专利名称：自对准金属硅化物的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种自对准金属硅化物的形成方法。
技术背景
在半导体制造技术中，金属硅化物由于具有较低的电阻率且和其他材料具有很 好的粘合性而被广泛应用于源/漏接触和栅极接触来降低接触电阻。高熔点的金属与硅 发生反应而熔合形成金属硅化物，通过一步或者多步退火工艺可以形成低电阻率的金属 硅化物。随着半导体工艺水平的提高，特别是在90nm及其以下技术节点，为了获得更低 的接触电阻，镍及镍的合金成为形成金属硅化物的主要材料。
在已经公开的申请号为200780015617.9的中国专利申请中公开了一种自对准金 属硅化物的形成方法，该方法选择镍合金作为形成金属硅化物的材料。图1至图3给出 了该方法形成自对准硅化物各阶段的剖面结构示意图。
如图1所示，首先提供半导体基底100，所述半导体基底100内形成有多个MOS 晶体管(图1中仅以一个MOS晶体管为例)，相邻的MOS晶体管之间形成有隔离区110， 所述隔离区110内填充有绝缘材料；所述MOS晶体管包括形成在半导体基底100上的 栅介质层104，在所述栅介质层104上形成的栅电极103，在所述栅电极103及栅介质层 104的两侧形成的侧墙105，所述栅电极103两侧半导体基底100内形成的源极101和漏 极 102。
如图2所示，在所述半导体基底100的表面形成金属层106，所述金属层106覆 盖所述源极101、漏极102、栅极103和侧墙105，所述金属层106的材料为镍钼合金。进 一步地，可以在金属层106上形成保护层107，所述保护层107的材料为氮化钛(TiN)， 用来防止金属层106被氧化，保护层107的形成是可选的，可以被忽略。
如图3所示，对所述半导体基底100进行退火工艺，通过退火，所述源极101、 漏极102、栅极103表面上的金属层106材料与所述源极101、漏极102和栅极103中的 硅材料发生反应生成金属硅化物层，分别为101a、102a> 103a。之后通过选择性刻蚀将 没有发生反应的金属层106去除，使得形成的金属硅化物层101a、102a> 103a暴露在所 述半导体基底100的表面。
上述方案中金属层106的材料没有选择镍金属而是选择镍合金，其主要原因是 镍元素活动性较高，容易发生扩散，侵入栅极氧化层104下面的沟道中，而镍合金中的 合金元素可以有效的防止镍元素的扩散侵入现象。
现有技术中，所述金属层106—般是在较低功率下溅射沉积形成的，主要原因 一方面是较低功率下形成的金属层有较好的电阻一致性(RsUniformity)和台阶覆盖率 (step coverage)；另一方面是较低功率下，可以避免溅射过程中的离子对器件造成损伤。 但是，发明人发现，在较低功率下形成的金属层106中合金元素的分布不够均勻，如图5 所示，所述半导体基底100的中心区域IOOa的合金元素含量要比周边区域低，因此，分 布在中心区域IOOa的器件会发生镍元素扩散现象，降低器件的可靠性。而在溅射过程中使用较大功率虽然可以提升金属层中心区域的合金元素含量，但是会造成金属层的电阻 一致性和台阶覆盖率降低，因此，需要对金属层的形成方法进行改进。
发明内容
本发明提供了一种自对准金属硅化物的形成方法，避免了金属层中合金元素分 布不均勻的问题，防止了半导体基底中心区域的镍元素扩散侵入现象，提高了器件的可靠性。本发明提供了一种自对准金属硅化物的形成方法，包括如下步骤提供半导体基底，该半导体基底表面至少有一硅区域；在所述半导体基底上形成至少两层金属层，所述至少两层金属层的溅射功率随 形成各层金属层的次序依次增加；对所述半导体基底进行退火工艺，所述硅区域与所述至少两层金属层反应生成 金属硅化物；刻蚀去除所述至少两层金属层中未发生反应的部分。优选的，所述至少两层金属层包括第一层金属层和第二层金属层，所述第一层 金属层的溅射功率为500瓦至2500瓦。所述至少两层金属层中的第一层金属层的厚度占所述至少两层金属层总厚度的 5%至 20%。所述至少两层金属层中的第二层金属层的溅射功率为3000瓦至6000瓦。所述至少两层金属层中的第二层金属层的厚度占所述至少两层金属层总厚度的 80%至 95%。所述至少两层金属层的各层金属层的材料相同，选自镍钼合金或镍钯合金。所述至少两层金属层的形成过程的气氛为氩气(Ar)。所述至少两层金属层形成过程中的氩气流量随形成各层金属层的次序依次减 小。所述至少两层金属层中的第一层金属层的形成过程中氩气的流量为25SCCm至 IOOsccm0所述至少两层金属层中的第二层金属层的形成过程中氩气的流量为lOsccm至 20sccm。所述退火工艺为一步退火或者两步退火。所述两步退火包括第一步退火和第二步退火，第一步退火的温度为280摄氏度 至350摄氏度，退火时间为3秒至60秒；第二部退火的温度为360摄氏度至900摄氏度， 退火时间为3秒至60秒。所述一步退火仅包括上述的第一步退火。上述公开的自对准金属硅化物的形成方法中，分多个阶段形成至少两层金属 层，各层金属层形成过程中使用的功率依次增大，避免了金属层中合金元素分布不均勻 的问题，防止了半导体基底中心区域的镍元素扩散侵入问题，提高了器件的可靠性。
