CN103348458A - 在具有极小尺寸的结构中实现硅化物、锗化物或锗硅化物形成的工艺和放大工艺窗口的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于在极小结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物的技术。在一个方面中，提供一种用于在具有极小尺寸的三维硅、锗或硅锗结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物的方法。该方法包括以下步骤。将至少一种元素注入到该结构中。将至少一种金属沉积到该结构上。该结构被退火以在硅、锗或硅锗内散布金属以形成硅化物、锗化物或锗硅化物，其中注入的元素用于防止硅化物、锗化物或锗硅化物的形态劣化。注入的元素可以包括碳、氟和硅中的至少一种。
Description
技术领域
本发明涉及硅化物、锗化物或锗硅化物形成，且更具体而言，涉及用于在诸如悬浮纳米线的具有极小尺寸的结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物（germanosilicide）的技术。
背景技术
当诸如硅纳米线之类的结构的尺寸极小时，无损害地处理这些结构是一个挑战。例如，在不导致至少一些线断裂的条件下，则在处理期间非常难以实施纳米线阵列的硅化。当纳米线悬浮时，断裂尤为时常发生。
一般而言，硅化涉及在硅结构上沉积诸如镍的金属且然后对结构进行退火以在硅内散布金属。硅化用在很多不同背景的器件制造中。仅举例而言，硅化用于在基于纳米线沟道的晶体管中形成源极和漏极区域。
由于极小结构，在退火过程中出现问题。具体而言，存在极小的工艺窗口，在此工艺窗口之外，如果仅仅多一点的金属被沉积，则结构断裂（被认为与应力相关）。例如在纳米线的情况中，这种行为将不希望地导致引线断开。
因此，希望这样的技术：其允许例如纳米线之类具有极小尺寸的结构处理（例如，硅化）而不导致结构断裂。
发明内容
本发明提供用于在极小结构中形成硅化物、锗化物或锗硅物化的技术。在本发明的一个方面中，提供一种用于在具有极小尺寸的三维硅、锗或硅锗结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物的方法。该方法包括以下步骤。将至少一种元素注入到结构中。将至少一种金属沉积到结构上。该结构被退火以在硅、锗或硅锗内散布金属以形成硅化物、锗化物或锗硅化物，其中注入的元素用于防止硅化物、锗化物或锗硅化物的形态（morphological）劣化。注入的元素可以包括碳、氟和硅中的至少一种。
通过参考下面的详细描述和附图将获得本发明以及本发明的其他特征和优点的更完整的理解。
附图说明
图1是根据本发明的实施例在绝缘体之上的硅、锗或硅锗层中形成的三维结构的阵列和衬垫的自顶向下示图；
图2是根据本发明的实施例的已悬浮的结构的截面示图；
图3是说明根据本发明的实施例将一种元素或多种元素注入到结构中的截面示图；
图4是说明根据本发明的实施例将金属沉积在结构上的截面示图；
图5是说明根据本发明的实施例执行退火以在结构中散布金属和硅、锗或硅锗以形成硅化物、锗化物或锗硅化物的截面示图；以及
图6A-C是说明根据本发明的实施例使用本技术的5纳米（nm）硅纳米线的硅化，其中变化量的金属被用于形成硅化物。
具体实施方式
本文提供用于在极小结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物而没有与常规工艺相关的问题（诸如断裂）的技术。仅举例而言，本文的结构被称为具有极小结构的三维结构，诸如纳米线。
然而，本技术不限于三维结构。使用本技术可以在薄（硅、锗或硅锗）膜中形成硅化物、锗化物或锗硅化物。具有小于或等于约10纳米（nm）、例如约2nm至约10nm的厚度的膜此处被认为是具有极小尺寸。而且，本技术不限于具有小尺寸的结构。本工艺用于在任意硅、锗或硅锗结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物。
