14-16nm及以來CMOS技術節(jié)點源漏半導體材料的研究.pdf

1、在過去的幾十年中，集成電路一直按照摩爾定律所預言的趨勢快速地發(fā)展。但是摩爾定律早在1965就出現(xiàn)了，其基本的表述為:一個芯片上的晶體管數(shù)目每兩年就會翻一番。集成電路的飛速發(fā)展主要是通過不斷縮小MOSFETs器件的物理尺寸而實現(xiàn)的。器件尺寸的縮小所帶來的好處主要有:(1)使器件變得更小降低了生產(chǎn)成本;(2)不僅可以降低器件的能耗而且提高了器件的速率;(3)可以在有限的硅片區(qū)域內集成更多的晶體管實現(xiàn)更多的功能。但是隨著器件尺寸的縮小尤其是在

2、亞30nm以下，單純的特征尺寸的減小已經(jīng)不能大幅度的提高器件的性能，相反由于尺寸的縮小（特別是源漏之間距離的縮?。┒殡S產(chǎn)生了一些負面效應:如短溝道效應和源漏接觸電阻的增大。另外，柵介質層的厚度是一個表征器件尺寸縮小能力的重要因素。柵介質層厚度的減小不僅可以增加柵極對溝道的控制力而且還可以提高器件在導通時的電流。然而，當柵介質(SiO2)厚度減小到其物理極限時(＜2nm)便會由于量子隧穿效應而出現(xiàn)嚴重的漏電流。因此，對于Si器件來說，隨

3、著器件尺寸的縮小，其發(fā)展已經(jīng)走到了物理的極限，提高MOSFETs器件的性能正面臨著種種挑戰(zhàn)。為了解決以上Si器件所面臨的難題，新的器件結構和具有較高載流子遷移率的半導體材料越來越受到人們的關注，尤其是近些年來對新源漏半導體材料如SiGe、Ge和GeSn的研究和應用。與Si材料相比，這些新半導體材料具有諸多優(yōu)點如具有較高的載流子遷移率和與基本的Si集成電路工藝相兼容的特性。這些材料主要應用在以下幾個方面:(1)如在器件的源漏端外延一層鍺硅

4、，其目的是向溝道內施加應力來提高載流子遷移率從而提高器件的性能;(2)由于SiGe和Ge具有較高的電子和空穴遷移率，采用半導體SiGe和Ge取代Si作為MOSFETs器件的溝道材料提高溝道內載流子遷移率;(3)由于GeSn具有比Ge更大的晶格參數(shù)，GeSn常被應用在Ge溝道器件的源漏端向溝道提供一定的應力來提高空穴的遷移率;同時，GeSn是直接帶隙的半導體材料，在光電器件領域具有特別的優(yōu)勢。在基于以上半導體材料的器件中，源漏端材料的金屬

5、化過程是降低器件寄生串聯(lián)電阻不可缺少的制造工藝。但是這些材料所形成的金屬化物如NiSiGe、NiGe和NiGeSn在金屬化過程中卻遇到了很多挑戰(zhàn)，如這些金屬化物熱穩(wěn)定性差。在MOS器件的后端高溫處理工藝中，形成的金屬化物薄膜由于熱穩(wěn)定差經(jīng)常會出現(xiàn)嚴重團聚的現(xiàn)象，造成金屬與半導體之間的界面形貌退化，并最終導致漏電流產(chǎn)生。同時，金屬與半導體界面形貌變差也會進一步增加兩者之間的接觸電阻。
　　本文的主要工作便是針對以上材料的金屬化物存在

6、熱穩(wěn)定性差及接觸電阻較大的問題進行研究，對NiSiGe、NiGe和NiGeSn三種重要的金屬化物特性進行了詳細的分析，并在此基礎上提出了有效地解決方案。作者完成的主要工作如下:
　?。ㄒ唬┍菊撐牡谝淮翁岢隽岁P于Pt在Ni與SiGe襯底固相反應中的物理擴散模型。
　　在原有的兩步退火工藝基礎上，通過采用不同的RTA1退火溫度及相同的RTA2退火溫度的分片方案確定了最佳的RTA1退火溫度。然后，采用經(jīng)過優(yōu)化的RTA1工藝條件和不