图1至图3是现有技术的自对准金属硅化物形成方法的剖面结构示意4
图4是自对准硅化物形成过程中镍元素扩散后的剖面结构示意图5是现有技术下形成金属层后的半导体基底的俯视图6是本发明的一个实施例的自对准硅化物形成方法的流程示意图7至图12是本发明的一个实施例的自对准硅化物形成方法的剖面结构示意 图。
具体实施方式
本发明提供了一种自对准金属硅化物的形成方法，该方法分多个阶段形成至少 两层金属层，各层金属层形成过程中使用的功率依次增大，避免了金属层中合金元素分 布不均勻的问题，防止了半导体基底中心区域的镍元素扩散侵入问题，提高了器件的可靠性。
为使本发明的方法、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
本发明提供了一种自对准金属硅化物的形成方法，包括提供半导体基底，所 述半导体基底表面至少有一硅区域；在所述半导体基底上形成至少两层金属层，所述至 少两层金属层的溅射功率随形成各层金属层的次序依次增加；对所述半导体基底进行退 火工艺；刻蚀去除所述至少两层金属层。所述至少两层金属层可以为两层，三层或者更 多层金属层，下面以两层金属层为例对本发明的具体实施方式
进行详细说明。
图6给出了本发明的一个实施例的自对准硅化物形成方法的流程示意图。本实 施例中，以形成两层金属层为例加以说明，在此不应过分限制本发明的保护范围。
如图6所示，执行步骤Si，提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅 区域；执行步骤S2，用第一功率在所述半导体基底上形成第一层金属层；执行步骤S3， 用大于第一功率的第二功率在所述半导体基底上形成第二层金属层；执行步骤S4，对所 述半导体基底进行退火工艺，所述硅区域与所述至少两层金属层反应生成金属硅化物； 执行步骤S5，刻蚀去除所述至少两层金属层中未发生反应的部分。
图7至图12是本发明的一个实施例的形成自对准硅化物的剖面结构示意图。
参考图7，提供半导体基底200，在所述半导体基底200表面至少有一硅区域。 所述半导体基底200的材质可以是单晶硅、非晶硅中的一种，所述半导体基底200的 材质也可以是硅锗化合物，所述半导体基底200还可以是绝缘体上硅601，Silicon On Insulator)结构或硅上外延层结构。本实施例中以包含有金属氧化物场效应晶体管的半导 体基底200为例，所述金属氧化物场效应晶体管包括源极201、漏极202和栅极203;所 述源极201、漏极202表面为硅材料，所述栅极203表面为多晶硅材料；在所述栅极203 下方有栅极氧化层204，所述栅极氧化层204的材料可以是氧化硅；在所述栅极203两侧 形成有侧墙(spacer)205，所述侧墙的材料可以是氧化硅、氮化硅中的一种或者组合；在 所述半导体基底中形成有隔离区210，隔离区210的材料为绝缘介质如氧化硅、氮化硅、 碳化硅中的一种或其组合。
由于金属硅化物的形成过程对硅表面的清洁度比较敏感，在形成金属层之前， 可以对所述半导体基底200的表面进行清洗，去除表面残留的污染物和氧化物，改善形 成的金属硅化物的接触电阻。本实施中使用配比为100 1的H2O和HF溶液对所属半导体基底200的表面进行清洗。参考图8，使用优选范围为500瓦至2500瓦的第一功率，在所述半导体基底200
的表面形成第一层金属层206。本实施例中所述第一层金属层206的材料为镍钼合金或镍钯合金，本实施例中 优选镍钼合金。所述第一层金属层206的厚度占金属层总厚度的5%至20%，本实施例 中优选为10%。所述金属层的总厚度可以根据源极201、漏极202，栅极203表面可供消 耗的硅以及将要形成的金属硅化物的接触电阻来决定。本实施例中所述第一层金属层206的形成方法为物理气相沉积。沉积过程的气 氛为氩气，所述氩气的流量为25SCCm(毫升/分钟)至lOOsccm，本实施例中优选的氩气 流量为30sccm。所述第一层金属层206的形成过程使用的功率较小，一方面保证了所述第一金 属层206具有较好的电阻一致性和台阶覆盖率，另一方面，较小的溅射功率避免了溅射 过程中器件受离子轰击受到损伤。参考图9，使用大于第一功率的第二功率，在所述半导体基底200的表面形成第
