VLSI中常用金屬硅化物的研究.pdf

1、金屬硅化物(Silicide)已在集成電路工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用,特別是在現(xiàn)代MOS工藝中,隨著集成度的提高,線寬的縮小,對材料工藝也提出了更高的要求.本文提出微波等離子體退火方法來制備金屬硅化物,理論上引入凝聚態(tài)物理的第一性原理計算方法研究微電子領(lǐng)域中常用的金屬硅化物(TiSi<,2>、CoSi<,2>和NiSi<,2>),有利于了解C54和C49相TiSi<,2>、CoSi<,2>和NiSi<,2>的物理本質(zhì), 這些金屬硅化物是IC工

2、藝中常用的材料,對這些材料的深入了解對改善集成電路的質(zhì)量、提出新的設(shè)計理念都有重要的實用和理論意義.實驗和理論方面都獲得了有原創(chuàng)性的結(jié)果.第一性原理計算方法對 C49和C54相TiSi<,2>進行模擬,計算出晶格常數(shù)、原子結(jié)構(gòu)、形成能、電子態(tài)密度、Mulliken電荷、單晶體彈性模量和彈性常數(shù)、空位形成能、表面能、多晶的體彈性模量、剪切模量、楊氏模量和泊松比等,不僅對這兩種硅化物有進一步的了解,而且發(fā)現(xiàn)盡管兩種硅化物的形成能幾乎相等,但

3、C49相相比C54相TiSi<,2>各方面性質(zhì)較"軟",如結(jié)構(gòu)對稱性差,Ti原子d軌道的反鍵強,離子性弱,單晶和多晶彈性性質(zhì)弱,熔點低,在C49相中容易形成硅空位,表面能比C54相TiSi<,2>小,還推斷出C49相多晶結(jié)構(gòu)比C54相TiSi<,2>多晶結(jié)構(gòu)更脆,更易發(fā)生本征脆性斷裂,在變形時更易發(fā)生體積變化,表面能小.這些特性導(dǎo)致在固相反應(yīng)中優(yōu)先形成C49相TiSi<,2>.還對CoSi<,2>和NiSi<,2>進行第一性原理計算,研

4、究其原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、形成能、Mulliken電荷布居、空位和間隙原子形成能等,得到一系列模擬計算結(jié)果.發(fā)現(xiàn)原子化學(xué)勢對空位形成能和間隙原子形成能影響很大,根據(jù)兩個極端情況預(yù)計出空位形成能和間隙原子形成能的范圍.總的來說,在CoSi<,2>中鈷空位和鈷間隙原子都比相應(yīng)硅空位和硅間隙原子容易形成.在NiSi<,2>中形成硅空位比形成鎳空位容易,而鎳間隙原子更容易形成,這和實驗中鎳原子是主要擴散物質(zhì)相一致.此外,研究了NiSi

5、<,2>(111)/Si(111)界面問題,從層投影態(tài)密度圖看出界面處的硅原子層呈現(xiàn)出金屬性,并出現(xiàn)界面態(tài).A型界面NiSi<,2>和硅襯底之間界面距離為2.321埃,B型界面中界面距離是2.336埃.通過對界面處Mulliken分析,發(fā)現(xiàn)界面處電荷的遷移主要發(fā)生在NiSi<,2>層中.實驗上,采用微波等離子體退火使濺射的金屬薄膜和硅襯底發(fā)生固相反應(yīng),制備出各種金屬硅化物,證明該方法的可行性.不同于常規(guī)退火條件下的現(xiàn)象是鈦薄膜與硅襯底的

6、進行的固相反應(yīng)可直接得到C54相的TiSi<,2>,升溫過程中沒有出現(xiàn)亞穩(wěn)的C49相TiSi<,2>.金屬鈷層未反應(yīng)完全的情況下,不同溫度下都沒有富鈷的硅化物生成,而直接得到富硅的CoSi<,2>.與鈷的情況類似,鎳薄膜與硅襯底互擴散后也直接得到了富硅的NiSi<,2>.實驗研究結(jié)果表明,微波穿透納米厚度的金屬薄膜,影響原子擴散,微波等離子退火有利于穩(wěn)態(tài)硅化物的最終形成,中間態(tài)的硅化物的穩(wěn)定存在受到抑制.微波可能推動了亞穩(wěn)態(tài)向最終穩(wěn)態(tài)的