CN1855388A - 以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法。实施例包括：形成多层堆叠排列结构，其中此多层堆叠排列结构包括位于基材上的添加物层，和位于添加物层上的金属层；以及对多层堆叠排列结构进行退火，藉以在基材上形成金属硅化物层，其中此金属硅化物层包含来自于添加物层的添加物。其他实施例至少包括蚀刻多层堆叠排列结构，以移除不反应层。在另一实施例中，多层堆叠排列结构包括位于基材上的金属层、位于金属层上的添加物层，以及可选择性地位于添加物层上的氧阻障层。根据上述实施例所形成的金属硅化物，在高温制程中特别能够抵抗结块现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体的制作方法，特别是涉及一种具有较少结块以改善热稳定度的金属硅化物的制造方法。
背景技术
金属硅化物接触是普遍使用于现今的金氧半导体(Metal OxideSemiconductor，MOS)技术中。随着元件尺寸持续地缩减，自行对准的金属硅化物(Self-aligned silicide)或自行对准金属硅化物制程(SalicideProcess)，被用来降低源/汲极电阻及闸极电阻。在金属硅化物制程中，沉积金属以覆盖暴露的源/汲极区的硅材质及闸极区的多晶硅，并与之反应，以形成金属硅化物。未反应的金属则藉由蚀刻加以移除，而将金属硅化物分别留在源极与汲极区上，并将多晶硅化金属留于多晶硅闸极上。由于自反应金属部份中蚀刻移除未反应的金属时，并不需要使用遮罩步骤，故此金属硅化物制程被称为自行对准。
过去，钛常被用来在基材上的闸极区形成自对准的钛/硅化合物(二硅化钛，TiSi2)，然而，当源/汲极的接面宽度减少到小于200nm时，钛的自对准金属硅化物会显出一些问题。因为在超窄接面(Ultra-shallow Junction)中金属硅化物接面的厚度可能只有数百埃(Angstroms)，故二硅化钛相对于硼磷硅酸盐玻璃(Borophosphorsilicide Glass；BPSG)的蚀刻选择性可能无法高到让二硅化钛源/汲极得以承受接触窗蚀刻。
钴亦常用来形成自行对准的钴/硅化合物(二硅化钴，CoSi2)，然而自对准二硅化钴也被发现有一样严重的缺点与限制，尤其是在设计规则降低至0.1微米或以下时。例如，自对准的二硅化钴常具有偶发性高寄生电流泄漏路径，此电流泄漏路径包括有接面漏电与二极管漏电。在二硅化钴的使用中导致接面漏电增加的因素之一是由于进入硅基材的不平均的钴扩散所造成的二硅化钴/硅介面上的介面粗糙度。
有鉴于这些问题，从事此技术的人士考虑采用其他金属硅化物材料。例如：硅化镍具有许多优于二硅化钴与二硅化钛的特性。硅化镍具有相对较低的制程温度，而消耗较少的硅基材；具有较低的电阻率；以及形成应力较低的介面。然而，主要的问题是当进行高温制程时，许多金属硅化物会有结块的倾向。结块会中断金属硅化物膜的连续性，因而大幅增加片电阻，并且降低元件的性能。虽然结块倾象对于例如二硅化钴以及二硅化钛的习知金属硅化物而言是一既存的难题，但此问题已证实是对于包括有硅化镍的其他金属硅化物的一个更难以突破的制程整合挑战。
从事此技术的人士知悉：固态相变化与固态反应会造成金属硅化物的结块。在硅镍化合物的例子中，硅化镍转换成二硅化镍会造成结块。由于这些相态的转换与化学变化是取决于温度，因此从事此技术的人士一般将具有结块倾向的金属硅化物称为热不稳定。
目前已发现某些添加物可以改善金属硅化物的热稳定度。现行的方法包括有在金属硅化物沉积之前或之后，将氮导入至硅基材和多晶硅闸极中，以在后续的快速热退火(Rapid Thermal Anneal；RTA)制程中阻止金属硅化物的结块。然而，因为这些方法已显示出会不利地影响元件效能和闸极氧化层的完整性时，许多制程整合的问题仍然无法解决。
近来，X-P.Qu等人，在发表于462-463(2004)期“Thin Solid Films”第146-150页，题目为“Thermal Stability，Phase and Interface Uniformityof Ni-silicide formed by Ni-Si solid-state reaction”的论文中(在此提出并以其整体做为参考)，报导添加物对金属硅化物薄膜的稳定度的影响。Qu等人发现铂与钯会对二硅化镍形成的增加热力学形成核能障(Thermodynamic Nucleation Barrier)，因而可改善NiSi相的稳定度。然而，他们没有对关于深次微米金氧半导体场效应晶体管制作的任何制程整合课题加以探究。
最近的研究建议金属硅化物的添加物是相当被看好，可解决金属硅化物热不稳定与结块等相关问题。然而，仍然需要整合此些添加物至先进的半导体制作技术。
由此可见，上述现有的形成金属硅化物的方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的形成金属硅化物的方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般制造方法又没有适切的方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的形成金属硅化物的方法，便成了当前业界极需改进的目标。
