專利名稱：等離子體退火形成硅化鎳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用等離子體工藝中的等離子體加熱這一特性進(jìn)行材料熱處理的方法，具體而言，涉及利用等離子體沉積過程中的等離子體加熱尤其是離子轟擊加熱進(jìn)行退火處理形成硅化鎳的方法，更具體而言，涉及一種在暴露的硅表面上形成低電阻硅化鎳的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件集成度的持續(xù)增加以及與這些器件相關(guān)的臨界尺寸的持續(xù)減小，人們的興趣越來越集中于以低電阻材料制造半導(dǎo)體器件從而保持或降低信號延遲。硅化物和自對準(zhǔn)硅化物材料及工藝已被廣泛用于降低CMOS器件的柵極導(dǎo)體和源極/漏極區(qū)的表面電阻和接觸電阻。
包括鎢、鉭、鋯、鈦、鉿、鉑、鈀、釩、鈮、鈷、鎳及這些金屬的各種合金在內(nèi)的諸多金屬已經(jīng)用于在半導(dǎo)體器件上形成硅化物層。然而，對于柵極長度小于約100nm的情況，傳統(tǒng)的自對準(zhǔn)硅化物工藝及材料傾向于存在開口、殘留雜質(zhì)、層內(nèi)不均勻等各種問題，而這些問題部分地源于硅化物材料層內(nèi)的結(jié)塊。絕大部分金屬與硅反應(yīng)從而形成所期望的硅化物層都需要進(jìn)行高溫退火處理，而高溫處理使得這些問題更加明顯。例如，在用鈷形成硅化物時，最初形成硅化鈷(CoSi)，但是隨著退火工藝的進(jìn)行，特別是在較高溫度下，硅化物傾向于包含越來越大量的硅，并且達(dá)到了一種更接近于二硅化鈷(CoSi2)的成分。然而，對于具有小于約100nm的柵極長度的器件而言，在傳統(tǒng)的Co自對準(zhǔn)硅化物工藝中使用的第二高溫硅化容易導(dǎo)致硅化物材料層內(nèi)的結(jié)塊，這增加了層內(nèi)不均勻的程度并容易使所得器件的性能退化。
鎳在形成所需硅化物時可以在相對低的溫度下進(jìn)行退火工藝，例如低于約550℃。依據(jù)反應(yīng)條件，鎳可以與硅反應(yīng)形成一硅化二鎳(Ni2Si)、硅化鎳(NiSi)或二硅化鎳(NiSi2)。使用高于約550℃的退火溫度容易增加電阻最大的二硅化鎳的形成，并相應(yīng)地增加硅的消耗，因此一般不采用。硅化鎳在三種鎳的硅化物中表現(xiàn)出最低的表面電阻，并且優(yōu)先在較低的溫度下形成。由于硅化溫度較低，NiSi表現(xiàn)出降低的結(jié)塊趨勢并且形成了其表面電阻通常與器件尺寸無關(guān)的硅化物層，這增加了其對于降低精細(xì)線條結(jié)構(gòu)的電阻的作用。因此，在65nm及以下的技術(shù)節(jié)點中，可望將硅化鎳用于柵長度為65nm及以下的CMOS器件。硅化鎳具有比硅化鈷和硅化鈦低的電阻，并且不表現(xiàn)出類似于硅化鈷和硅化鈦對30nm窄的線寬度的線寬度依賴性。
形成硅化鎳的傳統(tǒng)工藝通常包括以下步驟對暴露的硅表面進(jìn)行預(yù)清洗，除去自然氧化物；在清洗后的硅表面上沉積鎳或鎳合金；在第一溫度(約250-300℃)下進(jìn)行低溫快速熱處理，使鎳或鎳合金的至少一部分與硅反應(yīng)，以形成高電阻硅化鎳；移除未反應(yīng)的鎳或鎳合金；和在第二溫度(約500℃)下進(jìn)行熱退火處理，使所述高電阻硅化鎳轉(zhuǎn)化為低電阻硅化鎳。傳統(tǒng)工藝流程如圖1所示?？梢姡趥鹘y(tǒng)方法中需要分別進(jìn)行兩次退火步驟，不但耗時，而且增加了成本。(參見中國專利200310120207.4和國際公布WO2002/047145)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種利用等離子體退火處理在暴露的硅表面上形成低電阻硅化鎳的方法，包括以下步驟(1)對暴露的硅表面進(jìn)行預(yù)清洗，除去自然氧化物；(2)在清洗后的硅表面上沉積鎳或鎳合金，同時利用等離子體加熱至第一溫度下使鎳或鎳合金的至少一部分與硅反應(yīng)，以形成高電阻硅化鎳；(3)移除未反應(yīng)的鎳或鎳合金；和(4)在第二溫度下進(jìn)行熱退火處理，使所述高電阻硅化鎳轉(zhuǎn)化為低電阻硅化鎳。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中所述預(yù)清洗除去自然氧化物的步驟可以例如通過利用氬等離子體濺射移除厚度為20-100的硅表面層來完成。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中所述鎳或鎳合金通過物理氣相沉積(PVD)法沉積在清洗后的硅表面上，也可以通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的任意其他沉積技術(shù)進(jìn)行沉積。
根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選利用等離子體技術(shù)中的離子轟擊加熱來達(dá)到第一溫度。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中所述第一溫度通過調(diào)整等離子體產(chǎn)生條件而達(dá)到200-450℃，優(yōu)選為250-300℃，所述等離子體產(chǎn)生條件包括等離子體組成、等離子體功率、偏壓和氣壓。
