CN102117744B - 自对准金属硅化物的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种自对准金属硅化物的形成方法，包括：提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域；对所述硅区域进行离子注入；去除所述硅区域的自然氧化层；在所述硅区域形成金属层；在所述金属层表面形成保护层；对所述形成有金属层的半导体基底进行退火，形成金属硅化物层。本发明形成的金属硅化物层均匀性好且器件不会出现桥接现象。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及自对准金属硅化物的形成方法。
背景技术
在半导体制造技术中，金属硅化物由于具有较低的电阻率且和其他材料具有很好的粘合性而被广泛应用于源/漏接触和栅极接触来降低接触电阻。高熔点的金属与硅发生反应生成金属硅化物，通过一步或者多步退火工艺可以形成低电阻率的金属硅化物。随着半导体工艺水平的提高，特别是在90nm及其以下技术节点，为了获得更低的接触电阻，镍及镍的合金成为形成金属硅化物的主要材料。
在已经公开的申请号为200780015617.9的中国专利申请中公开了一种自对准金属硅化物的形成方法，该方法选择镍合金作为形成金属硅化物的材料。图1至图3给出了该方法形成自对准硅化物各阶段的剖面结构示意图。
如图1所示，首先提供半导体基底100，所述半导体基底100形成有隔离区110，所述隔离区110内填充有绝缘材料；在半导体基底100上形成有栅介质层104；在所述栅介质层104上形成有栅电极103，在所述栅电极103及栅介质层104的两侧形成有侧墙105，所述栅电极103两侧半导体基底100内形成有源极101和漏极102。
如图2所示，在所述半导体基底100的表面形成金属层106，所述金属层106覆盖所述源极101、漏极102、栅极103和侧墙105，所述金属层106的材料为钛。进一步地，可以在金属层106上形成保护层107，所述保护层107的材料为氮化钛(TiN)，用来防止金属层106被氧化，保护层107的形成是可选的，可以被忽略。
如图3所示，对所述半导体基底100进行退火工艺，通过退火，所述源极101、漏极102、栅极103表面上的金属层106材料与所述源极101、漏极102和栅极103中的硅材料发生反应生成金属硅化物层，分别为101a、102a、103a。之后通过选择性刻蚀将没有发生反应的金属层106去除，使得形成的金属硅化物层101a、102a、103a暴露在所述半导体基底100的表面。
但是，发明人发现，现有技术形成的金属硅化物层(101a、102a或者103a)中合金元素的分布不够均匀，并且金属硅化物层(101a、102a或者103a)的金属元素会扩散到所述源极101、漏极102或者栅极103，形成桥接现象。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种自对准金属硅化物的形成方法，避免形成的金属硅化物层均匀性差且器件有桥接现象。
为解决上述问题，本发明提供了一种自对准金属硅化物的形成方法，包括：
提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域；
对所述硅区域进行离子注入；
去除所述硅区域的自然氧化层；
在所述硅区域形成金属层；
在所述金属层表面形成保护层；
对所述形成有金属层的半导体基底进行退火，形成金属硅化物层。
可选的，所述硅区域为源极区的硅区域、漏极区的硅区域或者栅极区的栅多晶层。
可选的，所述离子注入工艺为砷离子注入。
可选的，所述离子注入的具体工艺参数为：注入离子为砷离子，所述砷离子注入的浓度为1.8E14cm-2至2.2E14cm-2，能量范围为18KeV至22KeV。
可选的，所述金属层的材料为Ti、Co或者Ni。
可选的，所述金属层的形成工艺为物理气相沉积工艺。
可选的，所述保护层的材料为TiN。
可选的，所述保护层的形成工艺为物理气相沉积工艺。
可选的，所述退火工艺具体参数包括：退火温度为700℃至750℃，保护气体为氮气，氮气流量为3升/分钟至5升/分钟，退火时间为15秒至25秒。
可选的，还包括步骤：去除保护层及其未反应的金属层。
可选的，还包括步骤：对所述金属硅化物层再退火。
可选的，对所述金属硅化物层再退火的具体工艺参数为：退火温度为800℃至880℃，保护气体为氮气，氮气流量为3升/分钟至5升/分钟，退火时间为15秒至25秒。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过形成金属层之前对硅区域进行砷离子注入，提高了后续形成的金属硅化物的均一性，且避免形成的器件出现桥接现象。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1至图3是现有技术的自对准金属硅化物形成方法的结构示意图；
