CN105575790A - 镍金属硅化物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镍金属硅化物的制备方法，包括：对暴露的硅衬底表面进行预清洗，除去自然氧化物，在其上沉积镍或镍合金；通入含有氢气的气体进行第一次退火，使镍或镍合金的至少一部分与硅反应；移除未反应的镍或镍合金；进行第二次退火，形成镍金属硅化物；通过在第一次退火中通入含有氢气的气体，能消除反应氛围中微量的氧气，防止镍或镍合金以及镍金属硅化物被氧化，可以降低镍金属硅化物的缺陷，形成形貌和均匀性良好的镍金属硅化物；并且氢气能够修复和减少镍金属硅化物和硅衬底界面处的缺陷，从而改善界面态，提高镍金属硅化物的品质，降低了源极/漏极区及栅极区的接触电阻和串联电阻，提高了器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种镍金属硅化物的制备方法。
背景技术
随着半导体器件集成度持续增大以及与这些器件相关的临界尺寸持续减小，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(Silicide)和自对准硅化物(self-alignedsilicide)材料及工艺已经被广泛地应用到CMOS集成电路制造中以降低源极/漏极区及栅极区的接触电阻和串联电阻。
早期的二硅化钛(TiSi2)由于其窄线条效应已经不适用于0.18um的技术，被二硅化钴(CoSi2)取代。二硅化钴形成相同厚度的硅化物需要消耗更多的多晶硅或硅衬底，已经不能满足源漏浅结及超浅结的需求；并且二硅化钴在低于45纳米的多晶硅线条上表现出明显的窄线条效应；在45纳米及以下的技术中，由于热预算的考量，二硅化钴的形成温度(第二次快速热处理的工艺温度范围为600℃～800℃)也不能满足器件需求。因此在45纳米及以下的技术中，迫切需要一种金属硅化物来解决以上问题。
与二硅化钛和二硅化钴相比，硅化镍(NiSi)具有以下的优点：(1)硅化工艺温度低，只需要350℃～750℃；(2)硅消耗量低，形成1纳米硅化镍仅消耗0.83纳米硅；(3)尚未发现硅化镍方块电阻随线条减小而变大；(4)可以在较低的温度下与锗硅材料形成低阻值的硅化物。因此，硅化镍被视为一种较为理想的金属硅化物。
在现有技术中，硅化镍与二硅化钛和二硅化钴相似，也采用两步快速热处理(RTP)的工艺：首先在较低的温度下(220℃～300℃)和N2氛围中进行第一步退火，通过镍的扩散，生成主要以硅化二镍(Ni2Si)和硅化镍共存的硅化物；然后通过选择性刻蚀去除侧墙上未反应的镍或镍合金，在较高的温度下(350℃～750℃)和N2氛围中进行第二步退火，在源漏极和栅极生成硅化镍。
但是半导体器件的尺寸还在不断缩小，硅化镍层的电阻对器件电学性能的影响也越来越显著，如何减小硅化镍层的电阻变得越来越重要。硅化镍的品质受其厚度、形貌以及管道品质的影响，高品质的硅化镍不仅有利于降低源极/漏极区及栅极区的接触电阻和串联电阻，而且有利于提高器件的可靠性。因此，如何获得高品质的硅化镍是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍金属硅化物的制备方法，以获得形貌和均匀性良好、低管道缺陷的镍金属硅化物，从而提高镍金属硅化物的品质。
本发明的技术方案是一种镍金属硅化物的制备方法，包括以下步骤：
S1：对暴露的硅衬底表面进行预清洗，除去自然氧化物，在其上沉积镍或镍合金；
S2：向工艺腔体中通入含有氢气的气体，去除工艺腔体中的氧气，接着使用氮气净化工艺腔体中残留的含有氢气的气体，然后在沉积镍或镍合金的硅衬底进入工艺腔体之后，通入含有氢气的气体进行第一次退火，使镍或镍合金的至少一部分与硅反应，形成镍金属硅化物的混合物；
S3：移除未反应的镍或镍合金；
S4：进行第二次退火，使所述镍金属硅化物的混合物转化为镍金属硅化物。
进一步的，所述第一次退火的温度为220℃～270℃，所述第一次退火的时间为30s～150s。
进一步的，所述第一次退火通入的气体为氢气。
进一步的，所述第一次退火通入的气体为氢气与氮气的混合气体。
进一步的，所述第二次退火采用闪光灯进行退火。
进一步的，所述第二次退火的温度为800℃～900℃，所述第二次退火的时间为0.003s～0.05s。
进一步的，所述镍金属硅化物的混合物包括硅化二镍与硅化镍，所述镍金属硅化物为硅化镍。
进一步的，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硅衬底表面层来完成。
进一步的，所述镍或镍合金通过物理气相沉积法沉积在清洗后的硅衬底表面上。
进一步的，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。