根據(jù)本發(fā)明的方法，移除未反應(yīng)的鎳或鎳合金可以通過例如選擇性濕法蝕刻來進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中所述第二溫度在400-600℃、優(yōu)選450-500℃的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中所述高電阻硅化鎳為Ni3Si和Ni2Si中的至少一種，所述低電阻硅化鎳為NiSi。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中所述鎳合金是由鎳與包括鎢、鉭、鋯、鈦、鉿、鉑、鈀、釩、鈮、鈷的集合中的一種或多種金屬形成的合金。
因此，本發(fā)明方法的特征在于所述鎳或鎳合金的沉積與高電阻硅化鎳的形成同時進(jìn)行，并且所述高電阻硅化鎳的形成在所述鎳或鎳合金的沉積過程中通過等離子體退火處理來完成。
本發(fā)明的優(yōu)點在于在鎳或鎳合金的沉積過程中，可以通過調(diào)整等離子體產(chǎn)生條件將硅片溫度提高至200-450℃，優(yōu)選250-300℃。這樣，硅化鎳的形成可以在鎳的沉積過程中開始，并且不再需要第一次退火，這使得可以在一個步驟中完成鎳或鎳合金的沉積和硅化鎳的形成，從而簡化工藝過程，縮短工藝時間，降低工藝和設(shè)備成本。
等離子體加熱可以使得硅片溫度高達(dá)450℃，并且整個硅片上的溫度分布具有合理的均勻性，如圖2所示。優(yōu)選地，可以通過以不同方式改變等離子體產(chǎn)生條件來獲得所需溫度，例如，在偏壓保持500V、氣壓保持10毫托的情況下，在500W-2kW的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)RF線圈功率可以獲得200-450℃的溫度；在RF線圈功率保持2kW、氣壓保持10毫托的情況下，在100-500V的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)偏壓可以獲得50-450℃的溫度；在偏壓保持500V、RF線圈功率保持2kW的情況下，在5-50毫托的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣壓可以獲得450-50℃的溫度。此外，從圖2中可以看出，通過調(diào)整等離子體中Ar和O等離子體的組成比例也可以獲得100-450℃范圍內(nèi)的任意溫度。


圖1示出根據(jù)傳統(tǒng)方法形成硅化鎳的工藝流程。
圖2示出表明等離子體加熱可以使得晶片溫度高達(dá)450℃并具有合理的均勻性的模擬結(jié)果。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明利用等離子體加熱的自對準(zhǔn)硅化鎳的工藝流程。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不限于此。附圖中所示各個元件或組分的相對位置、間隔及尺寸均不是按比例給出的，而是為了更加清晰起見有選擇地進(jìn)行了放大、縮小或其他調(diào)整。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解，為了更加清晰和減少附圖的數(shù)量，已略去了包括例如光致抗蝕劑圖形和多重層金屬化結(jié)構(gòu)在內(nèi)的、可在半導(dǎo)體器件的制造中普遍或特別使用的某些層。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的形成硅化鎳的示例性方法按照以下步驟進(jìn)行。
首先，對暴露的硅表面進(jìn)行預(yù)清洗，除去自然氧化物。預(yù)清洗處理可以采用所有可以進(jìn)行硅表面預(yù)清洗的現(xiàn)有技術(shù)，例如利用氬等離子體濺射來移除20-100厚度的硅表面層來獲得清潔的硅表面。
隨后，在清洗后的硅表面上利用物理氣相沉積法(PVD)沉積鎳，同時通過改變等離子體產(chǎn)生條件，如RF線圈功率、偏壓、氣壓以及產(chǎn)生等離子體的源氣體如Ar和O2的組成比例等，使得硅片溫度達(dá)到250-300℃，在該溫度下，至少一部分鎳與硅反應(yīng)，形成Ni2Si。該步驟可以持續(xù)10秒至30分鐘或者更長時間。
接下來，選擇性濕法蝕刻以移除未反應(yīng)的鎳，例如可以使用包含硫酸、硝酸、磷酸、過氧化硫或過氧化氫的溶液來進(jìn)行移除。在該過程中，未反應(yīng)的鎳被移除，但在等離子體加熱過程中形成的Ni2Si不會被移除。
最后，在400-500℃的溫度下進(jìn)行快速熱退火處理，如利用激光退火、爐內(nèi)退火、電燈加熱退火或其他輻射式退火等工藝，使Ni2Si轉(zhuǎn)化為NiSi，從而在硅片上形成200厚度的NiSi。該步驟可以持續(xù)10秒至30分鐘或者更長時間。
