專利名稱：形成超薄可控的金屬硅化物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在金屬薄膜和半導(dǎo)體硅襯底之間形成
金屬硅化物的方法。
背景技術(shù)：
隨著器件尺寸的縮小，作為金屬電極的金屬硅化物被廣泛用于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)的源漏極和柵極，形成和硅、鍺或硅-鍺半導(dǎo)體的金-半接觸。金屬硅化物的主要作用從一開始的為簡單的二極管提供可靠的接觸，到近來利用自對準(zhǔn)金屬硅化物形成工藝salicide為MOSFET形成低阻源漏接觸和低方塊電阻柵電極，在CMOS器件尺寸的微縮化及提高器件性能上起著非常重要的作用。金屬硅化物從早期的硅化鈦(TiSi2)、硅化鈷(CoSi2)發(fā)展到現(xiàn)在主流的的硅化鎳(NiSi)或摻鉑硅化鎳(Ni(Pt)Si)。
硅化鈦工藝是先將鈦金屬沉積在晶片上，然后經(jīng)過稍低溫度的第一次退火，得到高阻的中間亞穩(wěn)相C49，然后再經(jīng)過溫度稍高的第二次退火，使C49相轉(zhuǎn)變成最終需要的低阻C54相(穩(wěn)定)。硅化鈦具有形成工藝簡單、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。然而，隨著MOSFET尺寸的不斷變小，會出現(xiàn)硅化鈦的形成和相變不徹底的現(xiàn)象，尤其是其窄線條效應(yīng)，即硅化鈦的的形成和相變隨著線寬或接觸面積的減小而變得更加困難，這不僅大大增加了接觸電阻和寄生串聯(lián)電阻，而且導(dǎo)致了器件和器件、電路和電路及芯片和芯片之間特性的不穩(wěn)定和不重復(fù)。 為了解決較小尺寸下出現(xiàn)的線寬效應(yīng)，硅化鈷作為硅化鈦的替代品應(yīng)運而生，但當(dāng)器件尺寸更小時，窄線條效應(yīng)在硅化鈷的形成中仍然會出現(xiàn)；隨著有源區(qū)摻雜深度不斷變淺，硅化鈷形成過程中也會過度消耗表面高摻雜硅?；谝陨先毕?，必須尋找新的替代品去適應(yīng)更高的要求。 相對于之前的硅化鈦和硅化鈷而言，硅化鎳具有一系列獨特的優(yōu)勢。硅化鎳仍然沿用之前硅化物類似的兩步退火工藝，但是退火溫度有了明顯降低(< 600°C )，這樣就大大減少對器件已形成的超淺結(jié)的破壞，較低的退火溫度不會導(dǎo)致已摻雜離子在硅化物形成過程中的擴(kuò)散。同時，較低的退火溫度也有利于更加先進(jìn)的材料和技術(shù)的集成，這里特別包括了高介電系數(shù)的介質(zhì)柵(high-K dielectric)和金屬柵極(metal gate);鎳的硅化物的形成即使在30納米以下的線條中都沒有發(fā)現(xiàn)窄線條效應(yīng)；硅化鎳的形成過程對源/漏區(qū)的硅的消耗較少，而靠近表面的硅剛好是摻雜濃度最大的區(qū)域，因而對于降低整體的接觸電阻十分有利。 然而超薄鎳硅化物也面臨一系列的問題。 一方面，通常使用的低阻硅化鎳薄膜有著一鎳一硅的化學(xué)組份比，即一硅化鎳NiSi。而由于Si的存在并直接同NiSi接觸，隨著溫度的升高，NiSi會和Si發(fā)生反應(yīng)，形成更加穩(wěn)定的二硅化鎳NiSi2相，即低阻的一硅化鎳相有著潛在的高溫不穩(wěn)定性，對隨后的后端工藝中各個步驟的最高溫度產(chǎn)生了限制；另一方面，隨著超薄硅化物的厚度越來越小，原先的連續(xù)厚度均勻的薄膜會由于表面張力作用，會出現(xiàn)厚度不均勻甚至變成類似于島狀的不連續(xù)形狀，從而導(dǎo)致電阻變大甚至不導(dǎo)電；另外，通常的硅化鎳形成工藝在形成硅化物時的速度不易控，不利于形成超薄的硅化物層。
