选为250-300℃，所述等离子体产生条件包括等离子体组成、等离子体功率、偏压和气压。

根据本发明的方法，移除未反应的镍或镍合金可以通过例如选择性湿法蚀刻来进行。

根据本发明的方法，其中所述第二温度在400-600℃、优选450-500℃的范围内。

根据本发明的方法，其中所述高电阻硅化镍为Ni₃Si和Ni₂Si中的至少一种，所述低电阻硅化镍为NiSi。

根据本发明的方法，其中所述镍合金是由镍与包括钨、钽、锆、钛、铪、铂、钯、钒、铌、钴的集合中的一种或多种金属形成的合金。

因此，本发明方法的特征在于所述镍或镍合金的沉积与高电阻硅化镍的形成同时进行，并且所述高电阻硅化镍的形成在所述镍或镍合金的沉积过程中通过等离子体退火处理来完成。

本发明的优点在于：在镍或镍合金的沉积过程中，可以通过调整等离子体产生条件将硅片温度提高至200-450℃，优选250-300℃。这样，硅化镍的形成可以在镍的沉积过程中开始，并且不再需要第一次退火，这使得可以在一个步骤中完成镍或镍合金的沉积和硅化镍的形成，从而简化工艺过程，缩短工艺时间，降低工艺和设备成本。

等离子体加热可以使得硅片温度高达450℃，并且整个硅片上的温度分布具有合理的均匀性，如图2所示。优选地，可以通过以不同方式改变等离子体产生条件来获得所需温度，例如，在偏压保持500V、气压保持10毫托的情况下，在500W-2kW的范围内调节RF线圈功率可以获得200-450℃的温度；在RF线圈功率保持2kW、气压保持10毫托的情况下，在100-500V的范围内调节偏压可以获得50-450℃的温度；在偏压保持500V、RF线圈功率保持2kW的情况下，在5-50毫托的范围内调节气压可以获得450-50℃的温度。此外，从图2中可以看出，通过调整等离子体中Ar和O等离子体的组成比例也可以获得100-450℃范围内的任意温度。

附图说明

图1示出根据传统方法形成硅化镍的工艺流程。

图2示出表明等离子体加热可以使得晶片温度高达450℃并具有合理的均匀性的模拟结果。

图3示出根据本发明利用等离子体加热的自对准硅化镍的工艺流程。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的说明，但是本发明不限于此。附图中所示各个元件或组分的相对位置、间隔及尺寸均不是按比例给出的，而是为了更加清晰起见有选择地进行了放大、缩小或其他调整。本领域技术人员还应理解，为了更加清晰和减少附图的数量，已略去了包括例如光致抗蚀剂图形和多重层金属化结构在内的、可在半导体器件的制造中普遍或特别使用的某些层。

如图3所示，根据本发明的形成硅化镍的示例性方法按照以下步骤进行。

首先，对暴露的硅表面进行预清洗，除去自然氧化物。预清洗处理可以采用所有可以进行硅表面预清洗的现有技术，例如利用氩等离子体溅射来移除

厚度的硅表面层来获得清洁的硅表面。

随后，在清洗后的硅表面上利用物理气相沉积法(PVD)沉积镍，同时通过改变等离子体产生条件，如RF线圈功率、偏压、气压以及产生等离子体的源气体如Ar和O₂的组成比例等，使得硅片温度达到250-300℃，在该温度下，至少一部分镍与硅反应，形成Ni₂Si。该步骤可以持续10秒至30分钟或者更长时间。

接下来，选择性湿法蚀刻以移除未反应的镍，例如可以使用包含硫酸、硝酸、磷酸、过氧化硫或过氧化氢的溶液来进行移除。在该过程中，未反应的镍被移除，但在等离子体加热过程中形成的Ni₂Si不会被移除。

最后，在400-500℃的温度下进行快速热退火处理，如利用激光退火、炉内退火、电灯加热退火或其他辐射式退火等工艺，使Ni₂Si转化为NiSi，从而在硅片上形成

厚度的NiSi。该步骤可以持续10秒至30分钟或者更长时间。

需要说明的是，当硅化镍由单纯的金属镍形成时，如果硅化物在后续工艺中暴露于高温下或者硅化退火的过程延长或采用更高的温度进行硅化物的形成，那么硅化镍易于转变为电阻更高的二硅化镍，所以这些硅化镍的使用仅限于较窄的工艺窗口。

因此，本发明的另一优选方案是利用镍合金代替镍进行硅化镍的形成，所述镍合金例如可以是由镍与选自钨、钽、锆、钛、铪、铂、钯、钒、铌、钴等中的一种或多种金属形成的合金。重复前述实施方案的工艺步骤，可以得到具有较大的工艺窗口、改善的热稳定性和低电阻的硅化物层。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，可以对本发明进行形式和细节上的各种变化而不会背离本发明的精神和范围。本发明的保护范围如所附权利要求书所限定。

Claims

1.一种在暴露的硅表面上形成低电阻硅化镍的方法，包括：

对暴露的硅表面进行预清洗，除去自然氧化物；

在清洗后的硅表面上沉积镍或镍合金，同时利用等离子体加热至250-300℃的第一温度下使至少一部分镍或镍合金与硅反应，以形成高电阻硅化镍；

移除未反应的镍或镍合金；和

在第二温度下进行热退火处理，使所述高电阻硅化镍转化为低电阻硅化镍。

2.根据权利要求1的形成低电阻硅化镍的方法，其中所述预清洗除去自然氧化物的步骤通过利用氩等离子体溅射移除厚度为20-100

的硅表面层来完成。

3.根据权利要求1的形成低电阻硅化镍的方法，其中所述镍或镍合金通过物理气相沉积法沉积在清洗后的硅表面上。

4.根据权利要求1的形成低电阻硅化镍的方法，其中利用等离子体技术中的离子轰击加热来达到第一温度。

5.根据权利要求1的形成低电阻硅化镍的方法，其中所述第一温度通过调整等离子体产生条件而达到，所述等离子体产生条件包括Ar和O等离子的组成比例、等离子体功率、偏压和气压。

6.根据权利要求1的形成低电阻硅化镍的方法，其中所述第二温度在450-500℃的范围内。

7.根据权利要求1的形成低电阻硅化镍的方法，其中所述高电阻硅化镍为Ni₃Si和Ni₂Si中的至少一种，所述低电阻硅化镍为NiSi。