7、同的RTA2退火溫度找到了最佳RTA2的退火溫度。通過對不同溫度下形成Ni(Pt)SiGe薄膜方塊電阻的監(jiān)測確定了最優(yōu)化的工藝條件:RTA1，300℃/60s;RTA2，400℃/30s。
　　為了進一步研究所形成薄膜的特性，對其進行了一系列表征。通過XRD衍射分析測定了薄膜的物相組成及結晶質量，從側面驗證了所確定的優(yōu)化的兩步退火工藝條件的合理性。利用TEM檢測觀察到了所形成的Ni(Pt)SiGe薄膜的截面微觀形貌，對薄膜的結晶質

8、量有了更直觀的認識。同時，論文中利用X射線能量散射分析(EDX)對薄膜中Pt、Ni、Si和Ge等元素進行了線性掃描和面掃描，確定了Pt在Ni(Pt)SiGe中的具體分布情況。在此基礎上，根據(jù)Pt在薄膜中的分布第一次創(chuàng)新性的提出Pt在Ni與SiGe固相反應中的擴散與再分布模型。通過該擴散模型詳細的分析了Pt在兩步退火過程中的擴散機理及出現(xiàn)再分布的原因。
　　（二）本論文首次提出在Ge襯底中注C來提高NiGe薄膜熱穩(wěn)定性的方法并分別分

9、析了C對n-型及p-型雜質離子的影響。
　　本部分實驗主要是利用未注C和注C樣品之間及不同C注入劑量的樣品之間的對比來系統(tǒng)的研究C對NiGe熱穩(wěn)定性的影響。通過監(jiān)測不同退火溫度下形成的NiGe薄膜的方塊電阻發(fā)現(xiàn)注C的NiGe樣品熱穩(wěn)定性有了很大的提高。然而，注CNiGe樣品的方塊電阻阻值均大于未注C樣品的方塊電阻阻值，且方塊電阻隨著C注入劑量的增加而變大。利用XRD衍射測試了所形成的NiGe的薄膜的物相及結晶質量。與未注C的樣品相

10、比，注C的NiGe樣品在結晶方向上出現(xiàn)了某些擇優(yōu)取向。經(jīng)過SEM和TEM觀測對形成的NiGe薄膜表面及截面形貌有了更加深入的了解。對無論是在本征Ge上還是n(p)-Ge上形成的NiGe來說，經(jīng)過C注入的NiGe樣品熱穩(wěn)定均得到了很大的改善。為了分析C提高NiGe熱穩(wěn)定性的原因，利用二次離子質譜分析(SIMS)的方法測試得到了C在NiGe薄膜中的分布情況。SIMS結果顯示C原子均勻的分布在NiGe薄膜中和NiGe/Ge界面處。由于C在Ni

11、Ge中的固溶度很?。ㄒ话悖?％）尤其是在高溫下，C原子應該傾向于在NiGe晶粒晶界處產(chǎn)生分凝。基于對以上結果的討論從不同的角度分析了C可以提高NiGe熱穩(wěn)定性的原因。首先，從熱力學角度而言，在NiGe晶粒晶界和NiGe/Ge界面處分凝的C原子會降低相應的晶界和界面能，從而達到穩(wěn)定NiGe薄膜的目的;其次，從動力學角度分析，堆積在NiGe晶粒晶界和NiGe/Ge界面處的C原子可以導致Ni和Ge沿晶粒晶界和界面處擴散速率的降低，從而升高了N

