自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，通過兩步退火工藝，并在第一次退火工藝中引入氫的同位素氣體，利用氫的同位素氣體與氣氛中的微量氧氣發(fā)生反應(yīng)來消除氧氣，防止Ni等金屬層被氧化，從而減少或避免金屬硅化物的表面缺陷(如金字塔狀)，形成形貌平整和均勻性良好的金屬硅化物；引入的氫的同位素氣體中該同位素原子能進入到金屬硅化物和硅襯底的界面處，并與Si結(jié)合成新的難以斷裂的鍵，從而修復(fù)和減少界面處的缺陷，改善界面態(tài)(Dit)。
【專利說明】自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體制造技術(shù)中，金屬硅化物由于具有較低的電阻率且和其他材料具有很好 的粘合性而被廣泛應(yīng)用于源/漏接觸和柵極接觸來降低接觸電阻。高熔點的金屬與硅發(fā)生 反應(yīng)生成金屬硅化物，通過一步或者多步退火工藝可以形成低電阻率的金屬硅化物。早期 的TiSi 2由于其窄線條效應(yīng)已經(jīng)不適用于0. 18um的技術(shù)，被CoSi2取代。CoSi2B成相同 厚度的硅化物需要消耗更多的多晶硅或硅襯底，已經(jīng)不能滿足源漏淺結(jié)及超淺結(jié)的需求； CoSi2在低于45納米的多晶硅線條上表現(xiàn)出明顯的窄線條效應(yīng)；在45納米及以下的技術(shù) 中，由于熱預(yù)算的考量，CoSi 2的形成溫度（RTP2的工藝溫度范圍為600°C?800°C )也不能 滿足器件需求。隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，特別是在45nm及其以下技術(shù)節(jié)點，為了獲得 更低的接觸電阻，鎳及鎳的合金成為形成金屬硅化物的主要材料。
[0003] 與TiSijP CoSi2相比，NiSi具有以下的優(yōu)點：1)硅化工藝溫度低（350°C? 750°C ) ;2)硅消耗量低（形成1納米NiSi僅消耗0. 83納米Si) ;3)尚未發(fā)現(xiàn)NiSi方塊電 阻隨線條減小而變大；4)可以在較低的溫度下與鍺硅材料形成低阻值的硅化物。與TiSi2 和CoSi2相似的地方是NiSi也采用兩步RTP的工藝：首先在較低的溫度下（220°C?300°C) 和N 2氛圍中進行第一步退火，通過Ni的擴散，生成主要以Ni2Si和NiSi共存的硅化物；然 后通過選擇性刻蝕去除側(cè)墻上未反應(yīng)的Ni或NiPt，在較高的溫度下（350°C?750°C )和隊 氛圍中進行第二步退火，在源漏和柵極生成NiSi。
[0004] 在已經(jīng)公開的申請?zhí)枮?00780015617. 9的中國專利申請中公開了一種自對準(zhǔn)金 屬娃化物（Salicide, self-aligned silicide)的形成方法，該方法選擇鎳合金作為形成金 屬硅化物的材料。圖1至圖3給出了該方法形成自對準(zhǔn)硅化物各階段的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0005] 如圖1所示，首先提供半導(dǎo)體基底100,所述半導(dǎo)體基底100內(nèi)形成有多個MOS晶 體管（圖1中僅以一個MOS晶體管為例），相鄰的MOS晶體管之間形成有隔離區(qū)110,所述 隔離區(qū)110內(nèi)填充有絕緣材料；所述MOS晶體管包括：形成在半導(dǎo)體基底100上的柵介質(zhì) 層104,在所述柵介質(zhì)層104上形成的柵電極103,在所述柵電極103及柵介質(zhì)層104的兩 側(cè)形成的側(cè)墻105,所述柵電極103兩側(cè)半導(dǎo)體基底100內(nèi)形成的源極101和漏極102。
