CN106033721A

CN106033721A - 形成金属硅化物的方法

Info

Publication number: CN106033721A
Application number: CN201510107508.6A
Authority: CN
Inventors: 刘英明
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Corp
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: CN106033721B

Abstract

本发明提供一种形成金属硅化物的方法，包括：提供半导体衬底，在半导体衬底上形成有金属氧化物半导体(MOS)器件，在金属氧化物半导体(MOS)器件上沉积金属薄膜，在金属薄膜上沉积帽层，进行第一次退火，去除未反应的金属薄膜及帽层，进行第二次退火，其中，沉积金属薄膜的过程依次包括以下两个步骤：使用高功率沉积第一金属薄膜；使用低功率沉积第二金属薄膜。在第一步骤中，使用高功率沉积金属薄膜，铂(Pt)的含量较高，能够提高相稳定性，减少尖峰信号或尖头信号。在第二步骤中，使用低功率沉积金属薄膜，镍(Ni)的含量较高，不仅在去除阶段易于剥离，还可以减少铂镍合金的残余量。

Description

形成金属硅化物的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种形成金属硅化物的方法。

背景技术

随着金属硅化物被广泛用于诸如CMOS的平面半导体器件，其中镍硅化物(Ni-Silicide)被认为是最行之有效的降低接触电阻R_c的金属硅化物。相比于诸如钛硅化物(Ti-Silicide)、钴硅化物(Co-Silicide)等其它金属硅化物，镍硅化物具有低硅耗、低形成热预算、低电阻率和不存在线宽效应等诸多优点。但是，它的缺点是热稳定性差，在600℃开始结团，在750℃左右低阻NiSi开始向高阻的NiSi₂转化，致使薄层电阻升高，器件性能退化。因此，为了提高相稳定性，进一步在硅化物中使用铂镍合金结构来改善镍硅化物的稳定性。

在现有的金属硅化物形成方法中，通常以制备的金属氧化物半导体(MOS)为基础，通过物理气相沉积(PVD)在金属氧化物半导体上沉积诸如镍(Ni)和氮化钛(TiN)材料的金属薄膜及帽层；随后进行第一次退火；待使用诸如湿法剥离的方法移除未反应的金属和帽层后，继续进行第二次退火，从而得到具有低电阻率相的金属硅化物。但是，在现有的金属硅化物形成方法中，通常以相同的功率驱动物理气相沉积过程，使用相同功率将使得诸如铂镍合金的典型金属薄膜材料中的铂(Pt)含量较高。由于铂(Pt)等金属不易于在诸如湿法剥离的阶段中被去除，可能引起诸如铂(Pt)的薄膜金属成分的残余，严重影响后续工艺的进行。同时，使用含铂(Pt)量较高的铂镍合金形成金属薄膜也将显著增加源漏极的电阻率R_s。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种形成金属硅化物的方法。

本发明提供一种制备金属氧化物半导体(MOS)的方法，包括：一种形成金属硅化物的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属氧化物半导体(MOS)器件；在所述金属氧化物半导体(MOS)器件上沉积金属薄膜；在所述金属薄膜上沉积帽层；进行第一次退火；去除未反应的所述金属薄膜及帽层；进行第二次退火。其中，所述沉积金属薄膜的过程依次包括以下两个步骤：使用高功率沉积第一金属薄膜；使用低功率沉积第二金属薄膜。

其中，所述金属薄膜为镍铂合金，所述使用高功率沉积第一金属薄膜的过程中，金属薄膜的铂(Pt)含量较高。

其中，所述金属薄膜为镍铂合金，所述使用低功率沉积第二金属薄膜的过程中，金属薄膜的镍(Ni)含量较高。

其中，所述金属硅化物为镍铂硅化物。

其中，所述金属薄膜的沉积过程使用物理气相沉积(PVD)。

其中，所述帽层材料为氮化钛(TiN)。

其中，所述去除未反应的金属薄膜及帽层的过程使用湿法剥离。

其中，所述使用高功率沉积的第一金属薄膜的厚度小于使用低功率沉积的第二金属薄膜的厚度。

其中，所述使用高功率沉积的第一金属薄膜全部用于形成金属硅化物。

其中，所述使用低功率沉积的第二金属薄膜部分用于形成金属硅化物。

其中，所述退火过程使用激光退火或快速热退火(RTA)。

其中，如权利要求8所述的形成金属硅化物的方法，所述湿法剥离使用硫酸(H₂SO₄)或过氧化氢(H₂O₂)。

相对于现有技术，本发明所提供的形成金属硅化物的方法包括沉积金属薄膜的两个步骤。在第一步骤中，使用高功率沉积金属薄膜，铂(Pt)的含量较高，所沉积的铂镍(NiPt)合金薄膜全部用于形成金属硅化物，较高的铂(Pt)含量能够提高金属硅化物的相稳定性，减少元件的尖峰信号或尖头信号缺陷。在第二步骤中，使用低功率沉积金属薄膜，镍(Ni)的含量较高，所沉积的铂镍合金薄膜部分用于形成金属硅化物，较高的镍(Ni)含量不仅在去除阶段易于剥离，还可以减少在去除阶段后铂镍合金的残余量。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

