专利名称：晶相稳定结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种构成元件的由能够具有多个晶相的材料制成的异质材料中的界 面结构以及半导体器件。
背景技术：
结晶材料的性质随晶体结构或化学组成而变化。因此，在利用能够具有多个晶体 结构或化学组成的材料的性质的工业产品中，晶相的稳定性对工业产品的特性或可靠性具 有重要的影响。此外，邻近于晶体的异质材料中的界面的结构通常显著地影响晶相的变化。 结果，需要一种控制界面结构并且改进结晶材料的相稳定性的技术。其中存在与异质材料中界面的结构稳定性的改进有关的问题的领域的示例为先 进 CMOS 器件。NiSi 用于先进 CMOS 的连接(joint)(参考 hternational Technology Roadmap for Semiconductors (国际半导体技术发展路线图)2007版，Front end !Processes (前端工艺))，但是，在NiSi/Si界面中，NiSi2相通常通过NiSi+Si — NiSi2的 反应形成。由于NiSi2具有比NiSi高的电阻等等，所以从将NiSi应用于器件的观点看， International Technology Roadmap for Semiconductors (国际半导体技术发展路线 图)2007版中所示的NiSi2相的形成并不是所期望的。这里，日本特开专利公开No. 2003-213407公开了 NiSi2相的形成受Ni合金靶抑 制，所述Ni合金靶在将要形成NiSi的Ni中包含0.5 IOat % (原子百分比)的Ti、Nb等 作为合金元素。此外，日本特开专利公开No. 2005-150752公开了 NiSi膜的热稳定性能够通过形 成Ni合金的沉积膜来获得，所述Ni合金包含通过溅射方法添加到将要形成NiSi的Ni的 诸如Ta的合金元素。另一方面，已经报导了下述技术，即除上述之外，通过将大量Pt添加到NiSi来抑 制NiSi+Si — NiSi2的反应并且改进NiSi的稳定性(参考Appl. Phys. Lett.(应用物理快 报)(75，1736 (1999)，D. Mangelinck, J. Y. Dai、J. S. Pan 和 S. K. Lahiri)、Appl. Phys. Lett. (应用物理快报)(84. 3549 (2004)，C. Detavernier 和 C. Lavoie)以及 MRSProc.(材料研究 学会年报)(1070，79 (2008)，H. Akatsu 等))。在Appl. Phys. Lett.(应用物理快报)(75，1736 (1999)，D. Mangelinck、 J. Y. Dai、J. S. Pan 和 S. K. Lahiri)、Appl. Phys. Lett.(应用物理快报)(84. 3549(2004)， C. Detavernier 和 C. Lavoie)以及 MRSProc.(材料研究学会年报)(1070, 79 (2008)， H. Akatsu等)中，报导了通过添加Pt来改进稳定性的效果，典型情况是其中多于或等于
被添加到Ni。日本特开专利公开 No. 2005-150752、Crystal Structures (晶体结构)((John Wiley & Sons，纽约，伦敦，1963)，R. W. G. Wyckoff)以及 J. Mat. Res. 3. 167 (1988)，F. d' Heurle是上述现有技术的示例。
发明内容
如上所述，在Appl. Phys. Lett.(应用物理快报)(75，1736 (1999)，D. Mangelinck、 J. Y. Dai、J. S. Pan 和 S. K. Lahiri)、Appl. Phys. Lett.(应用物理快报)(84,3549(2004)， C. Detavernier 和 C. Lavoie)以及 MRS Proc.(材料研究学会年报)(1070，79 Q008))， H. Akatsu等中，报导了 (i)Pt的添加改变NiSi的取向(orientation)、(ii)Pt趋于在NiSi 的边界中偏析(segregate)。这些事实表明通过Pt的添加而引起的NiSi/Si界面中的结构 变化改进了晶相的稳定性。描述了，由于在情况(i)中Pt使NiSi层的平均原子间距离增 大并且在情况(ii)中形成了其中Pt靠近NiSi/Si界面中的Si侧偏析的结构，所以稳定了 界面。然而，大量Pt被添加到NiSi不仅使NiSi的性质随所添加的量变化，而且从成本 的角度看也不是所期望的。为了解决上述问题，在一个实施例中，提供了一种晶相稳定结构，其形成在由互相 不同的材料制成的两个层的界面中，并且由包含构成两个层的材料的膜制成，其中构成膜 的材料具有多个晶体结构或化学组成；膜在从与两个层中的一个层的界面到少于或等于膜 的深度的1/3的区域中具有一小部分原子，所述一小部分原子由未包含在两个层中的任一 层中的原子以多于或等于10at%的置换比率置换；并且膜的深度方向上的中间部分处的 置换比率按原子比率少于或等于界面的相邻区域中的置换比率的1/3。