CN101764058B

CN101764058B - 形成超薄可控的金属硅化物的方法

Info

Publication number: CN101764058B
Application number: CN 200910247379
Authority: CN
Inventors: 吴东平; 罗军; 朴颖华; 葛亮; 张世理; 仇志军
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN101764058A

Abstract

本发明属于微电子器件技术领域，具体为一种形成超薄可控的金属硅化物的方法。该方法包括在硅衬底上沉积金属层，金属层向硅衬底扩散，除去硅衬底表面剩余金属，退火，形成金属硅化物薄层等步骤，沉积的金属包括镍、钴、钛或铂等。沉积金属时还可以掺入铂、钨或钼等。硅衬底中还可以掺入适量碳、氮或氧等。本发明可通过控制衬底温度，硅衬底的离子注入预处理，沉积、扩散和退火重复次数等手段控制金属硅化物最终厚度。本发明方法制备的金属硅化物层热稳定性高，且生长速度可控。本发明可以用来形成金属-半导体肖特基结，也可用于在高掺杂的半导体上形成金属和半导体之间的欧姆接触。

Description

形成超薄可控的金属硅化物的方法

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及在金属薄膜和半导体硅衬底之间形成金属硅化物的方法。

背景技术

随着器件尺寸的缩小，作为金属电极的金属硅化物被广泛用于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的源漏极和栅极，形成和硅、锗或硅-锗半导体的金-半接触。金属硅化物的主要作用从一开始的为简单的二极管提供可靠的接触，到近来利用自对准金属硅化物形成工艺salicide为MOSFET形成低阻源漏接触和低方块电阻栅电极，在CMOS器件尺寸的微缩化及提高器件性能上起着非常重要的作用。金属硅化物从早期的硅化钛(TiSi₂)、硅化钴(CoSi₂)发展到现在主流的的硅化镍(NiSi)或掺铂硅化镍(Ni(Pt)Si)。

硅化钛工艺是先将钛金属沉积在晶片上，然后经过稍低温度的第一次退火，得到高阻的中间亚稳相C49，然后再经过温度稍高的第二次退火，使C49相转变成最终需要的低阻C54相(稳定)。硅化钛具有形成工艺简单、高温稳定性好等优点。然而，随着MOSFET尺寸的不断变小，会出现硅化钛的形成和相变不彻底的现象，尤其是其窄线条效应，即硅化钛的的形成和相变随着线宽或接触面积的减小而变得更加困难，这不仅大大增加了接触电阻和寄生串联电阻，而且导致了器件和器件、电路和电路及芯片和芯片之间特性的不稳定和不重复。

为了解决较小尺寸下出现的线宽效应，硅化钴作为硅化钛的替代品应运而生，但当器件尺寸更小时，窄线条效应在硅化钴的形成中仍然会出现；随着有源区掺杂深度不断变浅，硅化钴形成过程中也会过度消耗表面高掺杂硅。基于以上缺陷，必须寻找新的替代品去适应更高的要求。

相对于之前的硅化钛和硅化钴而言，硅化镍具有一系列独特的优势。硅化镍仍然沿用之前硅化物类似的两步退火工艺，但是退火温度有了明显降低(＜600℃)，这样就大大减少对器件已形成的超浅结的破坏，较低的退火温度不会导致已掺杂离子在硅化物形成过程中的扩散。同时，较低的退火温度也有利于更加先进的材料和技术的集成，这里特别包括了高介电系数的介质栅(high-K dielectric)和金属栅极(metal gate)；镍的硅化物的形成即使在30纳米以下的线条中都没有发现窄线条效应；硅化镍的形成过程对源/漏区的硅的消耗较少，而靠近表面的硅刚好是掺杂浓度最大的区域，因而对于降低整体的接触电阻十分有利。

然而超薄镍硅化物也面临一系列的问题。一方面，通常使用的低阻硅化镍薄膜有着一镍一硅的化学组份比，即一硅化镍NiSi。而由于Si的存在并直接同NiSi接触，随着温度的升高，NiSi会和Si发生反应，形成更加稳定的二硅化镍NiSi₂相，即低阻的一硅化镍相有着潜在的高温不稳定性，对随后的后端工艺中各个步骤的最高温度产生了限制；另一方面，随着超薄硅化物的厚度越来越小，原先的连续厚度均匀的薄膜会由于表面张力作用，会出现厚度不均匀甚至变成类似于岛状的不连续形状，从而导致电阻变大甚至不导电；另外，通常的硅化镍形成工艺在形成硅化物时的速度不易控，不利于形成超薄的硅化物层。