图1-5是说明用于在具有极小尺寸的结构（在该情况中为纳米线）中形成硅化物、锗化物或锗硅化物的示例性工艺的示图。是否形成硅化物、锗化物或锗硅化物分别取决于结构是否包含硅、锗或硅锗。在下面描述的实例中，通过提供具有在绝缘体之上的半导体层的晶片而开始工艺。将在半导体层中形成结构。因而，仅举例而言，当结构是硅结构时，晶片可以是绝缘体上硅（SOI）晶片。SOI晶片典型地包括通过掩埋氧化物（BOX）绝缘体与衬底（例如硅衬底）分离的SOI层（在这种情况中用作半导体层）。对于绝缘体（例如BOX）和衬底的详细描述，例如参见下面描述的图2。备选地，半导体层可以包含锗或硅锗。用于在晶片结构中实施这些变化的技术对于本领域技术人员而言是明显的且因而此处不做进一步的描述。
因为将在半导体层中形成结构以产生具有极小尺寸的结构，在该实例中，半导体层是薄的，优选地具有从约3nm到约50nm的厚度。在SOI晶片的情况中，具有这样的小厚度的SOI层此处也被称为极薄绝缘体上硅（ETSOI）层。
然后使用常规光刻工艺在半导体层中形成三维结构102（例如纳米线）的阵列。在该实例中，结构形成有以梯状配置附接在其相对端的衬垫。例如，参见图1。图1是在绝缘体之上的薄半导体中形成结构102和衬垫104的自顶向下示图，衬垫104以梯状配置附接在结构102的相对端，其中结构102类似于梯子的梯级。提供该器件结构仅用于说明本技术如何可以用于极小结构的阵列中的硅化物、锗化物或锗硅化物的形成。
如图1所示，通过光刻形成的结构102一般具有矩形截面形状。根据一个示例性实施例，结构具有从约3nm至约50nm的截面宽带w和约3nm至约50nm的截面高度h，这些高度和宽度此处被认为是极小尺寸。具有矩形截面形状的纳米线此处也可以称为“鳍片”。结构102的尺寸基于半导体（例如ETSOI）层的厚度。例如，每个结构102的高度h对应于半导体层的厚度（且在鳍片的情况应当至少与鳍片的宽度w一样大）。如有需要，可以执行附加步骤（例如氧化和氢氟酸（HF）蚀刻）以改变结构102的截面形状以使得它们更圆。在这种情况中，根据一个示例性实施例，结构具有小于或等于约10nm、例如约2nm至约10nm（例如参见下面描述的图2）的截面直径d，其在此处被认为是极小尺寸。
如上面所强调，断裂是与常规硅化工艺和极小结构、尤其当结构悬浮时相关的问题。因而，为了进一步在该背景中说明本技术的益处，现在将考虑结构102悬浮的实例。即，图2是通过图1的结构的线A1-A2截取的截面示图，说明结构102已经悬浮在绝缘体之上。结构102的悬浮可以通过底切每个结构102的一部分之下的绝缘体实现。如上面所强调，结构102可以重新塑形（如有需要）以给予它们更圆的截面形状。用于说明性目的，在图2中示出的实例中，已经完成重新塑形的工艺。应当注意，用于本技术目的，结构是阵列的一部分（如图1-5）还是独立的隔离结构（例如如图6A-6C的绝缘纳米线）并没有区别。具体而言，在这种情况中，结构很小，使得金属沉积和反应对于结构的密度不敏感。因而，无论使用阵列还是隔离结构都实现了相同的结果。
有利地，借助于本技术发现，将一种元素或多种元素注入到结构中可以防止其在后续硅化物、锗化物或锗硅化物形成工艺中断裂。图3是说明这种注入步骤的截面示图。如图3所示，一种或多种元素被注入到结构102（例如纳米线）中。根据一个示例性实施例，（多种）注入的元素包括碳、氟和/或硅。使用常规注入工艺将（多种）元素注入到结构102，该常规注入工艺涉及使用被加速到高速的（多种）元素轰击靶（例如结构102）。元素注入技术对于本领域技术人员而言是已知的且此处不做进一步的描述。根据示例性实施例，（多种）元素以约1×1013每平方厘米（cm2）至约5×1015每平方厘米的剂量注入到每个结构。
