CN103035497B - 镍硅化物形成方法及晶体管形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种镍硅化物形成方法以及一种晶体管形成方法。本发明的实施例所提供的晶体管形成方法，包括：提供衬底，所述衬底表面材料含硅；在所述衬底表面形成金属层，所述金属层的材料含镍；形成金属层后，对衬底进行第一退火，形成第一镍硅化物层；向所述第一镍硅化物层注入硅离子；注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，形成第二镍硅化物层。通过本发明实施例提供的晶体管形成方法可以避免第二镍硅化物层向沟道区侵蚀，从而可以提高晶体管的可靠性。

Description

镍硅化物形成方法及晶体管形成方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及镍硅化物形成方法及晶体管形成方法。
背景技术
自对准硅化物技术是一种通过在栅电极层和源/漏极表面形成金属硅化物层，从而减小栅电极层和源/漏区的电阻的工艺技术。在公开号为US2010/0117238的专利中披露了一种硅化镍层的形成方法。
以通过镍自对准硅化物技术形成的镍硅化物为例，所述镍硅化物可以是Ni2Si层，NiSi层或NiSi2层中的任何一种，或者任意两种或三种的组合。其中，镍硅化物的成分由反应过程中镍与硅的比例决定，最初反应时镍原子剂量充分，与硅反应生成Ni2Si层，随着反应过程的进行，镍原子逐步扩散至硅层中，硅的比例上升，所述Ni2Si层转化成NiSi层，若镍原子继续在硅层中进行扩散，若所述硅的比例高于镍的比例，则所述NiSi层将转化为NiSi2层。
图1至图4为现有技术通过镍自对准硅化物技术形成镍硅化物的过程的剖面结构示意图。
首先如图1所示，提供衬底001，所述衬底001上形成有栅极结构及位于所述栅极结构两侧衬底001内的源区和漏区，所述栅极结构包括依次位于所述衬底001上的栅极氧化层021和栅电极层022，及位于所述栅电极层022两侧的侧墙030；继续参考图1，在所述衬底001及栅极结构上形成镍层040，所述镍层040覆盖所述衬底001暴露出的表面和栅极结构。
如图2所示，对镍层040进行第一退火，经过所述第一退火，镍层040中的镍可以与衬底001中的硅进行反应，生成第一镍硅化物051。所述第一镍硅化物051为Ni2Si层或Ni2Si和NiSi的混合层。
如图3所示，对镍层040进行选择性刻蚀，所述刻蚀溶液为高温硫酸和双氧水混合溶液，去除未进行反应的镍层。
如图4所示，因为Ni2Si的电阻率比较高，且稳定性差，所以对所述第一镍硅化物051进行第二退火，经过所述第二退火，位于所述衬底表面的第一镍硅化物051继续与衬底001中的硅进行反应，形成位于衬底表面的第二镍硅化物062，及位于栅极结构顶部的第二镍硅化物062。所述第二镍硅化物062为NiSi层。
但是在实际中发现，通过上述方法形成的晶体管的可靠性比较差。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种镍硅化物形成方法，以及一种晶体管形成方法，以解决现有方法形成的晶体管可靠性差的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种镍硅化物形成方法，包括：
提供衬底，所述衬底表面材料含硅，所述衬底表面具有含镍的金属层；
对所述衬底进行第一退火，形成第一镍硅化物层；
向所述第一镍硅化物层注入硅离子；
注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，形成第二镍硅化物层。
可选地，所述第一镍硅化物层的材料是Ni2Si或Ni2Si和NiSi的混合物。
可选地，所述第二镍硅化物层的材料是NiSi。
可选地，所述第一退火是浸入式退火，退火温度为220-320摄氏度，退火时长为30-90秒。
可选地，所述第二退火是毫秒退火，退火温度为700-950摄氏度，退火时长为0.25-20毫秒。
可选地，所述第二退火是浸入式退火，退火温度为350-550摄氏度，退火时长为15-90秒。
可选地，所述第二退火是尖峰退火，尖峰温度为400-550摄氏度。
可选地，向所述第一镍硅化物层注入硅离子的工艺是硅离子注入工艺或者硅等离子体注入工艺。
可选地，所述硅离子注入工艺的注入能量是200eV-5keV，注入剂量为1E15-1E18/平方厘米。
本发明还提供一种晶体管形成方法，包括：
提供衬底，所述衬底表面的材料含硅，所述衬底表面形成有栅极结构，所述栅极结构两侧的衬底内形成有源、漏极，所述源、漏极表面具有含镍金属层；
在源、漏极表面形成金属层，所述金属层的材料含镍；
对所述金属层进行第一退火，形成第一镍硅化物层；
向所述第一镍硅化物层注入硅离子；
注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，形成第二镍硅化物层。