二层金属层207。所述第二层金属层207的材料与第一层金属层206相同，本实施例中所述第二层 金属层207的材料为镍钼合金。本实施例中以两层金属层为例，因此，所述第二金属层 207的厚度为金属层总厚度的90%。所述第二层金属层207的形成方法为物理气相沉积，优选的，所述沉积过程与 形成第一层金属层206的溅射过程在同一设备中，为原位(in-situ)沉积。形成金属层的 功率随形成次序而增加，所述第二功率大于形成第一层金属层206所使用的第一功率， 优选范围为3000瓦至6000瓦，本实施例中优选的第二功率为4000瓦。所述沉积过程的 气氛为氩气，氩气流量随金属层的形成次序而减小，第二层金属层206形成过程中所使 用氩气的流量低于形成第一层金属层206过程中氩气的流量，为IOsccm至20SCCm，本实 施例中优选的氩气的流量为15SCCm。所述第二层金属层207的形成过程中使用的功率较大，提高了所述半导体基底 200中心区域金属层中合金元素的含量，从而避免了镍元素扩散侵入栅氧化层204中造成 器件的可靠性降低。本实施例是以两层金属层为例，在实际中，在所述第二层金属层207形成之 后，可以再加入一步或是多步沉积过程，形成第三层或者更多层的金属层。后续沉积过 程所使用的功率依次增大，相应沉积过程中的氩气流量依次减小。参考图10，在形成所述第二层金属层207之后，在所述半导体基底200的表面形 成保护层208。所述保护层208的材料为氮化钛(TiN)，保护层208可以防止所述包括第一层金 属层206和第二层金属层207接触空气而被氧化。所述保护层208的形成是可选的，在 其他实施例中可以省略这一步骤。参考图11，对所述半导体基底200进行退火工艺。所述退火工艺为一步退火或者两步退火，本实施例中优选为两步退火。所述两 步退火包括第一步退火和第二步退火，第一步退火的温度为280摄氏度至350摄氏度，持续时间为3秒至60秒，气氛选自氦气、氩气、氮气，本实施例中优选的气氛为氮气。
通过第一步退火，所述第一层金属层206和第二层金属层207中的金属材料镍与 半导体基底200中源极201、漏极202和栅极203上表面的硅或者多晶硅材料发生反应， 分别生成金属硅化物层201a、202a> 203a,而所述半导体基底200上的侧墙205、隔离区 210中的氮化硅或氧化硅材料并不发生反应，这使得在后续的处理过程中，可以通过选择 性刻蚀去除所述未发生反应的金属层。经过上述退火，所述第一层金属层206和第二层 金属层207形成金属层20^1。
在所述第一步退火之后再进行第二步退火。所述第二步退火的温度高于上述第 一步退火时的温度，为360摄氏度至900摄氏度。所述第二步退火的持续时间为3秒至 60秒，气氛选自氦气、氩气、氮气。所述第二步退火可以和第一步退火在同一退火设备 中进行，也可以在不同设备中进行。
所述第一步退火之后，所述金属硅化物201a、202a、203a的主要生成物为 Ni2Si,电阻率较高，经过第二步退火之后，NiJi可以进一步转化为NiSi，而NiSi的电阻 率与Ni2Si相比较低，可以进一步降低所述金属硅化物的接触电阻。
参考图12，对所述半导体基底200进行选择性刻蚀，将所述保护层208以及金 属层20 中没有和硅材料发生反应的部分去除。露出所述金属硅化物层201a、202a> 203a,完成自对准金属硅化物的形成过程。
所述刻蚀过程为湿法刻蚀，本实施例金属层20 的材料为镍钼合金，为了有效 的去除未反应的钼，本实施例优选的刻蚀溶液为王水，包含约40%至80%体积的硝酸、 约20%至60%体积的盐酸。在刻蚀结束之后，将所述半导体基底200进行漂洗然后干燥 去除微量的残留刻蚀溶液。
为了检验本发明所公开方案的效果，发明人进行了对比实验。提供半导体基底 A和半导体基底B，对所述半导体基底A使用现有技术公开的金属硅化物形成方法，而对 所述半导体基底B使用上述实施例公开的金属硅化物形成方法。结果显示，形成金属层 后，半导体基底A的边缘区域钼元素的原子百分比为6.5%，而中心区域为5.57%，中心 区域钼元素的含量明显偏低；半导体基底B的边缘区域钼元素的原子百分比为6.4%，中 心区域为6.5%，钼元素分布具有较高的一致性。而在金属硅化物形成之后，半导体基底 A中由于镍元素扩散侵入导致的有缺陷的器件数为观，而半导体基底B中有缺陷的器件 数则为0。