在与平面硅反应的均厚（blanket）金属薄膜中，发现（多种）注入元素的存在具有两个容易测量的结果。第一是形成温度中的增加，且第二是膜积聚（形态劣化）所必须的温度中的增加。对于将要发生的积聚，两种物种（species）（金属和硅、锗或硅锗）必须在化合物中是可移动的。人们相信：（多种）注入元素一定程度地减小了金属扩散，但是在限制相应硅化物、锗化物或锗硅化物内的硅、锗、或硅锗扩散方面更加有效的，且因此限制了薄膜的积聚。因为积聚对于硅化物、锗化物或锗硅化物的表面对体积比率以及后续退火（见下文）中使用的温度下的可能应力十分敏感，诸如纳米线的三维结构中（多种）注入元素的存在强有力地有助于防止硅化物、锗化物或锗硅化物的形态劣化。
使用涉及小结构的常规硅化工艺，关于采用的金属的量的工艺窗口十分小。即，如果沉积了太多的金属，在退火时形成的最终相将变成是富金属的。因为与消耗的硅、锗或硅锗体积相比而言的大体积膨胀，这些富金属相通过金属扩散形成时呈现压缩应力。该压缩应力必然地导致在硅化物、锗化物或锗硅化物形成期间或之后结构的断裂。太少的金属导致硅化物、锗化物或锗硅化物的体积减小，还导致贯穿结构的电阻的大的增加。
对于当前技术状态，选择金属厚度的主要问题在于：在给定技术中，人们希望遇到变化尺寸（例如，宽度、高度、直径等）的结构（例如纳米线）。即使对于将名义上具有相同尺寸的结构，1或2纳米的工艺可变性将足以要求沉积的不同金属厚度，这在单晶片上是不切实际的。因而，使用常规工艺，具有最小尺寸的结构决定针对硅化物、锗化物或锗硅化物的形成整体可以沉积多少金属。例如，不希望使硅纳米线与多于存在的硅的金属接触，因为由于形成金属硅化物的驱动和金属的高扩散性，任意富金属形成将导致引线的损坏。自然地，在这种情况中，适于矩阵中最小结构（例如纳米线阵列中的最小纳米线）的金属的量不必适于较大结构（阵列中的较大纳米线），且反之亦然。因此，如果使用太少的金属以适应较小结构（例如防止较小结构的断裂），则较大结构呈现不可接受的大电阻。相反，如果使用更多的金属来实现较大结构中的希望电阻，则较小结构的断裂是不可避免的结果。
有利地，本技术极大地扩展了工艺窗口，且允许足够量的金属被沉积以适应较大结构，从而实现所需的电阻特性，而不导致较小结构的断裂。这种有利特征是（多种）注入的元素的结果，注入的元素限制在形成的硅化物、锗化物或锗硅化物中的金属扩散且防止沉积的任何金属厚度的形态劣化。例如，参加下面描述的图6A-6C。
在元素注入之后，硅化物/锗化物/锗硅化物形成金属被沉积到结构上。例如，图4是说明金属402被沉积到结构102（和衬垫104）上的截面示图。根据示例性实施例，金属是镍、铂、钛、钴、铬、钇和/或包含上述金属中至少一种的合金，诸如镍铂合金。金属可以使用诸如溅射、电子束（e束）蒸发和化学气相沉积（CVD）之类任意合适的沉积工艺沉积到结构102上。
如上面所强调，结构102和相应衬垫可以由硅、锗或硅锗制成。图5是说明执行退火以在硅、锗或硅锗（结构102和衬垫104中）内散布金属402以分别形成硅化物、锗化物或锗硅化物的截面示图。根据示例性实施例，在约300摄氏度（℃）至约700℃的温度执行退火约1秒至约1小时的持续时间。因为结构涉及这种小尺寸，可以使用快速退火（诸如闪速（flash）或激光退火）。在闪速退火的情况中，退火温度将从约600℃增加到约1000℃，且退火的持续时间将极大地减小，例如从约1毫秒降低到约1微秒。使用受激准分子激光可以期望例如约1纳秒至约3纳秒更短的持续时间。闪速退火和激光退火是对于本领域技术人员已知的技术且此处不做进一步的描述。在退火之后，可以使用湿法蚀刻去除任何未反应的金属（例如，沉积在非硅、非锗或非硅锗表面上的金属）。
有利地，使用本技术，结构在退火过程中不断裂（积聚）。这是在金属沉积之前执行元素注入的结果。
在图5中示出，硅化物、锗化物或锗硅化物完全消耗衬垫104中的硅、锗或硅锗。例如，在硅化物的情况中，衬垫因而被完全硅化。然而，这不是要求。取决于实际的特定应用，硅化物、锗化物或锗硅化物仅可以部分地消耗衬垫中的硅、锗或硅锗。例如，在硅化物的情况中，衬垫可以被部分硅化。给定本教导，本领域技术人员将知道如何实现和实施任一配置。
图6A-C是说明使用本技术的5nm（直径）硅纳米线（每个样品包含独立纳米线）的硅化的图像600A-C（碳作为注入的元素），其中变化量的金属（在这种情况中为镍-铂（NiPt））被用于形成硅化物。在图6A-C中示出的样品中，3nm厚、5nm厚和10nm厚的镍-铂层分别沉积在给定纳米线上。在退火之后，如图所示，每个样品中的纳米线保持完整。对照地，使用常规技术，这些样品中的每一个中确实出现断裂，且线通过工艺简单地去除（在标准硅化之后不存在）。