[0006] 如圖2所不，在所述半導(dǎo)體基底100的表面形成金屬層106,所述金屬層106覆蓋 所述源極101、漏極102、柵極103和側(cè)墻105,所述金屬層106的材料為鎳鉬合金。進一步 地，可以在金屬層106上形成保護層107,所述保護層107的材料為氮化鈦（TiN)，用來防止 金屬層106被氧化，保護層107的形成是可選的，可以被忽略。
[0007] 如圖3所示，對所述半導(dǎo)體基底100進行退火工藝，通過退火，所述源極101、漏極 102、柵極103表面上的金屬層106材料與所述源極101、漏極102和柵極103中的硅材料發(fā) 生反應(yīng)生成金屬硅化物層，分別為l〇la、102a、103a。之后通過選擇性刻蝕將沒有發(fā)生反應(yīng) 的金屬層106去除，使得形成的金屬硅化物層101a、102a、103a暴露在所述半導(dǎo)體基底100 的表面。
[0008] 在自對準(zhǔn)金屬硅化物的制造工藝中，形貌平整和均勻性良好的金屬硅化物不僅有 利于降低接觸電阻和串聯(lián)電阻，而且有利于提高器件的可靠性。通過上述現(xiàn)有制造工藝獲 得的自對準(zhǔn)金屬硅化物，雖然通過氮化鈦等保護層可以在一定程度上防止金屬層被氧化， 但工藝過程中仍不可避免反應(yīng)氛圍中微量氧氣接觸到金屬，并使其被氧化，造成金屬硅化 物形貌缺陷（如金字塔狀），影響表面均勻性。
[0009] 另一方面，NBTI (負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性，Negative Bias Temperature Instability)是半導(dǎo)體器件的一項重要指標(biāo)。現(xiàn)有制造工藝中，金屬娃化物與娃襯底的界 面存在大量的空穴缺陷以及Si-H鍵，在進行NBTI測試時，Si-H鍵受熱激發(fā)而斷裂，形成Si 懸掛鍵，H原子之間結(jié)合并以氫氣形式釋放，進一步形成空穴缺陷，引起閾值電壓的負(fù)向漂 移，使得器件的NBTI性能較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方 法，以降低金屬硅化物的缺陷，可以得到形貌平整且均勻性良好的金屬硅化物，同時，本發(fā) 明還可以改善金屬硅化物與硅之間的界面，提高NBTI性能。
[0011] 本發(fā)明提供的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其包括以下步驟：
[0012] 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面至少有一硅區(qū)域；
[0013] 在所述硅區(qū)域的表面形成金屬層；
[0014] 在含有氫的同位素氣體的氣氛下進行第一次退火工藝，在所述金屬層和與之相接 觸的娃區(qū)域表面的娃結(jié)合形成第一金屬娃化物層的同時，所述氫的同位素氣體與氣氛中存 在的氧氣結(jié)合以消除反應(yīng)氛圍中的氧氣，并且在形成的所述第一金屬硅化物層和硅區(qū)域之 間界面處具有Si懸掛鍵，所述氫的同位素氣體的原子X還與Si懸掛鍵相結(jié)合，形成Si-X 鍵；
[0015] 去除未反應(yīng)的金屬層后，進行第二次退火工藝，使得所述第一金屬硅化物層形成 第二金屬娃化物層。
[0016] 進一步地，所述氫的同位素氣體為気氣、氣氣或氣氣。優(yōu)選氣氣（D2)。
[0017] 進一步地，第一次退火工藝中氫的同位素氣體在氣氛中的體積百分含量為 1-50%。
[0018] 進一步地，第一次退火工藝中載氣的流量為5-30slm(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)升），氫的同位 素氣體在氣氛中的體積百分含量為2-10%。
[0019] 進一步地，第一次退火工藝中氣氛的載氣選自氮氣、氦氣或氦氣，退火工藝選自恒 溫退火工藝、尖峰退火工藝、閃光退火工藝或激光退火工藝中的一種。
[0020] 進一步地，第二次退火工藝中氣氛的載氣選自氮氣、氦氣或氬氣，退火工藝選自恒 溫退火工藝、尖峰退火工藝、閃光退火工藝或激光退火工藝中的一種。