可选地，所述第一镍硅化物层的材料是Ni2Si或Ni2Si和NiSi的混合物。
可选地，所述第二镍硅化物层的材料是NiSi。
可选地，所述第一退火是浸入式退火，退火温度为220-320摄氏度，退火时长为30-90秒。
可选地，所述第二退火是毫秒退火，退火温度为700-950摄氏度，退火时长为0.25-20毫秒。
可选地，所述第二退火是浸入式退火，退火温度为350-550摄氏度，退火时长为15-90秒。
可选地，所述第二退火是尖峰退火，尖峰温度为400-550摄氏度。
可选地，向所述第一镍硅化物层注入硅离子的工艺是硅离子注入工艺或者硅等离子体注入工艺。
可选地，所述硅离子注入工艺的注入能量是200eV-5keV，注入剂量为1E15-1E18/平方厘米。
可选地，所述金属层的材料还包括铂。
可选地，所述第二镍硅化物层的厚度是100-200埃。
可选地，还包括在所述栅极结构表面形成所述金属层。
与现有技术相比，本发明的实施例在形成第一镍硅化物层后，第二退火之前，向所述第一镍硅化物层注入硅离子，提高第一镍硅化物层中硅的含量，所以在后续第二退火中，第一镍硅化物层中有充分的硅源，第一镍硅化物层与所注入的硅离子发生反应，从而避免了因为第一镍硅化物层与沟道区的硅原子发生反应而造成第二镍硅化物层向沟道区侵蚀，并因此提高晶体管的可靠性。
附图说明
图1至图4是现有的晶体管形成过程的剖面结构示意图；
图5是现有工艺中，晶体管的漏电流与镍硅化物的形成工艺的关系示意图；
图6是本发明的实施例所提供的晶体管形成方法的流程示意图；
图7至图11是本发明的实施例所提供的晶体管形成过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术形成的晶体管的可靠性比较差。请参考图5，图5为现有技术形成的晶体管的源漏之间不同的漏电流值的出现概率与形成第二镍硅化物层的工艺的关系示意图。其中图5中横坐标为源漏之间的漏电流，纵坐标为多次测量过程中，测量结果为对应漏电流的概率，其中□对应的是采用浸入式低温退火工艺形成晶体管的第二镍硅化物层，○对应的是采用激光退火工艺形成晶体管中的第二镍硅化物层。由图5可以看出对于现有的晶体管形成方法而言，漏电流受第二镍硅化物层的形成温度的影响比较大，即所形成的晶体管的可靠性不好。
发明人针对上述问题进行研究，发现如图3所示，在第一退火之后，没有镍硅化物向沟道区侵蚀(encroachment)的现象，但在第二退火之后，会发生图4所示的镍硅化物向沟道区侵蚀的现象。发明人认为，如图4所示，在第二退火中，第一镍硅化物层会与衬底中的硅发生反应生成第二镍硅化物层，又因为沟道区中的硅含量高，所以NiSi2层会向沟道区扩散，并与沟道区的Si反应生成第二镍硅化物层，造成所形成的第二镍硅化物层向沟道区侵蚀，所形成的第二镍硅化物层向沟道区侵蚀的程度与第二镍硅化物层的形成工艺相关，并因此造成所形成的晶体管的可靠性比较差。
阻止第二镍硅化物层向沟道区扩散的一种方法是镍合金技术，具体地，以镍铂合金层代替图1中的镍层，但是效果不够好；另外一种方法是形成镍层之前，向衬底注入氟离子、氮离子或者氩离子这样的离子，但是所注入的离子会影响到后续形成的晶体管的性能。
发明人经过进一步研究，在本发明的实施例中提供一种镍硅化物形成方法，包括：
提供衬底，所述衬底表面材料含硅，所述衬底表面具有含镍的金属层；
对所述衬底进行第一退火，形成第一镍硅化物层；
向所述第一镍硅化物层注入硅离子；
注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，形成第二镍硅化物层。
发明人还在本发明的实施例中提供一种晶体管形成方法。
为了充分阐明本发明的精神和实质，在下文中，结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图6是本发明的实施例所提供的晶体管形成方法的流程示意图，包括：
步骤S101，提供衬底，所述衬底表面的材料含硅，所述衬底表面形成有栅极结构，所述栅极结构两侧的衬底内形成有源、漏极；
步骤S102，在源、漏极表面形成金属层，所述金属层的材料含镍；
步骤S103，对所述金属层进行第一退火，形成第一镍硅化物层；
步骤S104，向所述第一镍硅化物层注入硅离子；
步骤S105，注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，形成第二镍硅化物层。
图7至图11是本发明的实施例所提供的晶体管形成过程的剖面结构示意图。
参考图7，提供衬底100，所述衬底100表面形成有栅极结构，所述栅极结构两侧的衬底100内形成有源极110和漏极120。
所述衬底100为硅衬底，或者SOI衬底。所述栅极结构包括依次形成在衬底100表面的栅介质层130、栅电极层150，以及形成在所述栅介质层130和栅电极层150侧壁的侧墙140。
参考图8，在源、漏极表面，以及栅极结构的表面形成金属层160，所述金属层160的材料含镍。