图1a为本发明所提供的半导体衬底上的金属氧化半导体器件的示意图；

图1b为本发明在金属氧化物半导体器件上以高功率沉积第一铂镍合金薄膜并以低功率沉积第二铂镍合金薄膜的示意图；

图1c为本发明沉积氮化钛(TiN)帽层的示意图；

图1d为本发明第一次快速热退火的示意图；

图1e为本发明湿法剥离的示意图；

图1f为本发明第二次快速热退火的示意图。

图2为本发明形成金属硅化物的方法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

图1a为本发明所提供的半导体衬底上的金属氧化半导体器件的示意图。如图1a所示，在本发明中所述的半导体衬底100通常为晶圆，也称晶片。其优选为硅晶片。硅晶片的原始材料为硅(Si)。其通常由二氧化硅矿石经过提炼、盐酸氯化、蒸馏提纯、单晶硅生长后而成型。制作金属氧化物半导体器件在清洗过后的衬底上进行。形成栅氧化层的步骤优选将硅晶圆衬底的表面氧化为约20nm厚的二氧化硅，并沉积约250nm厚的氮化硅(Si₃N₄)薄层。在经过前置氧化及沉积后，优选使用光刻胶辅助干法或者湿法剥离技术进行剥离，以定义金属氧化物半导体(MOS)器件的有源区。随后进行P阱离子和N阱离子的注入，并进行退火，从而形成P阱或N阱。在P阱或N阱上生长用于将栅极与下方源极、漏极以及漏源极之间的导电沟道隔离开来的氧化介质层，即栅氧化层105。栅氧化层的厚度约为2nm至10nm，要求P阱和N阱表面非常洁净。

随后优选利用物理或化学气相沉积沉积厚度约为150-300nm的多晶硅104，随后在多晶硅表面成形光刻胶，并利用干法或湿法剥离进行多晶硅的剥离，除去成形的光刻胶后即得到金属氧化物半导体(MOS)的栅极101。

随后，在栅极表面生长氧化层，在栅极表面沉积厚度约为120nm至180nm的氮化硅(Si₃N₄)。氮化硅(Si₃N₄)在水平表面的薄层被剥离之后，留下隔离侧墙110，用以精确定位源极和漏极的离子注入区域。

在随后的源/漏极注入过程中，优选使用浅深度、重掺杂的砷离子进行注入，形成源极(漏极)102和漏极(源极)103。

进一步地，如图1a制成的金属氧化物半导体(MOS)器件的表面的接触电阻较大。重掺杂的多晶硅由于自身杂质固溶度的限制，会使得电路的RC时间变长，从而限制特征尺寸的进一步减小，难以满足超大规模集成电路的要求。因此，现代技术优选采用能够同时克服源/漏极及多晶硅栅的接触电阻和薄层电阻对器件性能的影响的硅化物自对准工艺，目前，钛(Ti)和钴(Co)的自对准工艺随着器件性能的不断提高，已经不能满足器件性能要求，此时，镍(Ni)硅化物的低硅耗、低形成热预算、低电阻率和不存在线宽效应等诸多优点使其成为新的替代材料。但镍硅化物的相稳定性差，为提高相稳定性，优选采用在硅化物中使用铂镍合金结构来改善镍硅化物的稳定性。

使用铂镍合金虽然能够提升稳定性，却引起两个技术问题：第一，当薄膜金属中的铂(Pt)含量较高时，会增加源漏极的电阻率；第二，当薄膜中的铂(Pt)含量较高时，由于铂(Pt)不易溶于酸性试剂，不易于在湿法剥离中被去除，因此会增加湿法剥离后铂(Pt)的残余量。进一步的，为了使得铂镍合金在去除阶段易于剥离，减少铂镍合金的残余量，并解决现有技术中铂含量较高的金属薄膜将增加器件源漏极的电阻率的技术问题，本发明优选使用两个步骤沉积铂镍合金。