[0021] 進一步地，所述第一金屬硅化物層含高阻相硅化物，所述第二金屬硅化物層為低 阻相硅化物。
[0022] 進一步地，所述金屬層為Ni。
[0023] 進一步地，所述金屬層還含有1-10%的NiPt。
[0024] 進一步地，所述第一金屬硅化物層含有NiSi和Ni2Si，所述第二金屬硅化物層含有 NiSi0
[0025] 進一步地，第一次退火工藝之前還包括在所述金屬層上形成保護層，第二次退火 工藝之前還包括去除所述保護層。
[0026] 進一步地，所述保護層為Ti或TiN。
[0027] 進一步地，所述硅區(qū)域為柵極及其兩側(cè)的源漏區(qū)。
[0028] 進一步地，第二次退火工藝也在含有氫的同位素氣體的氣氛下進行。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0030] 本發(fā)明的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，通過在第一次退火工藝中引入氫的同位 素氣體，如氘氣，利用其與氣氛中的微量氧氣發(fā)生反應(yīng)來消除氧氣，防止Ni等金屬層被氧 化，從而減少或避免金屬硅化物的表面缺陷（如金字塔狀），形成形貌平整和均勻性良好的 金屬硅化物；引入的氫的同位素氣體中該同位素原子，如D原子，能進入到金屬硅化物和硅 襯底的界面處，與Si懸掛鍵形成Si-D鍵，或取代已存在的Si-H鍵形成Si-D鍵，從而修復(fù) 和減少界面處的缺陷，改善界面態(tài)（Dit);形成的Si-D鍵鍵能大于Si-H鍵，難于斷裂，可以 提高器件的NBTI性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實 施例進行詳細描述，其中：
[0032] 圖1至圖3是現(xiàn)有技術(shù)的自對準(zhǔn)金屬硅化物形成方法的各步驟剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4至圖6是本發(fā)明實施例的自對準(zhǔn)金屬硅化物形成方法的各步驟剖面結(jié)構(gòu)示意 圖。

【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明的實施例以現(xiàn)有常用的Ni作為形成金屬硅化物的材料，并以兩步退火工 藝為基礎(chǔ)，結(jié)合圖4至圖5,詳細詮釋本發(fā)明的技術(shù)方案的改進之處，但是本發(fā)明的技術(shù)方 案并不受此限制。
[0035] 本實施例的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，包括以下步驟：
[0036] 步驟1，如圖4所示，提供半導(dǎo)體襯底11，襯底11表面具有一硅區(qū)域，硅區(qū)域包括 MOS晶體管的柵極12和柵極12兩側(cè)襯底11內(nèi)形成的源區(qū)13和漏區(qū)14。柵極12包括柵 介質(zhì)層121、柵電極層122以及柵介質(zhì)層和柵電極層兩側(cè)形成的側(cè)墻123。
[0037] 在進行金屬層沉積之前，較佳地先對硅片進行預(yù)清洗，以使得需要形成所述硅區(qū) 域的表面沒有雜質(zhì)或者氧化膜，避免影響形成金屬層和金屬硅化物層的質(zhì)量。預(yù)清洗可采 用稀釋的氫氟酸等。
[0038] 步驟2,如圖5所示，在所述硅區(qū)域的表面上形成Ni層15, Ni層15覆蓋柵極12、 源區(qū)13和漏區(qū)14,使得柵極和源漏區(qū)的表面與金屬Ni相接觸，Ni層15的厚度為100A。其 中，Ni層15中較佳地含有5%的NiPt，鎳鉬合金的存在可以使得后續(xù)形成金屬硅化物的過 程中，鎳硅化物形成地更加致密、均勻，NiPt是可選的，含量可以為1-10%。本步驟采用本 領(lǐng)域常規(guī)的沉積工藝，如化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積等，厚度可以是50-200A。在其他實 施例中，金屬層中的Ni也可以由Er、Yb、Pt、Ti或Co中的一種的金屬或合金代替，隨后生 成的第一金屬娃化物層含高阻相娃化物，第二金屬娃化物層為低阻相娃化物。