有鉴于上述现有的形成金属硅化物的方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，能够改进一般现有的形成金属硅化物的方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的形成金属硅化物的方法存在的缺陷，而提供一种新的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，所要解决的技术问题是提出一种形成金属硅化物的改良方法，藉由使用添加物来防止金属硅化物结块，以达成本发明的技术优势，并且解决或克服上述或其他各种问题，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，至少包括：于一基材上形成一多层堆叠排列结构，其中该多层堆叠排列结构至少包括一添加物层以及一金属层；对该多层堆叠排列结构进行一热制程，藉以形成一金属硅化物层在该基材上，其中该金属硅化物层至少包括来自该添加物层的一添加物；以及蚀刻该多层堆叠排列结构，以去除一未反应材料层。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术措施来进一步实现。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的多层堆叠排列结构至少包括位于一基材上的一添加物层、以及位于该添加物层上的一金属层。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的多层堆叠排列结构至少包括位于一基材上的一金属层，以及位于该金属层上的一添加物层。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的金属层至少包括选自于本质上由钴、镍、钛、钯、铂以及上述材料的组合所组成的一族群的一材料。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的添加物层至少包括是选自于本质上由碳、铝、硅、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锗、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铟、锡、镧、鋡、钽、钨、铼、铱、铂、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镒、镏以及上述材料的组合所组成的族群的一材料。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的热制程至少包括一快速热退火(Rapid Thermal Anneal，RTA)制程，其中该快速热退火制程的温度是实质介于250℃与850℃之间，该快速热退火制程的进行时间是实质介于在10秒与180秒之间。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的快速热退火制程具有实质为30秒的一持续时间。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的添加物至少包括是选自于本质上由镍、钴、钛、钯、铂、钽、锗、铱、锆以及上述材料的组合所组成的族群的一材料。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的形成一多层堆叠排列结构的步骤至少包括形成一氧阻障层在该添加物层上。
前述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其中所述的氧阻障层至少包括是选自于本质上由氮化钛、氮化硅、氮化钨、氮化钽以及上述材料的组合所组成的族群的一材料。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明的主要技术内容如下：
本发明的实施例包括一种制作金属硅化物的方法。本发明的实施例包括：形成多层堆叠排列结构。在本发明之一实施例中，多层堆叠排列结构包括有位于基材上方的添加物层与金属层。在另一实施例中，多层堆叠排列结构包括在基材上的添加物层、及在添加物层上的金属层。在另一实施例中，多层堆叠排列结构包括在基材上的金属层、在金属层上的添加物层、及选择性地位于添加物层上的氧阻障层。
本发明的较佳实施例包括：对此多层堆叠排列结构进行退火，以形成金属硅化物层在基材上，其中金属硅化物层包括有来自添加物层中的添加物。本发明的其他实施例包括：蚀刻此多层堆叠排列结构，以移除未反应金属层。
在本发明的其他实施例中，添加物层至少包括选自于本质上由碳、铝、硅、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锗、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铟、锡、镧、鋡、钽、钨、铼、铱、铂、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镒、镏以及上述组合所组成的一群的材料。
在本发明的一较佳实施例中，金属硅化物至少包括硅化钴。在其他较佳实施例中，金属硅化物至少包括硅化镍。而钛为较佳添加物。
根据本发明的实施例所形成的金属硅化物，在高温制程中，特别能够抵抗金属硅化物结块。此高温制程可包括形成互补式金氧半导体元件。