图4是本发明的一个实施例的自对准金属硅化物的形成方法的流程示意图；
图5至图10为本发明的一个实施例的自对准金属硅化物的形成方法的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，发明人发现，现有技术形成的金属硅化物层中合金元素的分布不够均匀，并且金属硅化物层的金属元素会扩散到所述源极、漏极或者栅极，形成桥接现象。
为此，本发明的发明人经过大量实验，提供了一种优化的自对准金属硅化物的形成方法，包括：
提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域；
对所述硅区域进行离子注入；
去除所述硅区域的自然氧化层；
在所述硅区域形成金属层；
在所述金属层表面形成保护层；
对所述形成有金属层的半导体基底进行退火，形成金属硅化物层。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图4是本发明的一个实施例的自对准金属硅化物的形成方法的流程示意图，图5至图10为本发明的一个实施例的自对准金属硅化物的形成方法的过程示意图。下面结合图4至图10对本发明的自对准金属硅化物的形成方法进行说明。
步骤S101，提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域。
参考图5，提供半导体基底200，在所述半导体基底200表面至少有一硅区域。所述半导体基底200的材质可以是单晶硅、非晶硅中的一种，所述半导体基底200的材质也可以是硅锗化合物，所述半导体基底200还可以是绝缘体上硅(SOI，Silicon On Insulator)结构或硅上外延层结构。
所述半导体基底200表面形成有栅极结构210，所述栅极结构210包括栅介质层211、形成在栅介质表面的栅多晶硅层212、形成在所述栅介质层211和栅多晶硅层212侧壁的侧墙213；所述半导体基底200内形成有源极区220和漏极区230。
所述硅区域可以是所述半导体基底200内的源极区220或/和漏极区230；所述硅区域也可以是所述半导体基底200表面的栅多晶硅层212。
在本实施例中，以所述硅区域为源极区220、漏极区230和栅多晶硅层212为例做示范性说明。
需要特别指出的是，所述硅区域由于暴露在外界，所述硅区域表面会有一层自然氧化层(未图示)。
步骤S102，对所述硅区域进行离子注入。
参考图6，对所述源极区220、漏极区230和栅多晶硅层212进行离子注入300，所述离子注入用于将硅区域非晶化。本发明的发明人发现现有技术中直接在硅区域表面形成金属层，然后采用退火工艺形成金属硅化物层，由于生成的金属硅化物晶粒尺寸(grain size)较大，后续退火工艺使得硅区域硅原子与金属原子反应形成金属硅化物层的过程中，很容易使得形成的金属硅化物层均匀性差；并且现有工艺中形成的金属硅化物层为A-Si键(A为金属原子，A可以为Ti或者Co)，形成机理为金属原子与Si的互相扩散反应，由于所述Si相比金属原子扩散的更快，Si会扩散至栅极的绝缘侧壁上与金属原子反应生成A-Si的导电金属硅化物，导致形成的器件出现桥接现象而产生漏电。
为此，本发明的发明人经过大量的实验，形成如下方案：对所述硅区域进行离子注入，所述离子注入的离子为砷，所述砷离子注入的浓度为1.8E14cm-2至2.2E14cm-2，能量范围为18KeV至22KeV。
对所述硅区域进行砷离子注入步骤具有如下作用：采用能量范围为18KeV至22KeV的砷离子注入实现非晶化植布，能够后续形成的金属硅化物的晶粒尺寸(Grain Size)变小，排布均匀，使得后续在所述硅区域表面的金属层形成金属硅化物层时，形成的金属硅化物层均一性好；所述离子注入工艺注入了砷离子，砷离子与后续形成的位于所述硅区域的金属原子形成A-As结构(A为金属原子，A可以为Ti或者Co)，以金属钛为例，钛砷结构的晶界(Grain Boundary)的阻挡硅的扩散，从而避免了器件出现桥接现象；砷离子注入还可以增大后续金属硅化物再退火温度的工艺窗口和时间的工艺窗口。
步骤S103，去除所述硅区域的自然氧化层。
所述去除自然氧化层(未图示)的工艺可以为现有的去除工艺，例如湿法去除工艺，在这里不再赘述。
所述自然氧化层(未图示)为所述硅区域暴露在空气中自然氧化形成，去除自然氧化层用于提高后续形成的金属硅化物层的质量。
步骤S104，在所述硅区域形成金属层。
参考图7，所述金属层240材料可以为Ti、Co或者Ni，所述形成金属层240的工艺可以为现有的金属层形成工艺，例如物理气相沉积工艺。
所述金属层240在后续工艺中与所述硅区域的硅原子形成金属硅化物。
步骤S105，在所述金属层表面形成保护层。
参考图8，所述保护层250用于保护所述金属层240，避免所述金属层240暴露在空气中被氧化。
所述保护层250材料可以为TiN；所述形成保护层250的工艺可以为现有的保护层形成工艺，例如物理气相沉积工艺。