[0039] 較佳地，在Ni層上還可沉積形成一層保護層，如Ti或TiN，以保護Ni層在后續(xù)工 藝過程中表面不被氧化，其厚度可以為30A,。形成保護層的工藝也可以為本領(lǐng)域常規(guī)的化 學(xué)氣相沉積工藝或物理氣相沉積工藝。保護層在后續(xù)退火工藝中不參與反應(yīng)，并可在去除 多余的Ni層時一并被去除。
[0040] 后續(xù)進行退火工藝，本實施例采用兩次退火：低溫快速退火工藝（RTPl)以及高溫 快速退火工藝（RTP2)。以下詳細說明：
[0041] 步驟3,如圖6所示，在含有氘氣的氣氛下進行第一次退火工藝，使得Ni層15和與 之相接觸的柵極和源漏區(qū)表面的娃結(jié)合形成第一金屬娃化物層16。所述第一金屬娃化物 層16含有NiSi和Ni 2Si等富鎳相硅化物。本步驟的氣氛中引入了氘氣，利用氘氣與氣氛 中的微量氧氣發(fā)生反應(yīng)來消除氧氣，防止Ni金屬被氧化，從而減少或避免形成的第一金屬 硅化物層的表面缺陷（如金字塔狀），形成形貌平整和均勻性良好的第一金屬硅化物層；弓丨 入的氘氣中D原子能進入到第一金屬硅化物層和柵極等硅區(qū)域的界面處，與Si的懸掛鍵形 成Si-D鍵，也可取代已存在的Si-H鍵形成Si-D鍵，從而修復(fù)和減少界面處的缺陷，改善界 面態(tài)（Dit);形成的Si-D鍵鍵能大于Si-H鍵，在NBTI測試中更難于斷裂，可以提高器件的 NBTI性能。
[0042] 本實施例提供的是一種具有柵極的半導(dǎo)體器件，柵極下方存在柵氧與硅襯底的 Si/Si02界面，該界面處也存在空穴和Si-H鍵，本實施例氘氣中的D原子也可進入該界面 處，并與Si懸掛鍵形成Si-D鍵，或取代Si-H鍵形成Si-H鍵，從而改善Si/Si0 2的界面態(tài)。
[0043] 本步驟氣氛中的載氣為氮氣，工藝過程中氘氣的流量為2slm，氮氣的流量為 15slm，氘氣在氣氛中的體積百分含量為11.76%。實際應(yīng)用中，載氣和氘氣可由各自的管 道通入反應(yīng)爐管內(nèi)，其中，載氣的流量較佳地為5-30slm，氘氣在整個氣氛中的體積百分含 量較佳地為1-50%，更佳地為2-10%，最優(yōu)5%左右，少則達不到效果，多則造成浪費。在 其它實施例中，引入的氣體還可以是氫的其他同位素氣體，如氕氣、氚氣，但優(yōu)選氘氣，其與 Si形成的Si-D鍵比氕氣更強、更難于斷裂，且其比氚氣更易獲得，成本也更低；載氣還可以 是氦氣、氬氣等惰性氣體。本步驟采用低溫快速退火工藝，退火溫度一般在220-300°C范圍 內(nèi)，本實施例中為290°C，退火時間一般在3-120s，本實施例中為25s。
[0044] 步驟4,通過選擇性刻蝕，去除未反應(yīng)的Ni層15,防止其在第二次退火時繼續(xù)與硅 區(qū)域反應(yīng)。之后，進行第二次退火工藝，使得第一金屬硅化物層16形成第二金屬硅化物層， 即使富鎳相硅化物相變成單鎳相硅化物NiSi，所述第二金屬硅化物層即為NiSi。
[0045] 本步驟氣氛中的載氣為氮氣,工藝過程中氮氣的流量為15slm。實際應(yīng)用中，載氣 的流量較佳地為5-30slm。在其他實施例中，載氣還可以是氦氣、氬氣等惰性氣體。本步驟 采用高溫快速退火工藝，退火溫度一般在350-750°C范圍內(nèi)，本實施例中為390°C，退火時 間一般在3-120s，本實施例中為25s。
[0046] 本實施例中的第一次退火工藝采用恒溫退火工藝，在其他實施例中，還可采用其 他退火工藝，如尖峰退火工藝、閃光退火工藝或激光退火工藝中的一種。其中，采用尖峰退 火工藝時，退火溫度為300-400°C，退火時間為1. 5-2秒；采用閃光退火工藝時，退火溫度為 400-650°C，退火時間為3-100毫秒；采用激光退火工藝時，退火溫度為500-700°C，退火時 間為0. 25-l. 6暈秒。