经由上述可知，本发明本发明是有关于一种以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法。实施例包括：形成多层堆叠排列结构，其中此多层堆叠排列结构包括位于基材上的添加物层，和位于添加物层上的金属层；以及对多层堆叠排列结构进行退火，藉以在基材上形成金属硅化物层，其中此金属硅化物层包含来自于添加物层的添加物。其他实施例至少包括蚀刻多层堆叠排列结构，以移除不反应层。在另一实施例中，多层堆叠排列结构包括位于基材上的金属层、位于金属层上的添加物层，以及可选择性地位于添加物层上的氧阻障层。根据上述实施例所形成的金属硅化物，在高温制程中特别能够抵抗结块现象。
借由上述技术方案，本发明以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法至少具有下列优点：
提供了一种形成金属硅化物的改良方法，藉由使用添加物可以防止金属硅化物结块，从而使所形成的金属硅化物在高温制程中能够抵抗结块现象，从而更加适于实用。
综上所述，本发明特殊的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，克服了现有的形成金属硅化物的方法存在的缺陷，而提供了一种新的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，藉由使用添加物来防止金属硅化物结块 其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类方法中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其不论在方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的形成硅化物的方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是描述本发明的一实施例的制程中间步骤中的互补式金氧半导体元件的剖面示意图。
图2是描述本发明的另一实施例的制程步骤中间中的互补式金氧半导元件体的剖面示意图。
图3是根据本发明的一实施例的描述金属硅化物形成的互补式金氧半导体元件的剖面示意图。
110：基材 120：金属层
130：添加物层 140：氧阻障层
150：金属硅化物层 160：未反应材料层
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法及其具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
请参照图1，其是在制造中间步骤的互补式金氧半导体的剖面示意图。其中包括有半导体基材110，较佳是包含硅另外，基材110可至少包括硅、锗、硅锗、应变硅、绝缘层上有硅(Silicon on Insulator；SOI)、绝缘层上有锗(Germanium on Insulator；GOI)、例如硅/硅锗的多层堆叠排列结构、或上述材料的任意组合。基材110可包含各种隔离和/或元件区。此些区域并未示于本发明的图示中，但仍意图被包含在其中。
本发明的实施例较佳是包括在基材110上形成多层堆叠排列结构，其中多层堆叠排列结构至少包括添加物层130与金属层120。在一实施例中，金属层120是藉由使用传统沉积制程形成在基材110上的，习知的沉积制程的沉积压力较佳是小于10m Torr，其沉积温度较佳是小于或等于室温。习知的沉积制程的适宜方法至少包括化学气相沉积、电浆辅助化学气相沉积、蒸镀、原子层沉积、电浆辅助原子层沉积或溅镀。金属层120可由钴、镍、钛、铂、钯或上述材料的组合所构成。金属层120较佳是至少包括选自于钴、镍、钛以及上述材料的组合所组成的一族群的材料。较佳地，金属层120的厚度是介于约1nm与约50nm之间，更佳是约10nm。
在图1所示的较佳实施例中，添加物层130的厚度是介于0.3nm到30nm之间，且是形成在金属层120上。添加物层130较佳是包括有一种材料，当此材料与金属硅化物结合时，会阻碍高温金属硅化物结块。添加物层130至少包括选自于本质上由碳、铝、硅、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锗、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铟、锡、镧、鋡、钽、钨、铼、铱、铂、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镒、镏以及上述材料的组合所组成的一族群的材料。较佳的添加物至少包括选自于本质上由镍、钴、钛、钯、铂、钽、锗、铱、锆以及上述材料的组合所组成的一族群的材料。
较佳地，金属层120与添加物层130不包含相同的组成。例如，当金属层120包括有钴时，添加物层130较佳是包括有除了钴以外的添加物。
请继续参照图1，其中可选择性的形成氧阻障层140于添加物层130上。适宜的氧阻障层140可以是氮化钛、氮化硅、氮化钨、氮化钽或上述材料的组合。氧阻障层140是使用习知的的沉积制程来形成的，其厚度较佳是介于约1nm与约50nm之间，较佳是约15nm。适宜的沉积方法包括有化学气相沉积、电浆辅助化学气相沉积、溅镀、蒸镀、电镀、旋涂以及其他沉积制程。
在本发明的一实施例中，金属层120包括有1.5nm厚的钛，添加物层130包括有15nm厚的镍，而氧阻障层140包括有厚度15nm厚的氮化钛。在另一实施例中，金属层120包括有15nm厚的镍，添加物层130包括有1.5nm厚的钛，而氧阻障层140包括有15nm厚的氮化钛。