图1b为本发明在金属氧化物半导体器件上以高功率沉积第一铂镍合金薄膜并以低功率沉积第二铂镍合金薄膜的示意图。如图1b所示，在金属氧化物半导体(MOS)的表面以较高的功率沉积第一层铂镍合金薄膜106，再以较低的功率沉积第二层铂镍合金薄膜107。第一层铂镍合金薄膜106和第二层铂镍合金薄膜107均匀地沉积在金属氧化物半导体(MOS)的表面。优选地，可以使用诸如真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜等物理气相沉积(PVD)方法来沉积铂镍合金薄膜。

需要注意的是，沉积第一层铂镍合金薄膜所使用的高功率在大于等于3000W且小于等于5000W的范围内，优选为4000W；沉积第二层铂镍合金薄膜所使用的低功率在大于等于1000W且小于等于3000W的范围内，优选为2000W。此外，还需要注意的是，使用较高的功率沉积的铂镍合金薄膜厚度小于使用低功率沉积的铂镍合金薄膜的厚度。优选的，以较高的功率沉积的铂镍合金薄膜厚度在大于等于30埃且小于等于60埃的范围内。以较低的功率沉积的铂镍合金薄膜厚度在大于等于80埃且小于等于150埃的范围内。并且，使用较高的功率沉积的铂镍合金薄膜全部用于形成铂镍硅化物，而使用较低的功率沉积的铂镍合金薄膜仅部分用于形成铂镍硅化物。

也需要注意的是，由于使用较高的功率沉积，第一层铂镍合金薄膜的含铂(Pt)量较高，因此具有较好的相稳定性，能够减少元件的尖峰信号或尖头信号缺陷；而第二层铂镍合金薄膜由较低的功率沉积，含铂(Pt)量较低，因此在去除阶段易于剥离，还可以减少铂镍合金的残余量。需要注意的是，所沉积的两层金属薄膜还可以使用其他适用的金属或合金。

图1c为本发明沉积氮化钛(TiN)帽层的示意图。如图1c所示，在沉积的两层金属薄膜上沉积材料为氮化钛(TiN)的帽层108。氮化钛为由离子键、共价键和金属键混合组成的宽禁带半导体材料，其结构决定了其耐高温、耐腐蚀、硬度高、化学稳定性好的特性。由于氮化钛(TiN)具有良好的导电性能和稳定的物理化学特性，优选地使用氮化钛(TiN)作为帽层108的材料，从而对沉积第一层铂镍合金薄膜和第二层铂镍合金薄膜的金属氧化物半导体(MOS)器件起到保护和增益的作用。

此外，需要注意的是，氮化钛(TiN)在一般情况下与水、盐酸等均不反应，仅在氧化性酸或加入氧化剂的酸的情况下得以溶解。因此，在后续的去除过程中优选使用氧化性酸或加入氧化剂的酸进行湿法剥离。

图1d为本发明第一次快速热退火的示意图。如图1d所示，对沉积的金属薄膜和帽层进行第一次退火。退火能够以消除多晶硅与硅晶圆衬底的缺陷和内应力，恢复硅晶格的完整性，形成晶化的多晶硅。同时，在高温环境下，在栅极101和源极(漏极)102以及漏极(源极)103的表面形成由已反应的铂镍合金和氮化钛(TiN)帽层所形成的薄膜109。该步骤能够让金属氧化物半导体(MOS)器件有最佳化的金属电性接触和可靠性。

退火过程优选在600-1000℃的温度范围进行热退火处理。退火过程有多种方式，包括常规热退火、快速热退火(RTA)、激光退火等。常规热退火能够修复硅表面的晶体损伤，但同时会造成表面杂质的进一步扩散。与常规热退火处理相比，激光退火或快速热退火(RTA)可以保证退火前后器件的结深和杂质分布不会发生明显的改变，并且具有设备简单、成本低、操作方便、可在大面积上进行退火等的优点。

本发明的第一次退火优选采用快速热退火(RTA)进行退火处理。快速热退火优选快速升温到1000℃左右的目标温度，并在注入氩气(Ar)或氮气(N₂)的快速热处理机中进行。快速热退火的升温过程和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散的三者之间取得优化。需要注意的是，退火温度、退火时间以及衬底温度均对快速热退火(RTA)得到的晶化物有显著的影响。因此，需要选取适当的退火温度、退火时间以及衬底温度。

本发明的第一次退火优选采用激光退火进行退火处理。激光退火的加热时间较短，能够避免破坏多晶硅和硅晶圆衬底的其它特性。激光退火的过程优选使用激光束照射半导体表面，在照射区内产生极高的温度，使晶体的损伤得到修复，并消除位错。其能够有效地消除离子注入所产生的晶格缺陷，同时由于加热时间极短(约为常规热退火的百万分之一)，可避免破坏集成电路的浅结电导率和其它结特性。激光退火根据工作方式可以使用纳秒级单脉冲激光退火，毫秒级单脉冲激光退火等，其中，优选使用纳秒级脉冲激光退火。需要注意的是，激光退火的关键参量是功率、光斑大小和扫描速度。