鑒于以上問題，本發(fā)明提出一種新的方法，該種方法可形成熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很高且生長速度可控的超薄金屬硅化物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在硅襯底上形成一層厚度可控的超薄金屬硅化物的方法。 本發(fā)明提供的形成厚度可控的超薄金屬硅化物的方法包括下列步驟 (1)在硅襯底上淀積一薄層金屬(如鎳)，該層金屬向硅襯體進(jìn)行擴(kuò)散。金屬向硅
襯底擴(kuò)散的速度和深度跟淀積時的襯底溫度相關(guān)； (2)去除硅襯底表面剩余的金屬； (3)進(jìn)行退火，形成金屬硅化物薄層； (4)如果該薄層金屬硅化物的厚度或質(zhì)量未達(dá)到預(yù)期的要求，則可再次進(jìn)行以上金屬淀積、擴(kuò)散、去除剩余金屬和退火的步驟一次或多次，直至金屬硅化物層的厚度和質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求。 本發(fā)明提供的厚度可控的超薄硅化物的制備方法還可以包括下列步驟
(1)在硅襯底上淀積一薄層金屬(如鎳)，該層金屬向硅襯體進(jìn)行擴(kuò)散；
(2)去除硅襯底表面剩余的金屬； (3)再次進(jìn)行以上金屬淀積、擴(kuò)散和去除剩余金屬的步驟一次或多次，每一次金屬
淀積時的襯底溫度可以不盡相同； (4)進(jìn)行退火，形成金屬硅化物薄層。 上述方法中，硅襯底上沉積的金屬為鎳、鈷、鈦或鉑，或其中幾種的合金。沉積時硅襯底溫度控制，O 300°C內(nèi)選擇。退火溫度為200°C 90(TC;金屬硅化物層的最終厚度為2 20nm，優(yōu)選2 15nm。 本發(fā)明提供的厚度可控的超薄金屬硅化物的制備方法還可以包括下列步驟
在淀積的金屬中可以摻入一定量的另一金屬鉑以減慢金屬硅化物的生長速度，并且通過鉑_金屬硅化物(M卜xPtxSi)的形成增加金屬硅化物的穩(wěn)定性；這里x《0. 5，M為金屬。 在淀積金屬或金屬-鉑合金之前或者之后，可以向硅襯底注入碳、氮或氧中一種或幾種，來控制金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物的生長和金屬/鉑的擴(kuò)散，并增加金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物的穩(wěn)定性。單位硅襯底面積的碳、氮或氧的摻入量為1X1015 lX1017/cm—2。 在淀積金屬或金屬_鉑合金中還可以加入難溶的第三金屬(包括鎢和/或鉬等)，以實現(xiàn)控制金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物的生長和金屬/鉑的擴(kuò)散，并增加金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物的穩(wěn)定性。 最終形成的金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物薄層的厚度，還可以通過控制薄層金屬淀積時的硅襯底溫度來實現(xiàn)；此外，也可以結(jié)合淀積時硅襯底的溫度調(diào)節(jié)，使用薄層金屬淀積前或后的離子注入預(yù)處理方法來實現(xiàn)對最終形成的金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物薄層的厚度的控制。這里，離子注入對象包括碳、氮等；還可以結(jié)合淀積時硅襯底的溫度調(diào)節(jié)及
4離子注入預(yù)處理，使用難溶金屬包括鎢、鉬等，淀積形成含金屬或金屬-鉑及難溶金屬的合