本实施例中，所述金属层160的材料是镍，所述金属层160的形成工艺为物理气相沉积工艺。
在本发明的其他实施例中，所述金属层160的材料还可以是镍与Ta、Zr、Ti、Hf、W、Co、Pt、Mo、Pd、V和Nb构成的组合中至少一种材料的合金，当镍中加入其他金属形成镍合金层后，可以提高在随后的工艺中要形成的镍合金硅化物层的热稳定性。所述金属层160的材料是镍铂合金的好处还包括铂可以阻挡镍在所述硅层中的扩散。本实施例中，所述金属层160的厚度范围为100-200埃。
进一步地，可以在金属层160上形成帽层(未图示)，所述帽层可以由氮化钛构成。在这种情况下，氮化钛层用于防止金属层160氧化。此处，帽层的形成不进行赘述
参考图9，对所述金属层进行第一退火，形成第一镍硅化物层170。
所述第一退火是浸入式退火，退火温度为220-320摄氏度，退火时长为30-90秒。
在第一退火过程中，在源极110表面的金属层中的镍原子和源极110内的硅原子反应；在漏极120表面的金属层中的镍原子和漏极120内的硅原子反应；位于所述栅电极层150上的金属层160中的镍原子与栅电极层150内的硅原子反应，分别对应形成第一镍硅化物层170。所述第一镍硅化物层的材料是Ni2Si或Ni2Si和NiSi的混合物。
所述第一镍硅化物层170的厚度范围为100～200埃。
其中，在所述第一退火期间，侧墙140不会与所述金属层160反应，且覆盖在所述衬底100表面和栅电极层150顶部的较大部分的金属层160未与硅原子进行反应。进行所述第一退火后，未反应的金属层160仍残留在衬底100、栅电极层150顶部和侧墙140的表面。所以在第一退火后，选择性去除未反应的金属层160。所述去除方法为湿法去除。所述湿法去除利用硫酸和过氧化氢的混合物去除未反应的金属层160，进一步地，在去除所述未反应的金属层160的同时还可以去除帽层(未图示)。
参考图10，向所述第一镍硅化物层170注入硅离子。
向所述第一镍硅化物层170注入硅离子的工艺是硅离子注入工艺或者硅等离子体注入工艺。所述硅离子注入工艺的注入能量是200eV-5keV，注入剂量为1E15-1E18/平方厘米。
如果所述硅离子注入工艺的注入能量过小，可能无法将硅离子注入到第一镍硅化物层170的内部，所以在本发明的实施例中，硅离子的注入能量大于200eV。在本发明的实施例中，通过调节硅离子的注入能量，使硅离子的注入能量略大于注入深度等于第一镍硅化物层170厚度所需要的注入能量，使得有部分硅离子穿过第一镍硅化物层170，被注入到衬底100位于第一镍硅化物层170底部的部分，并在衬底100位于第一镍硅化物层170底部的部分造成缺陷。所述缺陷会使在后续第二退火过程中，第一镍硅化物层170倾向于与衬底100包含缺陷的部分发生反应，从而进一步避免第一镍硅化物层170与衬底100位于沟道区的部分发生反应，从而进一步避免后续形成的第二镍硅化物层向沟道区侵蚀。但是需要合理调节注入能量的范围，以避免对衬底造成的缺陷过多，并避免工艺浪费。
如果所述硅离子注入工艺的注入剂量过小，可能不足以提供足够的硅源在后续第二退火工艺中与第一镍硅化物层170反应形成第二镍硅化物层；如果所述硅离子注入工艺的注入剂量过大，一方面过多的硅源可能与第一镍硅化物层170反应形成NiSi2，NiSi2阻值较大，不利于提高器件的性能，另一方面会造成工艺浪费。
参考图11，注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层170进行第二退火，形成第二镍硅化物层180。
所述第二镍硅化物层180的材料是NiSi。所述第二镍硅化物层的厚度是100-200埃。
在本发明的一个实施例中，所述第二退火是毫秒退火，退火温度为700-950摄氏度，退火时长为0.25-20毫秒。
在本发明的另一个实施例中，所述第二退火是浸入式退火，退火温度为350-550摄氏度，退火时长为15-90秒。
在本发明的另一个实施例中，所述第二退火是尖峰退火，尖峰温度为400-550摄氏度。
因为在向所述第一镍硅化物层170注入硅离子后，所述第一镍硅化物层170中含有充分的硅源，所以在第二退火工艺中，第一镍硅化物层170中的Ni2Si材料直接与第一镍硅化物层170中的硅离子发生反应，形成第二镍硅化物层180。避免了因为第一镍硅化物层170与沟道区的硅原子发生反应，造成所形成的第二镍硅化物层180向沟道区侵蚀。
本发明的实施例在形成第一镍硅化物层后，第二退火之前，向所述第一镍硅化物层注入硅离子，提高第一镍硅化物层中硅的含量，所以在后续第二退火中，第一镍硅化物层中有充分的硅源，第一镍硅化物层与所注入的硅离子发生反应，从而避免了因为第一镍硅化物层与沟道区的硅原子发生反应而造成第二镍硅化物层向沟道区侵蚀。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (21)

1.一种镍硅化物形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底表面材料含硅，所述衬底表面具有含镍的金属层；