鉴于以上问题，本发明提出一种新的方法，该种方法可形成热稳定性和结构稳定性很高且生长速度可控的超薄金属硅化物。

发明内容

本发明的目的是提供一种在硅衬底上形成一层厚度可控的超薄金属硅化物的方法。

本发明提供的形成厚度可控的超薄金属硅化物的方法包括下列步骤：

(1)在硅衬底上淀积一薄层金属(如镍)，该层金属向硅衬体进行扩散。金属向硅衬底扩散的速度和深度跟淀积时的衬底温度相关；

(2)去除硅衬底表面剩余的金属；

(3)进行退火，形成金属硅化物薄层；

(4)如果该薄层金属硅化物的厚度或质量未达到预期的要求，则可再次进行以上金属淀积、扩散、去除剩余金属和退火的步骤一次或多次，直至金属硅化物层的厚度和质量达到预期要求。

本发明提供的厚度可控的超薄硅化物的制备方法还可以包括下列步骤：

(1)在硅衬底上淀积一薄层金属(如镍)，该层金属向硅衬体进行扩散；

(2)去除硅衬底表面剩余的金属；

(3)再次进行以上金属淀积、扩散和去除剩余金属的步骤一次或多次，每一次金属淀积时的衬底温度可以不尽相同；

(4)进行退火，形成金属硅化物薄层。

上述方法中，硅衬底上沉积的金属为镍、钴、钛或铂，或其中几种的合金。沉积时硅衬底温度控制，0～300℃内选择。退火温度为200℃～900℃；金属硅化物层的最终厚度为2～20nm，优选2～15nm。

本发明提供的厚度可控的超薄金属硅化物的制备方法还可以包括下列步骤：

在淀积的金属中可以掺入一定量的另一金属铂以减慢金属硅化物的生长速度，并且通过铂-金属硅化物(M_1-xPt_xSi)的形成增加金属硅化物的稳定性；这里x≤0.5，M为金属。

在淀积金属或金属-铂合金之前或者之后，可以向硅衬底注入碳、氮或氧中一种或几种，来控制金属硅化物或掺铂金属硅化物的生长和金属/铂的扩散，并增加金属硅化物或掺铂金属硅化物的稳定性。单位硅衬底面积的碳、氮或氧的掺入量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm^-2。

在淀积金属或金属-铂合金中还可以加入难溶的第三金属(包括钨和/或钼等)，以实现控制金属硅化物或掺铂金属硅化物的生长和金属/铂的扩散，并增加金属硅化物或掺铂金属硅化物的稳定性。

最终形成的金属硅化物或掺铂金属硅化物薄层的厚度，还可以通过控制薄层金属淀积时的硅衬底温度来实现；此外，也可以结合淀积时硅衬底的温度调节，使用薄层金属淀积前或后的离子注入预处理方法来实现对最终形成的金属硅化物或掺铂金属硅化物薄层的厚度的控制。这里，离子注入对象包括碳、氮等；还可以结合淀积时硅衬底的温度调节及离子注入预处理，使用难溶金属包括钨、钼等，淀积形成含金属或金属-铂及难溶金属的合金薄层，由此来实现对最终形成的金属硅化物或掺铂金属硅化物薄层的厚度的控制。

本发明提供的厚度可控的超薄金属硅化物的制备方法可以用来形成金属-半导体肖特基结，也可用于在高掺杂的半导体上形成金属和半导体之间的欧姆接触。

本发明提供的形成超薄的金属硅化物的方法除了可以应用在硅衬底材料之外，还可以应用在其它半导体衬底材料如锗化硅、锗、绝缘层上的硅(SOI：silicon-on-insulator)和绝缘层上的锗(GOI：gemanium-on-insulator)等。