尽管此处已经描述了本发明的说明性实施例，应当理解，本发明不限于这些精确实施例，且本领域技术人员在不偏离本发明的范围的条件下可以做出各种变化和修改。
Claims (19)
1.一种用于在具有极小尺寸的三维硅、锗或硅锗结构中形成硅化物、锗化物或锗硅化物的方法，所述方法包括以下步骤：
将至少一种元素注入到所述结构中；
将至少一种金属沉积到所述结构上；以及
对所述结构进行退火以在所述硅、锗或硅锗内散布所述金属以形成所述硅化物、锗化物或锗硅化物，其中注入的元素用于防止所述硅化物、锗化物或锗硅化物的形态劣化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入的元素包含碳、氟和硅中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
提供具有在绝缘体之上的半导体层的晶片；以及
在所述半导体层中形成所述结构。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述晶片是具有在掩埋氧化物（BOX）绝缘体之上的SOI层的绝缘体上硅（SOI）晶片。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述SOI层具有从约3纳米到约50纳米的厚度。
6.根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：
底切在所述结构的一部分之下的所述绝缘体。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
使用湿法蚀刻去除任何未反应的金属。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构包括纳米线。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述纳米线具有圆形截面形状。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述纳米线具有小于或等于约10纳米的截面直径。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米线具有矩形截面形状。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述纳米线具有从约3纳米到约50纳米的宽度和从约3纳米到约50纳米的高度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构包括膜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述膜具有小于或等于约10纳米的厚度。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述元素被以约1×1013每平面厘米至约5×1015每平面厘米的剂量注入到所述结构中。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属包含镍、铂、钛、钴、铬、钇和/或包括上述金属中至少一种的合金。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属包括镍-铂。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构在约300℃至约700℃的温度下退火约1秒至约1小时的持续时间。
19.根据权利要求1所述的方法，其中在所述退火步骤之后的所述硅化物、锗化物或锗硅化物包含碳、氟和硅中的至少一种。
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