与现有技术相比，本发明提供的镍金属硅化物的制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明通过在第一次退火中通入含有氢气的气体，能消除反应氛围中微量的氧气，防止镍或镍合金以及镍金属硅化物被氧化，可以降低镍金属硅化物的缺陷，形成形貌和均匀性良好的镍金属硅化物；并且氢气能够修复和减少镍金属硅化物和硅衬底界面处的缺陷，从而改善界面态；
2、第二次退火采用闪光灯进行退火，可以降低镍在硅中的扩散，以得到低管道缺陷的镍金属硅化物，从而提高镍金属硅化物的品质，降低了源极/漏极区及栅极区的接触电阻和串联电阻，而且提高了器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明一实施例中镍金属硅化物的制备方法的流程图。
图2～6为本发明一实施例中镍金属硅化物的制备方法的各步骤结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。
本发明的核心思想是：在第一次退火中通入含有氢气的气体，消除反应氛围中微量的氧气，防止镍或镍合金以及镍金属硅化物被氧化，可以降低镍金属硅化物的缺陷，形成形貌和均匀性良好的镍金属硅化物；并且氢气能够修复和减少镍金属硅化物和硅衬底界面处的缺陷，从而改善界面态。
图1为本发明一实施例中镍金属硅化物的制备方法的流程图，如图1所示，本发明提出一种镍金属硅化物的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：对暴露的硅衬底表面进行预清洗，除去自然氧化物，在其上沉积镍或镍合金；
步骤S2：向工艺腔体中通入含有氢气的气体，去除工艺腔体中的氧气，接着使用氮气净化工艺腔体中残留的含有氢气气体，然后在沉积镍或镍合金的硅衬底进入工艺腔体之后，通入含有氢气的气体进行第一次退火，使镍或镍合金的至少一部分与硅反应，形成镍金属硅化物的混合物；
步骤S3：移除未反应的镍或镍合金；
步骤S4：进行第二次退火，使所述镍金属硅化物的混合物转化为镍金属硅化物。
图2～6为本发明一实施例中镍金属硅化物的制备方法的各步骤结构示意图，请参考图1所示，并结合图2～图6，详细说明本发明提出的镍金属硅化物的制备方法：
在步骤S1中，对暴露的硅衬底10的表面进行预清洗，除去自然氧化物，并在清洗后的硅衬底10的表面上沉积镍20或者镍合金20，如图3所示。
所述硅衬底10为单晶硅衬底、多晶硅衬底、绝缘体上硅衬底其中的一种。其中，当镍金属硅化物层形成于源/漏区表面时，所述硅衬底10为单晶硅衬底、绝缘体上硅衬底其中的一种，当镍金属硅化物层形成于栅极结构表面时，所述硅衬底10为多晶硅衬底。
预清洗通过利用氩等离子体溅射来移除硅衬底表面来完成，通常可以移除厚度的硅表面层来获得清洁的硅表面，也可以采用本领域技术人员已知的其他方法来进行预清洗。在清洗后的硅衬底10表面上利用物理气相沉积法(PVD)沉积镍20或镍合金20。所述镍合金20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，例如铂化镍(NiPt)。
在本实施例中，所述硅衬底10已经经过前段工艺，形成浅沟道隔离结构11、栅极结构12以及源/漏区13，如图2所示。所述栅极结构包括位于硅衬底10表面的栅氧化层、位于所述栅氧化层表面的栅电极和位于所述栅氧化层、栅电极侧壁表面的侧墙(图2中未示出)。具体的，依次形成位于硅衬底10上的栅氧化层和栅电极，以光刻胶图形为掩膜，对所述栅氧化层、栅电极两侧的硅衬底进行第一离子注入形成轻掺杂源/漏区，在所述栅氧化层、栅电极侧壁形成侧墙后，以所述侧墙为掩膜，对所述侧墙两侧的硅衬底进行第二次离子注入形成重掺杂源/漏区，所述轻掺杂源/漏区和重掺杂源/漏区构成源/漏区13。
在步骤S2中，向工艺腔体中通入含有氢气的气体，去除工艺腔体中的氧气，接着使用氮气净化工艺腔体中残留的含有氢气的气体，然后在沉积镍或镍合金的硅衬底进入工艺腔体之后，通入含有氢气的气体进行第一次退火，使镍20或镍合金20的至少一部分与硅反应，形成镍金属硅化物的混合物30，形成如图4所示的结构。
本实施例中，所述第一次退火的温度为220℃～270℃，例如220℃、230℃240℃、250℃、260℃、270℃，优选的退火温度为240℃；所述第一次退火的时间为30s～150s，例如30s、60s、90s、100s、120s、150s，优选的退火时间为100s。根据实际的工艺条件，选择合适的退火时间与退火温度，使镍20或镍合金20的至少一部分与硅反应，形成镍金属硅化物的混合物30，所述镍金属硅化物的混合物30包括硅化二镍与硅化镍。
