CN1134045C - 一种钴-自对准硅化物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钴-自对准硅化物的方法，本方法具有五个步骤：步骤1：采用钴/钛/硅固相反应结构；步骤2：采用氢氟酸/异丙醇溶液的清洗；步骤3：采用溅射钴/钛膜前的真空腔内退火处理；步骤4：低应力双层钴/钛复合膜的溅射；步骤5：钴-自对准硅化物工艺。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种钴-自对准硅化物的方法。
背景技术
由于在多晶硅栅上的二硅化钴(CoSi2)薄膜的薄层电阻不存在随多晶硅栅的线宽的减小而上升的现象，同时CoSi2有适用于自对准硅化物工艺的高的热稳定性、低电阻率、可选择腐蚀等特点，因而作为TiSi2的替代材料，Co-自对准硅化物工艺得到了广泛的研究。但常规Co-自对准硅化物工艺存在固有的结漏电大的问题，因而限制了它在超大规模集成电路(VLSI)中的应用。尽管采用以注入掺杂的CoSi2作为扩散源的方法得到了结深很浅的P/N结，但由于N沟金属氧化物半导体(NMOS)和P沟金属氧化物半导体(PMOS)的杂质推进条件难于匹配，使得这种方法在CMOS VLSI中的应用受到了限制。为解决CoSi2遇到的问题，我们采用了钴/钛/硅(Co/Ti/Si)结构的固相反应，并在硅上异质外延生长单晶CoSi2薄膜的方法以得到均匀的CoSi2膜的生长和平整的CoSi2/Si界面，同时又限制了Si的消耗，这些都使漏电大大减小，同时又保留了CoSi2窄线条薄层电阻小的优点。采用此新方法，使Co-自对准硅化物工艺能成功地应用于亚-0.1微米CMOS集成电路的制造。
目前钴-自对准硅化物的方法，均是利用大型的专用设备，其不仅价格昂贵，且购到也很不易，现有的方法还具有工艺复杂、性能受限和成本高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钴-自对准硅化物的方法，其可利用现有的设备，具有工艺简单、易行，成本低和没有环境污染的优点。
本发明一种钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，本方法具有五个步骤：
步骤1：采用钴/钛/硅固相反应结构；
步骤2：采用氢氟酸/异丙醇溶液的清洗；
步骤3：采用溅射钴/钛膜前的真空腔内退火处理；
步骤4：低应力双层钴/钛复合膜的溅射；
步骤5：钴-自对准硅化物工艺。
其中步骤1中采用了钴/钛/硅固相反应结构，在硅上异质外延生长二硅化钴单晶薄膜。
其中步骤2中在进溅射腔前，采用氢氟酸/异丙醇溶液清洗，其氢氟酸/异丙醇溶液配比为：氢氟酸∶异丙醇∶去离子水＝37.5ml∶0.6ml∶3000ml，室温下，浸渍40秒后冲水，甩干后，立即进入溅射真空锁内，尽量缩短在空气中滞留的时间。
其中步骤3溅钴/钛前真空腔内退火处理：本底真空度：6×10-7乇，衬底加热：加温至300℃，恒温10分；然后降温，待本底真空度恢复到6×10-7乇时即可预溅射5分，然后再溅射。
其中步骤4溅射低应力钴/钛双层膜，溅射步骤：先溅钛膜5nm，再溅钴膜11nm；溅射条件：本底真空度都为6×10-7乇，溅射功率都为800w，承片台转速都为13转/分，工作压力不同，溅钛的工作压力为5×10-3乇，溅钴为6.2×10-3乇；溅射速率：钛膜为75/min，钴膜为50/min。
其中步骤5钴-自对准硅化物工艺：两次快速热退火加上其间进行两次选择腐蚀：第一次快速热退火：温度650℃，时间20秒；选择腐蚀：第一次用盐酸∶双氧水∶去离子水＝3∶1∶15，时间1分-1分30秒；第二次用硫酸∶双氧水＝5∶1，温度120 ℃，时间10分，第二次快速热退火：温度900℃，时间10秒。
附图说明
为进一步说明本发明的方法特征，以下对本发明作一详细的描述，其中：
图1是在硅(100)衬底上异质外延生长的二硅化钴薄膜的X射线衍射分析的结果图；
图2是在硅(100)衬底上异质外延生长的二硅化钴薄膜的透射电子显微镜剖面照片；
图3是真空腔内退火和无真空腔内退火样品的电流-电压特性比较图；
图4是重掺杂薄膜N+多晶硅上CoSi2薄层电阻与多晶硅线宽的关系图。
具体实施方式
本发明一种钴-自对准硅化物的方法，本方法具有五个步骤：
步骤1：采用钴/钛/硅固相反应结构，在硅上异质外延生长二硅化钴单晶薄膜；