步骤S106，对形成有金属层的半导体基底进行退火，形成金属硅化物层。
参考图9，所述退火工艺在快速退火炉中退火，所述退火工艺具体参数包括：退火温度为700℃至750℃，保护气体为氮气，氮气流量为3升/分钟至5升/分钟，退火时间为15秒至25秒，直至形成金属硅化物层260。
对准金属硅化物的形成方法还包括步骤：去除保护层250；去除未反应的金属层240；对所述金属硅化物层260再退火。
参考图10，所述去除保护层250工艺为化学试剂去除工艺，以保护层250为TiN为例，具体工艺参数包括：去除剂为H2SO4和H2O2，其中H2SO4∶H2O2为5∶1，采用所述去除剂去除所述保护层250。
所述去除未反应的金属层240的工艺为化学试剂去除工艺，以金属层240为钛为例，具体工艺参数包括：去除剂为NH4OH、H2O2和H2O，其中NH4OH∶H2O2∶H2O为1∶1∶5，采用所述去除剂去除未反应的金属层240。
若金属层240材料为钛，自对准金属硅化物的形成方法步骤还包括：对所述金属硅化物层260再退火，所述再退火工艺在快速退火炉中退火，所述再退火工艺具体参数包括：退火温度为800℃至880℃，保护气体为氮气，氮气流量为3升/分钟至5升/分钟，退火时间为15秒至25秒。
对所述金属硅化物层260再退火工艺用于降低形成的金属硅化物层260的电阻，具体的，若金属层260材料为钛，钛与硅反应生成的一种为C-49相位的TiSi2，C-49相位的金属硅化物层260电阻比较大，现有工艺会对所述金属硅化物层260再退火使得C-49相位的TiSi2转变为低阻的C-54相位的金属硅化物层260，但是随着半导体随着线宽的变小，C-49相位转化为C-54相位所需的温度变高，所需时间变长。但温度太高，高温时间过长就会导致薄膜的团化，所述金属硅化物层260形成不相连的块状，导致电阻升高，而在本发明中，由之前的叙述可知，砷离子注入使得金属硅化物层260的非晶化可以使TiSi2的晶粒尺寸变小，缩小晶粒尺寸能够降低C-49相位到C-54相位转化的温度，缩短转化所需时间。
综上所述，本发明提供的自对准金属硅化物的形成方法，与现有技术相比，本发明在形成金属层之前对硅区域进行砷离子注入，提高了后续形成的金属硅化物的均一性，且避免形成的器件出现桥接现象。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域；
对所述硅区域进行离子注入，所述离子注入工艺为砷离子注入，所述离子注入的具体工艺参数为：所述砷离子注入的浓度为1.8E14cm-2至2.2E14cm-2，能量范围为18KeV至22KeV；
去除所述硅区域的自然氧化层；
在所述硅区域形成金属层；
在所述金属层表面形成保护层；
对形成有金属层的半导体基底进行退火，形成金属硅化物层。
2.如权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，所述硅区域为源极区的硅区域、漏极区的硅区域或者栅极区的栅多晶层。
3.如权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料为Ti、Co或者Ni。
4.如权利要求3所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，所述金属层的形成工艺为物理气相沉积工艺。
5.如权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，所述保护层的材料为TiN。
6.如权利要求5所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，所述保护层的形成工艺为物理气相沉积工艺。
7.如权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，所述退火工艺具体参数包括：退火温度为700℃至750℃，保护气体为氮气，氮气流量为3升/分钟至5升/分钟，退火时间为15秒至25秒。
8.如权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，还包括步骤：去除保护层及未反应的金属层。
9.如权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，若金属层材料为Ti，还包括步骤：对所述金属硅化物层再退火。
10.如权利要求9所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，若金属层材料为Ti，对所述金属硅化物层再退火的具体工艺参数为：退火温度为800℃至880℃，保护气体为氮气，氮气流量为3升/分钟至5升/分钟，退火时间为15秒至25秒。
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