这些目标以及本发明的内容和特点，将经过下面的的附图说明进行详细的讲解。

附图说明

图1是用常规方法生长硅化物的流程图。

图2表示本发明在衬底上形成超薄硅化物的第一个工艺实例的流程图。

图3是图2实例中向衬底淀积金属后的截面示意图。

图4是图2实例中去掉衬底表面金属后的截面示意图。

图5是图2实例中退火后的截面示意图。

图6表示本发明在衬底上形成超薄硅化物的第二个实例的衬底截面示意图。

图7表示本发明在衬底上形成超薄硅化物的第三个实例的衬底截面示意图。

图8表示本发明在衬底上形成超薄硅化物的第四个实例的衬底截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明形成超薄可控金属硅化物的方法进行详细的描述。后面的描述中，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。在后面的参考附图中，为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以所示大小并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。

应当注意的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

图1表示用常规方法生长金属硅化物的工艺流程图。首先步骤110准备硅衬底，完成生长前的各项工艺如清洗和去除硅表面的天然二氧化硅薄层等，该硅衬底除了拥有裸露的硅表面之外，还可能含有由其他材料如二氧化硅、氮化硅等覆盖的表面。接着步骤120在衬底表面淀积一定厚度的金属如镍、钴、钛、铂及适当的合金等，然后于步骤130在一定温度下退火从而使金属和其下的硅反应生成金属硅化物，而金属和在其下的二氧化硅或者氮化硅在该退火温度下不会发生反应或发生有限的反应而不足以影响整个工艺及器件性能。为了得到更低的电阻率或更稳定的生长工艺，该退火工艺通常分为几步进行。在步骤140一般用湿法腐蚀除去衬底表面未反应的金属，从而在硅表面上得到所需的金属硅化物层。因此，该硅化物的生长具有选择性，即只在衬底的硅表面反应形成硅化物，而不在衬底的非硅表面如二氧化硅和氮化硅表面形成金属硅化物。除去未反应的硅化物后通常在步骤150再次进行退火，使得生成的硅化物更加稳定。这样通常应用在集成电路制造中的金属硅化物的生长工艺就完成了，如步骤160所示。

上述的常规生长金属硅化物的方法工艺简单，但生成的硅化物的厚度和稳定性取决于淀积的金属的厚度和后续的退火温度的控制，因此不容易形成厚度为5纳米甚至以下的超薄金属硅化物，也不容易形成均匀性和稳定性好的超薄金属硅化物。

图2表示本发明在衬底上形成超薄金属硅化物的第一个工艺实例的流程图。本发明使用的工艺流程如图2所示。首先在步骤210准备衬底并完成淀积前的各项步骤，然后在步骤220于室温下或在某一特定温度下在衬底表面淀积一层金属，一般是镍，也可以是钴、钛、铂及适当的合金等，在后续的描述中以镍为例进行说明。淀积时的温度不能过高(对于镍来说，温度一般不超过300摄氏度，对钛、钴和铂来说，该温度可以超过300摄氏度甚至更高)，否则会造成在超量的镍扩散的同时镍会和硅直接反应形成硅化镍，导致厚度控制的失败。在该特定温度下，镍会经硅表面向硅衬底进行扩散。这种扩散具有自饱和特性：镍向硅衬底进行扩散仅在硅的表面薄层中发生，形成一定硅/镍原子比例的薄层镍，该薄层镍的厚度和淀积时的衬底温度有关，温度越高，该薄层镍的厚度也越大。在室温下，该薄层镍的等效镍厚度为2纳米左右。淀积后的衬底截面图如图3所示。在图3中，衬底由硅310、绝缘层320和绝缘层330构成，绝缘层320和330部分覆盖在硅310表面。绝缘层320和330可以是二氧化硅、氮化硅或其它绝缘介质层。镍340淀积在衬底上并和硅310以及绝缘层320和330接触，一定量的镍340通过硅310表面向硅衬底扩散。然后用湿法或干法刻蚀除去衬底表面未扩散入硅内的镍，如图2中步骤230所示。图4表示除去剩余镍层的衬底截面示意图。镍扩散入硅内形成含有镍的薄层硅层345。然后如图2中步骤240所示，在一定温度下进行退火，形成硅化镍。图5表示形成硅化镍后的衬底截面示意图。图4中含有镍的薄层硅层345与硅衬底310反应生成图5中的硅化镍350。根据具体情况可以重复图2中步骤220-230或220-230-240。直到生成的硅化镍的厚度和特性符合要求，则在260完成生长工艺。