本发明给出的实施例中以两层金属层为例，但在实际中，可以形成第三层或者 更多层金属层，在此，上述实施例不应过度限制本发明。
综上，本发明提供了一种自对准金属硅化物的形成方法。与现有技术相比，本 发明分多个阶段形成至少两层金属层，各层金属层形成过程中使用的功率依次增大，避 免了金属层中合金元素分布不均勻的问题，防止了半导体基底中心区域的镍元素扩散侵 入问题，提高了器件的可靠性。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护 范围应当以权力要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于，包括提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域；在所述半导体基底上形成至少两层金属层，所述至少两层金属层的溅射功率随形成 各层金属层的次序依次增加；对所述半导体基底进行退火工艺，所述硅区域与所述至少两层金属层反应生成金属 硅化物；刻蚀去除所述至少两层金属层中未发生反应的部分。
2.根据权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于所述至少两 层金属层包括第一层金属层和第二层金属层，所述第一层金属层的溅射功率为500瓦至 2500 瓦。
3.根据权利要求2所述自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于所述至少两层 金属层中的第一层金属层的厚度占所述至少两层金属层总厚度的5%至20%。
4.根据权利要求2所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于所述至少两 层金属层中的第二层金属层的溅射功率为3000瓦至6000瓦。
5.根据权利要求4所述自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于所述至少两层 金属层中的第二层金属层的厚度占所述至少两层金属层总厚度的80%至95%。
6.根据权利要求2或4所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于所述至少 两层金属层的各层金属层的材料相同，选自镍钼合金或镍钯合金。
7.根据权利要求1所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于 层金属层的形成过程的气氛为氩气。
8.根据权利要求7所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于 层金属层形成过程中的氩气流量随形成各层金属层的次序依次减小。
9.根据权利要求8所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于 层金属层中的第一层金属层的形成过程中氩气的流量为25SCCm至lOOsccm。
10.根据权利要求8所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于 层金属层中的第二层金属层的形成过程中氩气的流量为IOsccm至20SCCm。
11.根据权利要求1所述的自对准金属硅化物，其特征在于所述退火工艺包括第一 步退火和第二步退火，第一步退火的温度为280摄氏度至350摄氏度，退火时间为3秒至 60秒；第二部退火的温度为360摄氏度至900摄氏度，退火时间为3秒至60秒。所述至少两 所述至少两 所述至少两 所述至少两
全文摘要
一种自对准金属硅化物的形成方法，包括提供半导体基底，所述半导体基底表面至少有一硅区域；在所述半导体基底上形成至少两层金属层，所述至少两层金属层的溅射功率随形成各层金属层的次序依次增加；对所述半导体基底进行退火工艺，所述硅区域与所述至少两层金属层反应生成金属硅化物；刻蚀去除所述至少两层金属层中未发生反应的部分。本发明避免了金属层中合金元素分布不均匀的问题，防止了半导体基底中心区域的镍元素扩散侵入问题，提高了器件的可靠性。
文档编号H01L21/82GK102024690SQ20091019620
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者孔祥涛, 杨瑞鹏, 聂佳相, 胡宇慧 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司