金薄層，由此來實現(xiàn)對最終形成的金屬硅化物或摻鉑金屬硅化物薄層的厚度的控制。 本發(fā)明提供的厚度可控的超薄金屬硅化物的制備方法可以用來形成金屬_半導(dǎo)
體肖特基結(jié)，也可用于在高摻雜的半導(dǎo)體上形成金屬和半導(dǎo)體之間的歐姆接觸。 本發(fā)明提供的形成超薄的金屬硅化物的方法除了可以應(yīng)用在硅襯底材
料之外，還可以應(yīng)用在其它半導(dǎo)體襯底材料如鍺化硅、鍺、絕緣層上的硅(SOI :
silicon_on_insulator)禾口絕緣層上的錯(GOI :gemanium_on_insulator)等。 這些目標(biāo)以及本發(fā)明的內(nèi)容和特點，將經(jīng)過下面的的


進(jìn)行詳細(xì)的講解。

圖1是用常規(guī)方法生長硅化物的流程圖。 圖2表示本發(fā)明在襯底上形成超薄硅化物的第一個工藝實例的流程圖。 圖3是圖2實例中向襯底淀積金屬后的截面示意圖。 圖4是圖2實例中去掉襯底表面金屬后的截面示意圖。 圖5是圖2實例中退火后的截面示意圖。 圖6表示本發(fā)明在襯底上形成超薄硅化物的第二個實例的襯底截面示意圖。 圖7表示本發(fā)明在襯底上形成超薄硅化物的第三個實例的襯底截面示意圖。 圖8表示本發(fā)明在襯底上形成超薄硅化物的第四個實例的襯底截面示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明形成超薄可控金屬硅化物的方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。后面的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的組件，對其重復(fù)描述將省略。在后面的參考附圖中，為了方便說明，放大或者縮小了不同層和區(qū)域的尺寸，所以所示大小并不一定代表實際尺寸，也不反映尺寸的比例關(guān)系。 應(yīng)當(dāng)注意的是在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實施例。 圖1表示用常規(guī)方法生長金屬硅化物的工藝流程圖。首先步驟110準(zhǔn)備硅襯底，完成生長前的各項工藝如清洗和去除硅表面的天然二氧化硅薄層等，該硅襯底除了擁有裸露的硅表面之外，還可能含有由其他材料如二氧化硅、氮化硅等覆蓋的表面。接著步驟120在襯底表面淀積一定厚度的金屬如鎳、鈷、鈦、鉬及適當(dāng)?shù)暮辖鸬?，然后于步驟130在一定溫度下退火從而使金屬和其下的硅反應(yīng)生成金屬硅化物，而金屬和在其下的二氧化硅或者氮化硅在該退火溫度下不會發(fā)生反應(yīng)或發(fā)生有限的反應(yīng)而不足以影響整個工藝及器件性能。為了得到更低的電阻率或更穩(wěn)定的生長工藝，該退火工藝通常分為幾步進(jìn)行。在步驟140 —般用濕法腐蝕除去襯底表面未反應(yīng)的金屬，從而在硅表面上得到所需的金屬硅化物層。因此，該硅化物的生長具有選擇性，即只在襯底的硅表面反應(yīng)形成硅化物，而不在襯底的非硅表面如二氧化硅和氮化硅表面形成金屬硅化物。除去未反應(yīng)的硅化物后通常在步驟150再次進(jìn)行退火，使得生成的硅化物更加穩(wěn)定。這樣通常應(yīng)用在集成電路制造中的金屬硅化物的生長工藝就完成了，如步驟160所示。
上述的常規(guī)生長金屬硅化物的方法工藝簡單，但生成的硅化物的厚度和穩(wěn)定性取決于淀積的金屬的厚度和后續(xù)的退火溫度的控制，因此不容易形成厚度為5納米甚至以下的超薄金屬硅化物，也不容易形成均勻性和穩(wěn)定性好的超薄金屬硅化物。