需要說明的是，當(dāng)硅化鎳由單純的金屬鎳形成時，如果硅化物在后續(xù)工藝中暴露于高溫下或者硅化退火的過程延長或采用更高的溫度進(jìn)行硅化物的形成，那么硅化鎳易于轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮韪叩亩杌?，所以這些硅化鎳的使用僅限于較窄的工藝窗口。
因此，本發(fā)明的另一優(yōu)選方案是利用鎳合金代替鎳進(jìn)行硅化鎳的形成，所述鎳合金例如可以是由鎳與選自鎢、鉭、鋯、鈦、鉿、鉑、鈀、釩、鈮、鈷等中的一種或多種金屬形成的合金。重復(fù)前述實施方案的工藝步驟，可以得到具有較大的工藝窗口、改善的熱穩(wěn)定性和低電阻的硅化物層。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實施例具體示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以對本發(fā)明進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化而不會背離本發(fā)明的精神和范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍如所附權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求
1.一種在暴露的硅表面上形成低電阻硅化鎳的方法，包括對暴露的硅表面進(jìn)行預(yù)清洗，除去自然氧化物；在清洗后的硅表面上沉積鎳或鎳合金，同時利用等離子體加熱至第一溫度下使鎳或鎳合金的至少一部分與硅反應(yīng)，以形成高電阻硅化鎳；移除未反應(yīng)的鎳或鎳合金；和在第二溫度下進(jìn)行熱退火處理，使所述高電阻硅化鎳轉(zhuǎn)化為低電阻硅化鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述預(yù)清洗除去自然氧化物的步驟通過利用氬等離子體濺射移除厚度為20-100的硅表面層來完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述鎳或鎳合金通過物理氣相沉積法沉積在清洗后的硅表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中利用等離子體技術(shù)中的離子轟擊加熱來達(dá)到第一溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述第一溫度通過調(diào)整等離子體產(chǎn)生條件而達(dá)到200-450℃，所述等離子體產(chǎn)生條件包括等離子體組成、等離子體功率、偏壓和氣壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述第一溫度通過調(diào)整等離子體產(chǎn)生條件而達(dá)到250-300℃，所述等離子體產(chǎn)生條件包括等離子體組成、等離子體功率、偏壓和氣壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述第二溫度在400-600℃的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述第二溫度在450-500℃的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述高電阻硅化鎳為Ni3Si和Ni2Si中的至少一種，所述低電阻硅化鎳為NiSi。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的形成低電阻硅化鎳的方法，其中所述鎳合金是由鎳與包括鎢、鉭、鋯、鈦、鉿、鉑、鈀、釩、鈮、鈷的集合中的一種或多種金屬形成的合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用等離子體工藝中的等離子體加熱這一特性進(jìn)行材料熱處理的方法，具體而言，涉及利用等離子體沉積過程中的等離子體加熱進(jìn)行退火處理形成硅化鎳的方法，包括以下步驟對暴露的硅表面進(jìn)行預(yù)清洗，除去自然氧化物；在清洗后的硅表面上沉積鎳或鎳合金，同時利用等離子體加熱至第一溫度下使鎳或鎳合金的至少一部分與硅反應(yīng)，以形成高電阻硅化鎳；移除未反應(yīng)的鎳或鎳合金；和在第二溫度下進(jìn)行熱退火處理，使所述高電阻硅化鎳轉(zhuǎn)化為低電阻硅化鎳。本發(fā)明的方法中所述高電阻硅化鎳的形成在所述鎳或鎳合金的沉積過程中通過等離子體退火處理來完成，不再需要傳統(tǒng)工藝中的第一退火步驟，從而簡化工藝過程，縮短工藝時間，降低工藝和設(shè)備成本。
文檔編號H01L21/283GK101051611SQ200610025419
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者莫鴻翔, 吳漢明 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司