步骤2：采用氢氟酸/异丙醇溶液的清洗，在进溅射腔前，采用氢氟酸/异丙醇溶液清洗，其氢氟酸/异丙醇溶液配比为：氢氟酸∶异丙醇∶去离子水＝37.5ml∶0.6ml∶3000ml，室温下，浸渍40秒后冲水，甩干后，立即进入溅射真空锁内，尽量缩短在空气中滞留的时间；
步骤3：采用溅射钴/钛膜前的真空腔内退火处理，溅钴/钛前真空腔内退火处理：本底真空度：6×10-7乇，衬底加热：加温至300℃，恒温10分，然后降温，待本底真空度恢复到6×10-7乇时即可预溅射5分，然后再溅射；
步骤4：低应力双层钴/钛复合膜的溅射，溅射步骤：先溅钛膜5nm，再溅钴膜11nm；溅射条件：本底真空度都为6×10-7乇，溅射功率都为800w，承片台转速都为13转/分，工作压力不同，溅钛的工作压力为5×10-3乇，溅钴为6.2×10-3乇；溅射速率：钛膜为75/min，钴膜为50/min；
步骤5：钴-自对准硅化物工艺：两次快速热退火加上其间进行两次选择腐蚀：第一次快速热退火：温度650℃，时间20秒；选择腐蚀：第一次用盐酸∶双氧水∶去离子水＝3∶1∶15，时间1分-1分30秒；第二次用硫酸∶双氧水＝5∶1，温度120℃，时间10分；第二次快速热退火：温度900℃，时间10分。
本发明钴-自对准硅化物的方法主要特色及其机理：
(1)采用Co/Ti/Si结构的固相反应，在硅上外延生长CoSi2单晶薄膜，从而得到了平整的CoSi2/Si界面。这是由于CoSi2的CaF2的结构与硅的金刚石结构较匹配，在室温下晶格常数只差1.07％，所以具有异质外延的可能性。在Co与Si中间使用极薄的Ti膜，一方面用来萃取硅表面的自然氧化物，使Co与新鲜洁净的硅表面反应，使异质外延获得成功，得到平整的CoSi2/Si界面；另一方面由于Ti的存在，减缓了Co的扩散，抑制了Si的消耗，这些都使浅结漏电大大减小，从而克服了Co-自对准硅化物(SALICIDE)固有的缺点。
图1给出了对Co/Ti/Si固相反应异质外延生长的CoSi2薄膜的X射线衍射分析的结果。图中的两个衍射峰分别对应(200)Si和(100)CoSi2，从而表明得到了单晶CoSi2外延薄膜。
图2给出了样品的透射电子显微镜(TEM)剖面照片和电子衍射图象。电子衍射图象表明，CoSi2膜与硅衬底的电子衍射斑点重合极好，充分证实了CoSi2薄膜具有与(100)硅衬底相同的晶格结构。
(2)采用HF/IPA清洗处理代替HF稀释液处理，能明显改善结漏电，可能的机理是因为HF/IPA清洗处理能使表面更光滑，更少的颗粒及有机物污染，及对自然氧化物的抑制等，使CoSi2/Si界面更平整、光滑的缘故。它的机理是因为H+使硅表面悬挂键饱和钝化所致。而1#液的降温处理和降低浓度是为了改善硅表面的粗糙度。
(3)真空腔内预退火处理，明显减小膜内及界面处的应力，进一步释放潮气，并提高了Co/Ti双层膜与硅表面的亲和力。
(4)Co/Ti低应力双层复合膜的溅射，优化溅射条件及预退火以减少膜内及界面处的应力，才能得到光滑、平整、洁净的双层复合膜。
(5)Co-自对准硅化物工艺，采用两次快速热退火(RTA)，尽量避免氧的危害。在第一次RTA后，采用两次不同的湿法选择腐蚀，分别去除未反应的Co和Ti等。然后进行第二次温度较高的RTA，形成CoSi2薄膜。
图3给出了真空腔内预退火加两次RTA后的反向电流-电压(I-V)特性，并与常规两次RTA的反向I-V特性作了比较，可见加上真空腔内退火后反向I-V特性有了进一步改善。
图4给出了Co/Ti自对准硅化物在重掺杂多晶硅上的薄层电阻随多晶硅线宽Lg的变化。从图可见，当多晶硅线宽降到0.1μm及以下时，Co-自对准硅化的多晶硅栅比Ti-自对准硅化的多晶硅栅有更小的薄层电阻，更令人感兴趣的是当多晶硅线宽降到80nm时，其上的CoSi2薄层电阻降到了3.2欧姆/方块(Ω/□)，比0.5μm的宽线条的薄层电阻降低了约48％，这在下一代亚50纳米特征尺寸的CMOS技术中是非常吸引人的优越性，展示了其目前看来广阔的应用前景。
Claims (6)
1、一种钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，本方法具有五个步骤：
步骤1：采用钴/钛/硅固相反应结构；
步骤2：采用氢氟酸/异丙醇溶液的清洗；
步骤3：采用溅射钴/钛膜前的真空腔内退火处理；
步骤4：低应力双层钴/钛复合膜的溅射；