图1e为本发明湿法剥离的示意图。湿法剥离优选为使用化学的方法来溶解器件表面的物质，可能产生气体、液体或可溶于腐蚀溶液中的副产物。如图1e所示，可以使用氧化性酸或加入氧化剂的酸对器件表面的经过第一次热退火而未反应的铂镍合金薄膜和帽层进行剥离。优选的，所述的氧化性酸或加入氧化剂的酸为硫酸或过氧化氢。此外，还可以选择使用硝酸、磷酸、氢氟酸及其混合物等。需要注意的是，影响湿法剥离速率的主要因素为温度、化学试剂的浓度以及要被腐蚀薄膜的成分。

需要注意的是，由于图1c中的使用低功率沉积的铂镍(NiPt)合金薄膜的铂(Pt)含量较低，因此湿法剥离能够较好地完成去除的过程，并且铂镍(NiPt)合金的残余量较少。

图1f为本发明第二次退火的示意图。图1f示出了第二次退火的示意图。退火过程优选在600-1000℃的温度范围进行热退火处理。退火过程有多种方式，包括常规热退火、快速热退火(RTA)、激光退火等。常规热退火能够修复硅表面的晶体损伤，但同时会造成表面杂质的进一步扩散。与常规热退火处理相比，激光退火或快速热退火(RTA)可以保证退火前后器件的结深和杂质分布不会发生明显的改变，并且具有设备简单、成本低、操作方便、可在大面积上进行退火等的优点。类似地，第二次热退火优选使用激光退火或快速热退火(RTA)完成第二次退火。

图2为本发明形成金属硅化物的方法的流程图。本发明提供的形成金属硅化物的方法包括：提供半导体衬底并在半导体衬底上形成有金属氧化物半导体(MOS)器件的步骤201；在金属氧化物半导体(MOS)器件上沉积金属薄膜的步骤202；其中，沉积金属薄膜的过程依次包括以下两个步骤：使用高功率沉积第一金属薄膜的步骤203；使用低功率沉积第二金属薄膜的步骤204。随后，在金属薄膜上沉积帽层205，进行第一次退火206，去除未反应的金属薄膜及帽层207，并进行第二次退火208。在沉积第一金属薄膜的步骤203中，使用高功率沉积金属薄膜，该金属薄膜全部用于形成金属硅化物，其中铂(Pt)的含量较高，能够提高相稳定性，减少尖峰信号或尖头信号。在沉积第二金属薄膜的步骤204中，使用低功率沉积金属薄膜，该金属薄膜仅部分用于形成金属硅化物，其中镍(Ni)的含量较高，不仅在去除阶段易于剥离，还可以减少去除后铂镍合金的残余量。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种形成金属硅化物的方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属氧化物半导体器件；

在所述金属氧化物半导体器件上沉积金属薄膜；

在所述金属薄膜上沉积帽层；

进行第一次退火；

去除未反应的所述金属薄膜及帽层；

进行第二次退火；

其特征在于，所述沉积金属薄膜的过程依次包括以下两个步骤：

使用高功率沉积第一金属薄膜；

使用低功率沉积第二金属薄膜。

2.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述金属薄膜为镍铂合金，所述使用高功率沉积第一金属薄膜的过程中，金属薄膜的铂含量较高。

3.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述金属薄膜为镍铂合金，所述使用低功率沉积第二金属薄膜的过程中，金属薄膜的镍含量较高。

4.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述金属硅化物为镍铂硅化物。

5.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述金属薄膜的沉积过程使用物理气相沉积。

6.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述帽层材料为氮化钛。

7.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述去除未反应的金属薄膜及帽层的过程使用湿法剥离。

8.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述使用高功率沉积的第一金属薄膜的厚度小于使用低功率沉积的第二金属薄膜的厚度。

9.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述使用高功率沉积的第一金属薄膜全部用于形成金属硅化物。

10.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述使用低功率沉积的第二金属薄膜部分用于形成金属硅化物。

11.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述退火过程使用激光退火或快速热退火。

12.如权利要求7所述的形成金属硅化物的方法，所述湿法剥离使用硫酸或过氧化氢。

13.如权利要求8所述的形成金属硅化物的方法，所述第一层金属薄膜的厚度在30-60埃的范围内，所述第二层金属薄膜的厚度在80-150埃的范围内。

14.如权利要求1所述的形成金属硅化物的方法，所述高功率在3000-5000W的范围内，所述低功率在1000-3000W的范围内。

15.如权利要求14所述的形成金属硅化物的方法，所述高功率为4000W，所述低功率为2000W。