12、iGe發(fā)生團聚的溫度。
　?。ㄈ┍菊撐难芯苛薈對Ge襯底中n-型和p-型雜質離子的影響，并發(fā)現(xiàn)n-型或p-型雜質離子在NiGe/Ge界面處出現(xiàn)分凝的現(xiàn)象，說明C的存在抑制了摻雜離子的擴散。
　　首先，C對n-型雜質離子磷(P)的影響。通過SIMS元素分布分析測試了P在NiGe薄膜中的深度分布信息。與未注C樣品相比較，注C的NiGe樣品其P元素在NiGe/Ge界面處出現(xiàn)了堆積，表明P在界面處出現(xiàn)了分凝。在此基礎上分析得到了出

13、現(xiàn)分凝現(xiàn)象的原因。由于P在Ge中擴散的主要載體是P與晶格中的空穴(Vacancy)結合形成的(PV)-團簇。當C原子存在時，C原子會與(PV)團簇結合形成穩(wěn)定的C-P-V團簇，降低了(PV)-團簇的數(shù)量，從而抑制了P的擴散導致P在NiGe/Ge界面處產(chǎn)生分凝。P在界面處的分凝將有利于進一步降低Ge-nMOSFETs器件源漏端的接觸電阻，提高器件的性能。
　　其次，研究了C對p-型雜質離子硼(B)的影響。本文利用SIMS元素分析的方

14、法測試了B元素在NiGe薄膜中的深度分布信息。SIMS結果顯示在注C的樣品中B在NiGe/Ge界面處出現(xiàn)了很強的元素信號峰，表明大量的B在界面處出現(xiàn)了分凝。然而在未注C樣品的NiGe/Ge界面處沒有出現(xiàn)B分凝的現(xiàn)象。通過對SIMS結果的分析找到了C導致B在界面處分凝的原因。B在Ge中主要是通過B和填隙原子(interstitial)形成的B-I對來進行擴散的。當C原子出現(xiàn)時，C便會首先與填隙原子反應生成C-I對，從而降低了填隙原子的濃度

15、，抑制了B-I對的形成，并最終阻礙了B的擴散。B在NiGe/Ge界面處的堆積有助于減小Ge-pMOSFETs器件源漏端的接觸電阻。
　?。ㄋ模┍菊撐氖状翁岢霾Ⅱ炞C了注C對提高NiGeSn穩(wěn)定性的影響，并詳細的分析了熱穩(wěn)定得到提高的原因。
　　本文采用不同注C劑量的樣品在不同溫度下退火的實驗方案系統(tǒng)的研究了C對NiGeSn薄膜熱穩(wěn)定性的影響。根據(jù)測試得到的方塊電阻數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)過注C的NiGeSn熱穩(wěn)定性有了很大的提高。與Ni

16、Ge的情況相似，方塊電阻也是隨著C的含量的增加而增大。在XRD衍射測試中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過注C的樣品在NiGeSn結晶時出現(xiàn)了某些擇優(yōu)取向。另外借助SEM和TEM觀測進一步證明了注C可以改善NiGeSn熱穩(wěn)定性的結論。在此基礎上進一步研究了注C改善NiGeSn熱穩(wěn)定性的機理。利用SIMS元素深度分布分析發(fā)現(xiàn)C均勻分布在NiGeSn薄膜中并在NiGeSn/GeSn界面處出現(xiàn)堆積。由于C在NiGeSn中固溶度極小的限制，C應該傾向于在NiGeSn晶

17、粒晶界和NiGeSn/GeSn界面處產(chǎn)生分凝。正是C原子在晶界和界面處的堆積調節(jié)并降低了相應的晶界能和界面能，從而使NiGeSn變得更加穩(wěn)定。另一方面，C在晶界和界面處的分凝降低了原子在晶界和界面的擴散速率，抑制了Ni和Ge等元素的擴散。NiGeSn熱穩(wěn)定性的提高對減小GeSn-MOEFETS器件源漏接觸電阻具有重要的意義。
　　通過本論文系統(tǒng)的研究工作，作者找到了一種新的更加有效地提高源漏區(qū)域金屬化物薄膜熱穩(wěn)定性的方法，有利于降