[0047] 本實施例中的第二次退火工藝采用恒溫退火工藝，在其他實施例中，還可采用其 他退火工藝，如尖峰退火工藝、閃光退火工藝或激光退火工藝中的一種。其中，采用尖峰退 火工藝時，退火溫度為500-800°C，退火時間為1. 5-2秒；采用閃光退火工藝時，退火溫度為 700-850°C，退火時間為3-100毫秒；采用激光退火工藝時，退火溫度為750-900°C，退火時 間為0. 25-1. 6暈秒。
[0048] 優(yōu)選的，在其他實施例中，第二次退火工藝也在含有氫的同位素氣體的氣氛下進 行，可以防止生成的金屬硅化物被氧化，并進一步改善界面態(tài)。
【權(quán)利要求】
1. 一種自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于，其包括以下步驟： 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底表面至少有一硅區(qū)域； 在所述硅區(qū)域的表面形成金屬層； 在含有氫的同位素氣體的氣氛下進行第一次退火工藝，在所述金屬層和與之相接觸的 娃區(qū)域表面的娃結(jié)合形成第一金屬娃化物層的同時，所述氫的同位素氣體與氣氛中存在的 氧氣結(jié)合以消除反應(yīng)氛圍中的氧氣，并且在形成的所述第一金屬硅化物層和硅區(qū)域之間界 面處具有Si懸掛鍵，所述氫的同位素氣體的原子X還與Si懸掛鍵相結(jié)合，形成Si-X鍵； 去除未反應(yīng)的金屬層后，進行第二次退火工藝，使得所述第一金屬硅化物層形成第二 金屬娃化物層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：所述氫的同位 素氣體為氣氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退 火工藝中氫的同位素氣體在氣氛中的體積百分含量為1-50%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退火工 藝中載氣的流量為5-30slm，氫的同位素氣體在氣氛中的體積百分含量為2-10%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退火工 藝中氣氛的載氣選自氮氣、氦氣或氦氣，退火工藝選自恒溫退火工藝、尖峰退火工藝、閃光 退火工藝或激光退火工藝中的一種；第二次退火工藝中氣氛的載氣選自氮氣、氦氣或氦氣， 退火工藝選自恒溫退火工藝、尖峰退火工藝、閃光退火工藝或激光退火工藝中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：所述第一金屬 硅化物層含高阻相硅化物，所述第二金屬硅化物層為低阻相硅化物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：所述金屬層為 Ni,所述第一金屬硅化物層含NiSi和Ni2Si,所述第二金屬硅化物層為NiSi。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：所述金屬層還 含有 1-10%的 NiPt。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退火工 藝之前還包括在所述金屬層上形成保護層，第二次退火工藝之前還包括去除所述保護層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的自對準(zhǔn)金屬硅化物的形成方法，其特征在于：第 二次退火工藝也在含有氫的同位素氣體的氣氛下進行。
【文檔編號】H01L21/28GK104319236SQ201410624243
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】肖天金 申請人:上海華力微電子有限公司