步骤5：钴-自对准硅化物工艺。
2、根据权利要求1所述的钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，其中步骤1中采用了钴/钛/硅固相反应结构，在硅上异质外延生长二硅化钴单晶薄膜。
3、根据权利要求1所述的钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，其中步骤2中在进溅射腔前，采用氢氟酸/异丙醇溶液清洗，其氢氟酸/异丙醇溶液配比为：氢氟酸∶异丙醇∶去离子水＝37.5ml∶0.6ml∶3000ml，室温下，浸渍40秒后冲水，甩干后，立即进入溅射真空锁内，尽量缩短在空气中滞留的时间。
4、根据权利要求1所述的钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，其中步骤3溅钴/钛前真空腔内退火处理：本底真空度：6×10-7乇，衬底加热：加温至300℃，恒温10分，然后降温，待本底真空度恢复到6×10-7乇时即可预溅射5分，然后再溅射。
5、根据权利要求1所述的钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，其中步骤4溅射低应力钴/钛双层膜，溅射步骤：先溅钛膜5nm，再溅钴膜11nm；溅射条件：本底真空度都为6×10-7乇，溅射功率都为800w，承片台转速都为13转/分，工作压力不同，溅钛的工作压力为5×10-3乇，溅钴为6.1×10-3乇；溅射速率：钛膜为75/min，钴膜为50/min。
6、根据权利要求1所述的钴-自对准硅化物的方法，其特征在于，其中步骤5钴-自对准硅化物工艺：两次快速热退火加上其间进行两次选择腐蚀：第一次快速热退火：温度650℃，时间20秒；选择腐蚀：第一次用盐酸∶双氧水∶去离子水＝3∶1∶15，时间1分-1分30秒；第二次用硫酸∶双氧水＝5∶1，温度120℃，时间10分；第二次快速热退火：温度900℃，时间10秒。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: INST OF MICROELECTRONICS, C. A. S Free format text: FORMER NAME: MICROELECTRONIC CENTER, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100029 CHAOYANG, BEIJING TO: 201203 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Beijing City, Qi Jia Huo Zi 100029 Patentee after: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences Address before: Beijing City, Qi Jia Huo Zi 100029 Patentee before: Insitute of microelectronics of the chinese academy of sciences |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130422 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Patentee after: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (SHANGHAI) Corp. Patentee after: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences Address before: Beijing City, Qi Jia Huo Zi 100029 Patentee before: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20040107 |
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| CX01 | Expiry of patent term |