圖2表示本發(fā)明在襯底上形成超薄金屬硅化物的第一個工藝實例的流程圖。本發(fā)明使用的工藝流程如圖2所示。首先在步驟210準(zhǔn)備襯底并完成淀積前的各項步驟，然后在步驟220于室溫下或在某一特定溫度下在襯底表面淀積一層金屬，一般是鎳，也可以是鈷、鈦、鉬及適當(dāng)?shù)暮辖鸬龋诤罄m(xù)的描述中以鎳為例進(jìn)行說明。淀積時的溫度不能過高(對于鎳來說，溫度一般不超過300攝氏度，對鈦、鈷和鉑來說，該溫度可以超過300攝氏度甚至更高)，否則會造成在超量的鎳擴(kuò)散的同時鎳會和硅直接反應(yīng)形成硅化鎳，導(dǎo)致厚度控制的失敗。在該特定溫度下，鎳會經(jīng)硅表面向硅襯底進(jìn)行擴(kuò)散。這種擴(kuò)散具有自飽和特性鎳向硅襯底進(jìn)行擴(kuò)散僅在硅的表面薄層中發(fā)生，形成一定硅/鎳原子比例的薄層鎳，該薄層鎳的厚度和淀積時的襯底溫度有關(guān)，溫度越高，該薄層鎳的厚度也越大。在室溫下，該薄層鎳的等效鎳厚度為2納米左右。淀積后的襯底截面圖如圖3所示。在圖3中，襯底由硅310、絕緣層320和絕緣層330構(gòu)成，絕緣層320和330部分覆蓋在硅310表面。絕緣層320和330可以是二氧化硅、氮化硅或其它絕緣介質(zhì)層。鎳340淀積在襯底上并和硅310以及絕緣層320和330接觸， 一定量的鎳340通過硅310表面向硅襯底擴(kuò)散。然后用濕法或干法刻蝕除去襯底表面未擴(kuò)散入硅內(nèi)的鎳，如圖2中步驟230所示。圖4表示除去剩余鎳層的襯底截面示意圖。鎳擴(kuò)散入硅內(nèi)形成含有鎳的薄層硅層345。然后如圖2中步驟240所示，在一定溫度下進(jìn)行退火，形成硅化鎳。圖5表示形成硅化鎳后的襯底截面示意圖。圖4中含有鎳的薄層硅層345與硅襯底310反應(yīng)生成圖5中的硅化鎳350。根據(jù)具體情況可以重復(fù)圖2中步驟220-230或220-230-240。直到生成的硅化鎳的厚度和特性符合要求，則在260完成生長工藝。 —硅化鎳NiSi具有電阻率低、厚度小、硅消耗量小等優(yōu)點，但純的一硅化鎳在高溫條件下穩(wěn)定性差，或出現(xiàn)薄膜厚度變得不均勻并結(jié)塊，或生成電阻率高的二硅化鎳NiSi2，嚴(yán)重影響器件的性能。以圖2中的工藝流程為基礎(chǔ)，本發(fā)明進(jìn)一步使用如后續(xù)圖6、圖7和圖8中的方法提高硅化鎳的熱穩(wěn)定性，同時減緩硅化鎳的生長速度以便于更好地控制其最終的厚度。 圖6表示本發(fā)明在襯底上形成超薄金屬硅化物的第二個實例的襯底截面示意圖。為了減慢硅化鎳的生長速度以及防止硅化鎳薄層遇到高溫時發(fā)生結(jié)塊或形成二硅化鎳，可以在鎳中摻入一定比例的鉑。進(jìn)行如圖2中所述的工藝流程里的金屬淀積、除去未擴(kuò)散的金屬和退火等步驟，得到圖6中的Ni卜xPtxSi層360。鉑可以在淀積鎳之前或之后摻入，也可與鎳同時淀積，或直接淀積鎳鉑合金。 在淀積金屬鎳或鎳_鉑合金中還可以加入難溶金屬包括鎢、鉬等，以進(jìn)一步控制硅化鎳或摻鉑硅化鎳的生長和鎳/鉑的擴(kuò)散，并增加硅化鎳或摻鉑硅化鎳的穩(wěn)定性。
圖7表示本發(fā)明在襯底上形成超薄金屬硅化物的第三個實例的襯底截面示意圖。
為了控制鎳的擴(kuò)散和硅化鎳的生成，可以在淀積金屬鎳前或淀積后向襯底注入碳，也可注入氮、氧等，也可將三者或其中的兩者混合注入。進(jìn)行如圖2中所述的工藝流程里的金屬淀積、除去未擴(kuò)散的金屬和退火等步驟，得到更薄更穩(wěn)定的含有碳、氮、氧等的硅化鎳層370。
圖8表示本發(fā)明在襯底上形成超薄金屬硅化物的第四個實例的襯底截面示意圖。
