激光退火形成Ni(Pt)Si薄膜研究

【摘要】：随着互补金属-氧化物.半导体(CMOS)场效应晶体管的特征尺寸不断减小,晶体管上的源漏栅区硅(含多晶硅)和互连金属接触的金属硅化物层也不断的缩小和减薄。依靠常规卤钨灯加热的快速热处理(RTP)退火工艺形成超薄金属硅化物层越来越难。与常规RTP退火相比,激光退火(LSA)具有退火时间短、热预算控制好等优点,并开始在研究机构和部分晶圆代工厂得到逐步应用。但作为一种不同于常规RTP退火工艺的超短时间的高度非平衡热处理工艺,LSA工艺本身仍有很多未知的规律尚待探讨。本文分三部分对LSA形成Ni(Pt)Si薄膜进行了研究。1.不同厚度Ni(Pt)膜在多种Si衬底上激光退火硅化反应特性研究：采用标准40nm CMOS工艺制备样品。在多种Si衬底上(P+/N结型衬底、N+/P结型衬底、P+POLY衬底、N+POLY衬底)淀积不同厚度超薄Ni(Pt)金属膜,分别使用RTP技术和LSA技术生成金属硅化物。借助四探针法、微区拉曼、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等测试手段,研究了不同厚度Ni(Pt)膜硅化反应的物相变化规律；通过快速傅里叶红外变换术(FTIR)和四探针法,研究了未退火Ni膜的光学特性、电阻率与薄膜厚度之间的关系。实验发现,随着Ni(Pt)厚度的增加,LSA温度的提升,硅化物的薄层电阻变小,观测到NiSi的生成,但NiSi的形成温度强烈依赖衬底Si的类型。2.超薄Ni(Pt)激光退火成膜特性研究：50A超薄Ni(Pt)膜激光退火后,硅化物形成规律与常规RTP样品相反：越高的热预算反而得到越稳定的硅化物薄膜!实验表明,900度峰值LSA生成了高质量的NiSi,且NiSi/Si界面结合紧密平滑；而700度峰值LSA只生成了Ni2Si和NiSi的混合物,且硅化物和硅界面粗糙,尽管700度对50A超薄Ni(Pt)膜硅化反应来说已经算是很高的温度。此外,无论700度还是900度峰值的LSA都造成有源区/STI界面处存在过硅化现象。论文研究了造成这些现象的原因。3.LSA成膜的热稳定性研究：利用多种退火方式在多种Si衬底上形成硅化物。退火方式包含：单步LSA、LSA1+RTP2、RTP1+LSA2、RTP1+RTP2。通过对比分析,确定了电阻适中、物相正确、无明显过硅化的适合实际器件的退火条件,即RTP1+LSA2的方式。研究发现经过LSA成膜,硅化物薄膜的热稳定性提高。论文从应力变化和Pt的再分布角度提出了热稳定性增强的模型。