对所述衬底进行第一退火，形成第一镍硅化物层；
向所述第一镍硅化物层注入硅离子，使部分硅离子穿过所述第一镍硅化物层注入到衬底位于第一镍硅化物层底部的部分；
注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，所述第一镍硅化物层与所述硅离子发生反应形成第二镍硅化物层。
2.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述第一镍硅化物层的材料是Ni2Si或Ni2Si和NiSi的混合物。
3.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述第二镍硅化物层的材料是NiSi。
4.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述第一退火是浸入式退火，退火温度为220-320摄氏度，退火时长为30-90秒。
5.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述第二退火是毫秒退火，退火温度为700-950摄氏度，退火时长为0.25-20毫秒。
6.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述第二退火是浸入式退火，退火温度为350-550摄氏度，退火时长为15-90秒。
7.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述第二退火是尖峰退火，尖峰温度为400-550摄氏度。
8.如权利要求1所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，向所述第一镍硅化物层注入硅离子的工艺是硅离子注入工艺或者硅等离子体注入工艺。
9.如权利要求8所述的镍硅化物形成方法，其特征在于，所述硅离子注入工艺的注入能量是200eV-5keV，注入剂量为1E15-1E18/平方厘米。
10.一种晶体管形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底表面的材料含硅，所述衬底表面形成有栅极结构，所述栅极结构两侧的衬底内形成有源、漏极，所述源、漏极表面具有含镍的金属层；
对所述金属层进行第一退火，形成第一镍硅化物层；
向所述第一镍硅化物层注入硅离子，使部分硅离子穿过所述第一镍硅化物层注入到衬底位于第一镍硅化物层底部的部分；
注入硅离子后，对所述第一镍硅化物层进行第二退火，所述第一镍硅化物层与所述硅离子发生反应形成第二镍硅化物层。
11.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第一镍硅化物层的材料是Ni2Si或Ni2Si和NiSi的混合物。
12.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第二镍硅化物层的材料是NiSi。
13.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第一退火是浸入式退火，退火温度为220-320摄氏度，退火时长为30-90秒。
14.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第二退火是毫秒退火，退火温度为700-950摄氏度，退火时长为0.25-20毫秒。
15.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第二退火是浸入式退火，退火温度为350-550摄氏度，退火时长为15-90秒。
16.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第二退火是尖峰退火，尖峰温度为400-550摄氏度。
17.如权利要求10所述的晶体管形成方法，，其特征在于，向所述第一镍硅化物层注入硅离子的工艺是硅离子注入工艺或者硅等离子体注入工艺。
18.如权利要求17所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述硅离子注入工艺的注入能量是200eV-5keV，注入剂量为1E15-1E18/平方厘米。
19.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述金属层的材料还包括铂。
20.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，所述第二镍硅化物层的厚度是100-200埃。
21.如权利要求10所述的晶体管形成方法，其特征在于，还包括在所述栅极结构表面形成所述金属层。
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