6該實例同時使用圖6和圖7中所示的工藝方法。首先向襯底310注入碳等元素然后淀積一定厚度的金屬鎳和鉑等，或者先淀積金屬鎳和鉑等，然后注入碳等元素，然后除去表面未擴(kuò)散的鎳鉑合金，最后在一定溫度下退火一定時間，得到含有碳等元素的Ni^xPtxSi層380。
在以上的實例中，淀積金屬時襯底的溫度一般控制在ot: -300°〇的范圍內(nèi)，退火溫度一般控制在200°C -900°〇范圍內(nèi)。向襯底注入的碳的劑量一般在Ixl015-lxl017原子數(shù)cm—2，注入氮或氧時的劑量類似。鎳鉑合金Ni^xPtx中x —般不大于0. 5。
特別需要說明的是，本發(fā)明中使用的襯底310不限定于硅襯底，還可包括鍺，硅_鍺合金及SOI或GOI結(jié)構(gòu)襯底等。 上面所說的各種流程和方法可以根據(jù)實際的應(yīng)用的不同進(jìn)行組合，也就是說，上面所說的工藝步驟和方法可以在不偏離本發(fā)明精神和內(nèi)容的情況下根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
權(quán)利要求
一種形成厚度可控的金屬硅化物的方法，其特征在于具體步驟如下(1)在硅襯底上沉積一薄層金屬，該金屬向沉底進(jìn)行擴(kuò)散；(2)去除沉底表面剩余的金屬；(3)進(jìn)行退火，形成金屬硅化物薄層；其中，步驟(1)和步驟(2)重復(fù)一次或多次，或者步驟(1)、步驟(2)和步驟(3)重復(fù)一次或多次，直到金屬硅化物薄層的最終厚度達(dá)到預(yù)期的要求為止；上述步驟中，硅襯底上沉積的金屬為鎳、鈷、鈦或鉑；沉積時的襯底溫度0～300℃內(nèi)選擇，退火溫度為200℃～900℃；金屬硅化物層的最終厚度為2～20nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于步驟(1)沉積金屬時，還摻入第二金屬鉑， 形成鉑_金屬硅化物，記為M卜,P^Si，其中，M為金屬，x《0. 5。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在步驟(1)沉積金屬或金屬_鉑合金 時，還加入第三金屬鎢和/或鉬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3之一所述的方法，其特征在于對襯底沉積金屬之前或之后注入 碳、氮、氧中的一種或幾種，碳、氮或氧的摻入量為1X1015 1X10"/cm—2硅襯底面積。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4之一所述的方法，其特征在于所述的襯底材料還采用鍺化硅、 鍺、絕緣層上硅或絕緣層上鍺。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種形成超薄可控的金屬硅化物的方法。該方法包括在硅襯底上沉積金屬層，金屬層向硅襯底擴(kuò)散，除去硅襯底表面剩余金屬，退火，形成金屬硅化物薄層等步驟，沉積的金屬包括鎳、鈷、鈦或鉑等。沉積金屬時還可以摻入鉑、鎢或鉬等。硅襯底中還可以摻入適量碳、氮或氧等。本發(fā)明可通過控制襯底溫度，硅襯底的離子注入預(yù)處理，沉積、擴(kuò)散和退火重復(fù)次數(shù)等手段控制金屬硅化物最終厚度。本發(fā)明方法制備的金屬硅化物層熱穩(wěn)定性高，且生長速度可控。本發(fā)明可以用來形成金屬-半導(dǎo)體肖特基結(jié)，也可用于在高摻雜的半導(dǎo)體上形成金屬和半導(dǎo)體之間的歐姆接觸。
文檔編號H01L21/02GK101764058SQ200910247379
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者仇志軍, 吳東平, 張世理, 樸穎華, 羅軍, 葛亮 申請人:復(fù)旦大學(xué)