一硅化镍NiSi具有电阻率低、厚度小、硅消耗量小等优点，但纯的一硅化镍在高温条件下稳定性差，或出现薄膜厚度变得不均匀并结块，或生成电阻率高的二硅化镍NiSi₂，严重影响器件的性能。以图2中的工艺流程为基础，本发明进一步使用如后续图6、图7和图8中的方法提高硅化镍的热稳定性，同时减缓硅化镍的生长速度以便于更好地控制其最终的厚度。

图6表示本发明在衬底上形成超薄金属硅化物的第二个实例的衬底截面示意图。为了减慢硅化镍的生长速度以及防止硅化镍薄层遇到高温时发生结块或形成二硅化镍，可以在镍中掺入一定比例的铂。进行如图2中所述的工艺流程里的金属淀积、除去未扩散的金属和退火等步骤，得到图6中的Ni_1-xPt_xSi层360。铂可以在淀积镍之前或之后掺入，也可与镍同时淀积，或直接淀积镍铂合金。

在淀积金属镍或镍-铂合金中还可以加入难溶金属包括钨、钼等，以进一步控制硅化镍或掺铂硅化镍的生长和镍/铂的扩散，并增加硅化镍或掺铂硅化镍的稳定性。

图7表示本发明在衬底上形成超薄金属硅化物的第三个实例的衬底截面示意图。为了控制镍的扩散和硅化镍的生成，可以在淀积金属镍前或淀积后向衬底注入碳，也可注入氮、氧等，也可将三者或其中的两者混合注入。进行如图2中所述的工艺流程里的金属淀积、除去未扩散的金属和退火等步骤，得到更薄更稳定的含有碳、氮、氧等的硅化镍层370。

图8表示本发明在衬底上形成超薄金属硅化物的第四个实例的衬底截面示意图。该实例同时使用图6和图7中所示的工艺方法。首先向衬底310注入碳等元素然后淀积一定厚度的金属镍和铂等，或者先淀积金属镍和铂等，然后注入碳等元素，然后除去表面未扩散的镍铂合金，最后在一定温度下退火一定时间，得到含有碳等元素的Ni_1-xPt_xSi层380。

在以上的实例中，淀积金属时衬底的温度一般控制在0℃-300℃的范围内，退火温度一般控制在200℃-900℃范围内。向衬底注入的碳的剂量一般在1x10¹⁵-1x10¹⁷原子数cm^-2，注入氮或氧时的剂量类似。镍铂合金Ni_1-xPt_x中x一般不大于0.5。

特别需要说明的是，本发明中使用的衬底310不限定于硅衬底，还可包括锗，硅-锗合金及SOI或GOI结构衬底等。

上面所说的各种流程和方法可以根据实际的应用的不同进行组合，也就是说，上面所说的工艺步骤和方法可以在不偏离本发明精神和内容的情况下根据需要进行相应的调整。

Claims

1.一种形成厚度可控的金属硅化物的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)在硅衬底上沉积一薄层金属，该金属向衬底进行扩散；

(2)去除衬底表面剩余的金属；

(3)进行退火，形成金属硅化物薄层；

其中，步骤(1)和步骤(2)重复一次或多次，或者步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)重复一次或多次，直到金属硅化物薄层的最终厚度达到预期的要求为止；

上述步骤中，硅衬底上沉积的金属为镍、钴、钛或铂；沉积时的衬底温度0～300℃内选择，退火温度为200℃～900℃；金属硅化物层的最终厚度为2～20nm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)沉积金属时，还掺入第二金属铂，形成铂-金属硅化物，记为M_1-xPt_xSi，其中，M为金属，x≤0.5。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在步骤(1)沉积金属或金属-铂合金时，还加入第三金属钨和/或钼。

4.根据权利要求1～3之一所述的方法，其特征在于对衬底沉积金属之前或之后注入碳、氮、氧中的一种或几种，碳、氮或氧的掺入量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm^-2硅衬底面积。

5.根据权利要求1～4之一所述的方法，其特征在于所述的衬底材料还采用锗化硅、锗、绝缘层上硅或绝缘层上锗。