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标题: 退火修饰镍的硅化物保证等比例微缩的延续 [打印本页]

作者: 测试 时间: 2010-11-22 11:27
标题: 退火修饰镍的硅化物保证等比例微缩的延续
随着器件的不断等比例微缩，各种晶体管元件的距离和尺寸都越来越小，这为降低漏电流带来了很多集成挑战。镍硅化物（NiSi）接触层则特别关键，其原因是接触区域与源/漏扩展层(SDE)之间距离太短，增加了管状缺陷延伸并进入沟道的几率，结果会形成漏电通道并妨碍成品率（图1）.采用先进的退火技术已经被证明是有效并且低成本的方案，可以改进镍的硅化工艺，并且可以使等比例微缩的器件具有更低的漏电和更好的成品率。

图1. 晶体管尺寸的微缩对控制漏电的NiSi接触层提出了新的要求。

NiSi的作用是在晶体管源极与漏极区域和BEOL的钨金属接触孔之间提供低阻连接。等比例微缩NiSi接触的挑战包括：

• 控制镍的扩散以形成薄层。

• 优化硅化物-硅界面的形貌。

• 降低接触层的方块电阻。

• 避免降低成品率的管状缺陷。

• 控制NiSi聚成团簇。

目前已有多种技术用于抑制NiSi的管状缺陷。这包括可以在分步注入时降低缺陷的预非晶化注入（PAI），这些缺陷可以在退火阶段发展为管状缺陷。在注入时掺入氟和碳元素也可以控制注入损伤和扩散。采用氟元素进行干法刻蚀来清洁镍沉积之前的表面，这样可以清除表面沾污，而这些表面沾污会成为引发漏电缺陷的缺陷种子。

将沉积的镍与金属铂进行合金化可以在pFET区域有效地抑制针状缺陷，还可以抑制低阻态的NiSi发生相变转化为高阻态NiSi2或团聚为岛状团簇的可能性。

硅化工艺流程

图2. 在硅化工艺流程中修改退火工艺对优化薄膜质量非常关键。

图2所示为一个典型的硅化工艺流程。形成晶体管之后，需要清除表面的自建氧化层。沉积镍层之后通常与金属铂进行合金化。通常再覆盖一层TiN来防止氧化。之后采用30-60秒的低温退火（约300°C）将Ni/NiPt扩散到源、漏和栅极。这一步退火通常称为RTP-1.之后会形成含镍丰富的硅化物层，包含以Ni2Si为主的多种相。要形成均匀的硅化物，并在硅中扩散到合适的深度，那么这步工艺的温度控制非常关键。在RTP-1之后，第二次退火之前，会清除表面多余的Ni（Pt）。第二次退火中，Ni2Si会发生相变形成低阻态的NiSi，其厚度为原始Ni（Pt）层的2.2倍左右。第二次退火被称为RTP-2，一直都在较低的温度（约400°C）下进行。该温度恰好可以使Ni2Si转化为NiSi，而又避免了发生团聚或相变为不想要的NiSi2，该相的导电性能低于NiSi。

传统的镍硅化方法遇到的挑战

要获得很薄的NiSi层将会带来多重挑战。首先需要在非常平整的界面上进行扩散才能得到很薄的扩散层。由于NiSi的接触电阻随着层厚的降低而增加，因此需要界面的粗糙度尽量地来降低总体电阻。此外，接近晶体管的沟道则会增加漏电的可能性。

形成了NiSi层之后，晶体管内已经活化的掺杂像被“推到”了一边并失去活性，这会增加总的串联电阻。两次传统退火都无法提供足够的能量以活化这些被推在一起的掺杂元素。实际上，相变退火的温度甚至是某些其他掺杂元素开始失去活性的温度，这进一步增加了串联电阻。

残留的注入损伤可能会成为NiSi表面粗糙度一个来源，并会发展成伸出的管状缺陷。如果允许这样的缺陷自由发展，可能会带来严重的漏电和可靠性问题。典型的RTP-2退火可能会促进管状缺陷的形成。为了避免发生团聚现象，NiSi的工艺温度被限定在450°C以下，但这样的退火无法给掺杂提供足够的活化能量。

采用毫秒退火改善NiSi性能

为了不牺牲导电性能或成品率，而又可以获得更薄的硅化物层，需要同时修改RTP-1和RTP-2。RTP-1的保持温度被降低了，而RTP-2的温度保持则替换为毫秒退火（MSA）。

为了获得更薄的硅化物层，需要更好地控制界面平整度，这也是降低RTP-1保持温度的关键原因。

RTP-2采用了基于激光的热源，这样使硅化物在高温下保持时间不超过一毫秒，从而避免了管状缺陷的形成和生长。用MSA取代RTP-1中的温度保持也是可行的，目前正处在探索阶段，并得到了一些乐观的结果。

采用了MSA之后会带来多重好处。由于降低了暴露在高温下的时间，那么可以在更高的温度（约900°C）下使Ni2Si转变为NiSi，并且不会出现温度保持工艺中，发生团聚的情况（NiSi2）。这种高温是由极快的升温和降温速率实现的，也避免了传统温度保持引起的掺杂失去活化问题。此外，快速的高温工艺也避免了管状缺陷的生长和演变，这样就解决了漏电和成品率问题。

一次理想的毫秒温度过程包含三个主要因素（图3）。晶圆预热（需要在MSA之前进行）的温度不能太高以防止额外的扩散发生。理想的预热温度为100–250°。从预热温度到峰值温度的跳跃需要足够大，这样才能发生相变，并防止掺杂失去活性，并且不会引起晶圆翘曲或团聚现象。为了获得足够高的温度跳跃，需要采用局域加热手段，比如具有足够高功率的扫描激光退火。此外，很短的保持时间也可以降低热冲击并降低晶圆翘曲的可能。较短的保持时间还可以改进界面的平整度。从生产率的角度来看，毫秒退火也非常有吸引力。更短的保持时间意味着更高的吞吐率。

图3. 毫秒退火可以为优化镍的硅化工艺提供理想的温度曲线。

改善器件性能

已发表的结果显示，尽管更薄的硅化物层增加了电阻，但NMOS和PMOS晶体管的驱动电流都得到了改善（图4）。在这些结果中，RTP-1的保持温度降低了40°C，其保持时间从30秒增加到60秒。过去典型RTP-2的退火温度为450°C，而新工艺在250°C预热之后，进行850°C的毫秒激光退火。

图4. 采用毫秒退火和低温RTP-1温度保持后，增强的NiSi接触可以明显提高驱动电流。（来源：Chen等，UMC/应用材料，IEEE RTP 2009）

对NiSi退火的修改是一项很直接的集成方法改进，可以抑制影响成品率的管状缺陷并提高器件性能，从而保证了等比例微缩的继续进行。

Author Information

Jeremy Zelenko is global product manager for the Rapid Thermal Processing (RTP) Anneals division of Applied Materials' Silicon Systems Group. He has a BsC in materials science engineering from Ben Gurion University (Negev, Israel) and completed graduate studies in business at Bradford University's Executive program in Israel.

Shankar Muthukrishnan is an engineering manager with Applied's FEP group, managing all demo lab activities as well as customer process startups and customer process requests. He earned his M.S. degree in environmental engineering from Texas A&M University.

Karthik Raman Sharma is a customer applications technologist with the Anneals division of Applied Materials. He has a B.E. degree from Anna University (Chennai, India) and an M.S. in electrical engineering from the University of Texas, Arlington.

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