在退火过程中通入含有氢气的气体，氢气能消除反应氛围中的微量的氧气，防止镍或镍金属以及镍金属硅化物被氧化，可以降低镍金属硅化物的缺陷，例如金字塔状的缺陷，形成形貌和均匀性良好的镍金属硅化物；并且氢气能够修复和减少镍金属硅化物和硅衬底界面处的缺陷，从而改善界面态。本实施例中，可以直接通入氢气，消除反应氛围中的氧气的效果最佳；或者通入氢气与氮气的混合气体，不需要提供大量氢气，可以避免成本的增加，同时也能达到去除反应氛围中氧气的效果，并且所形成的镍金属硅化物也能满足器件需求。通入含有氢气的气体的流量为10L/min～30L/min(升每分钟)，例如10L/min、20L/min、30L/min，氢气在反应气氛中的体积百分含量为2％～100％。
在步骤S3中，移除未反应的镍20或镍合金20，如图5所示。本实施例中，选择性湿法刻蚀以移除未反应的镍，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，硅化二镍不会与酸发生反应，使得未反应的镍或镍合金被移除，硅化二镍被保留。
在步骤S4中，进行第二次退火，使所述镍金属硅化物的混合物30转化为镍金属硅化物40，形成如图6所示的结构。
所述镍金属硅化物40为硅化镍。所述第二次退火采用闪光灯进行退火，其退火的温度为800℃～900℃，例如：800℃、820℃、850℃、870℃、900℃，优选的退火温度为850℃。所述第二次退火的时间为0.003s～0.05s，例如：0.003s、0.005s、0.01s、0.03s、0.05s，优选的退火时间为0.005s。根据实际的工艺条件，选择合适的退火时间与退火温度，使所述镍金属硅化物的混合物30完全转化为镍金属硅化物40。
本发明通过使用闪光灯退火进行第二次退火，降低了镍在硅中的扩散，以得到低管道缺陷的镍金属硅化物，从而提高镍金属硅化物的品质，降低了源极/漏极区及栅极区的接触电阻和串联电阻，而且提高了器件的可靠性。
综上所述，本发明通过在第一次退火中通入含有氢气的气体，能消除反应氛围中微量的氧气，防止镍或镍合金以及镍金属硅化物被氧化，可以降低镍金属硅化物的缺陷，形成形貌和均匀性良好的镍金属硅化物；并且氢气能够修复和减少镍金属硅化物和硅衬底界面处的缺陷，从而改善界面态；第二次退火采用闪光灯进行退火，可以降低镍在硅中的扩散，以得到低管道缺陷的镍金属硅化物，从而提高镍金属硅化物的品质，降低了源极/漏极区及栅极区的接触电阻和串联电阻，而且提高了器件的可靠性。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对暴露的硅衬底表面进行预清洗，除去自然氧化物，在其上沉积镍或镍合金；
S2：向工艺腔体中通入含有氢气的气体，去除工艺腔体中的氧气，接着使用氮气净化工艺腔体中残留的含有氢气的气体，然后在沉积镍或镍合金的硅衬底进入工艺腔体之后，通入含有氢气的气体进行第一次退火，使镍或镍合金的至少一部分与硅反应，形成镍金属硅化物的混合物；
S3：移除未反应的镍或镍合金；
S4：进行第二次退火，使所述镍金属硅化物的混合物转化为镍金属硅化物。
2.如权利要求1所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述第一次退火的温度为220℃～270℃，所述第一次退火的时间为30s～150s。
3.如权利要求1所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述第一次退火通入的气体为氢气。
4.如权利要求1所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述第一次退火通入的气体为氢气与氮气的混合气体。
5.如权利要求1所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述第二次退火采用闪光灯进行退火。
6.如权利要求5所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述第二次退火的温度为800℃～900℃，所述第二次退火的时间为0.003s～0.05s。
7.如权利要求1所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述镍金属硅化物的混合物包括硅化二镍与硅化镍，所述镍金属硅化物为硅化镍。
8.如权利要求1～7中任一项所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，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硅衬底表面层来完成。
9.如权利要求1～7中任一项所述的镍金属硅化物的制备方法，其特征在于，所述镍或镍合金通过物理气相沉积法沉积在清洗后的硅衬底表面上。
10.如权利要求1～7中任一项所述的镍金属硅化物的制备方法，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。
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