请参照图2，其是未包含有阻障层的一实施例。当未使用阻障层时，如图2所绘示，添加物层130较佳是沉积在基材110上，金属层120则沉积在添加物层130上。
请参照图3，其是根据下述的实施例的进一步处理后的图1的结构。在图3中所绘示的是硅基材110，其中基材110更包括有形成于其上的金属硅化物层150。根据本发明的较佳实施例，金属硅化物层150包括有选用来防止金属硅化硅层150在后续热制程中结块的添加物。金属硅化硅层150上有一层未反应材料和/或合金反应的副产物，在此统称为未反应材料层160。氧阻障层140是位于未反应材料层160上的。形成金属硅化物层150可包括在硅化反应中销耗一部份基材110。
形成金属硅化物层150的方法较佳为快速热退火，也称为快速热制程(Rapid Thermal Process，RTP)。快速热制程较佳是在例如氦、氩、氮或混成气体(Forming Gas)的气氛中进行。以硅化镍的快速热退火为例，快速热退火的温度是介于约250℃到约500℃之间并持续约10秒到约180秒。在较佳实施例中，快速热退火的温度是约400℃并持续约30秒。其中快速热退火可采用脉冲(Spike)法或浸泡(Soak)法。
本发明的实施例可更包括选择性快速热退火浸泡步骤，用以使晶粒成长和成分重新分布。快速热退火的浸泡温度为约450℃并持续约30秒。
在形成快速热退火的硅化物的步骤后，使用熟知此技书的人所熟知的习知蚀刻技术，来移除氧阻障层140和未反应材料层160。例如：可使用任何一种湿式蚀刻制程来从结构中去除氧阻障层与金属合金层。湿式蚀刻制程中所使用的化学蚀刻剂，较佳是去除氧阻障层140和未反应材料层160并留下金属硅化物层150。适宜的蚀刻剂包括有过氧化氢与硝酸或硫酸的混合液，而其他的化学蚀刻剂也可以使用于本发明的实施例。在湿式蚀刻制程后，可进行又一快速热退火制程，以改变金属硅化物来使其转换成低电阻率结构。例如：本发明的另一实施例可包括有再一快速热退火制程，以将硅化钴转变成二硅化钴。
在去除氧阻障层140和未反应材料层160的后，可使用习知的互补式金氧半导体制程步骤来制作例如闸极区的其他元件区域于基材上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1、一种以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其包括以下步骤：
于一基材上形成一多层堆叠排列结构，其中该多层堆叠排列结构至少包括一添加物层以及一金属层；
对该多层堆叠排列结构进行一热制程，藉以在该基材上形成一金属硅化物层，其中该金属硅化物层至少包括来自该添加物层的一添加物；以及
蚀刻该多层堆叠排列结构，以去除一未反应材料层。
2、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的多层堆叠排列结构至少包括位于一基材上的一添加物层、以及位于该添加物层上的一金属层。
3、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的多层堆叠排列结构至少包括位于一基材上的一金属层，以及位于该金属层上的一添加物层。
4、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的金属层至少包括选自于本质上由钴、镍、钛、钯、铂以及上述材料的组合所组成的一族群的一材料。
5、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的添加物层至少包括是选自于本质上由碳、铝、硅、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锗、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、铟、锡、镧、鋡、钽、钨、铼、铱、铂、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镒、镏以及上述材料的组合所组成的族群的一材料。
6、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的热制程至少包括一快速热退火(Rapid ThermalAnneal，RTA)制程，其中该快速热退火制程的温度是实质介于250℃与850℃之间的，该快速热退火制程的进行时间是实质介于在10秒与180秒之间。
7、根据权利要求6所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的快速热退火制程具有实质为30秒的一持续时间。
8、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的添加物至少包括是选自于本质上由镍、钴、钛、钯、铂、钽、锗、铱、锆以及上述材料的组合所组成的族群的一材料。
9、根据权利要求1所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的形成一多层堆叠排列结构的步骤至少包括形成一氧阻障层在该添加物层上。
10、根据权利要求9所述的以添加物改善金属硅化物热稳定度的方法，其特征在于其中所述的氧阻障层至少包括是选自于本质上由氮化钛、氮化硅、氮化钨、氮化钽以及上述材料的组合所组成的族群的一材料。
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