在另一实施例中，提供一种半导体器件，其包括硅层和金属硅化物层，所述金属硅 化物层形成在所述硅层的至少一部分上并且包括硅化的第一金属，在金属硅化物层的从与 硅层的界面处到少于或等于所述金属硅化物层的深度的1/3的区域中，所述第一金属由第 二金属以多于或等于10at%的置换比率置换，并且所述金属硅化物层的深度方向上的中间 部分处的置换比率按原子比率少于或等于界面的相邻区域中的置换比率的1/3。根据本发明，能够提供一种晶相稳定结构以及半导体器件，其能够稳定由能够具 有多个晶体结构或化学组成的材料制成的异质材料的界面结构中的晶相。
从以下结合附图对某些优选实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、优点和 特征将更加明显，在附图中图1是示出具有本发明的结构的界面的HAADF_STEM(高角度环形暗场扫描透射电 子显微镜)图像的示例的电子显微镜照片；图2A和2B是示出具有本发明的结构的界面的HAADF-STEM图像的另一示例的电 子显微镜照片；图3A和;3B是示出具有本发明的结构的界面的HAADF-STEM图像的模拟结果的照 片；图4是示出根据示例的半导体器件的构造的横截面图。
具体实施例方式
现在，在此将参照例示出的实施例来描述本发明。本领域技术人员将认识到，利用本 发明的教导可以完成许多替代实施例，并且本发明不限于为了解释性目的而示出的实施例。
下文中，将参照附图来详细描述本发明的实施例。为了形成将要作为本发明的异质材料中的界面的结构，使用Si(IOO)衬底；在 衬底的表面上进行氢氟酸处理；通过化学气相反应沉积方法来沉积形成具有期望厚度的 NiSi膜所需的Ni和少量Pt ；以及进行烧制(firing)，以形成NiSi膜。这里，使用化学气 相反应沉积方法来沉积M和Pt，但是能够使用诸如分子束外延方法等的另外的沉积方法， 并且此外，还能够通过与上述原子一起同时供应Si原子来形成NiSi。同时，形成稳定界面 的结构所需的Pt量随着诸如沉积方法等的用于形成MSi的工艺而稍微变化，但是优选地 使用这样的量，在NiSi膜的界面的相邻区域中，优选地在NiSi/Si界面中的第一界面原子 层中的晶胞中，一小部分M原子由具有所述量的Pt原子置换，并且供应相称的量。这里，在本发明的实施例中，使用Pt作为置换原子。然而，也能够使用除了 Ni之 外的一种或者多于或等于两种置换金属，例如，Ti、V、Cr、Mn、Co、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Hf、 Ta、W和Pt。此外，相对于Ni的置换比率为多于或等于10at%的量，并且优选的是，更大的 置换量进一步稳定界面结构，因此多于或等于13at%是更加优选的。靠近膜的中间部分的区域处的置换量被设定为具有从NiSi膜的界面到NiSi膜的 深度的1/3处的区域处的置换比率的1/3。通过使用制造用于透射电子显微镜(TEM)的横截面样本的标准方法由上述样品 制造用于横截面观察(110)的样本来观察本发明。所述观察是使用扫描透射电子显微镜 (STEM)来进行的。观察期间的电子射线的会聚角大约为20mrad。ADF检测器被设定为检测 具有45mrad至IOOmrad的角度的散射电子。这被称为高角度环形暗场(HAADF)条件。图1示出以上述方式形成样本的HAADF-STEM观察图像。插入的视图为HAADF-STEM 观察图像的傅里叶变换的图像。傅里叶变换的图像表明，NiSi层具有MnP结构，并且与Si衬底的取向关系为 NiSi (110)//Si (001)和 NiSi
//Si [110][参看 CrystalStructures (晶体结构)(John Wiley & Sons，纽约，伦敦，1963)，R. W. G. Wyckoff]。结果还表明，电子射线的入射方位平行于NiSi [110]的取向。图2A和2B是示出NiSi和界面的特写的HAADF-STEM观察图像的电子显微镜照片。 图2A中所示的NiSi区域中的方形示出了 NiSi的晶格的[100]投影的二维晶胞。在观察 图像上，在二维晶胞中观察到4个亮点。图中二维晶胞的方形中所示的白色圆圈示意性示 出了売点。在图2B中所示的边界区域中，边界中的亮点由黑色箭头表示。观察结果示出，在 界面的NiSi侧，只在第一界面层中观察到亮点，并且在NiSi晶体的STEM图像图案的格点 上观察到亮点，此外，亮点在001方向上以二维晶胞为周期呈现亮暗。从以下STEM图像的模拟结果显而易见的是，界面具有将要作为本发明的界面结 构。图3A是NiSi晶体中的原子阵列的示意图。蓝色和红色球分别代表SiNi原子。图;3B是用于计算的原子排列以及计算结果的示意图。
图3A中的黑线表示NiSi的晶胞，并且图:3B中的方形表示NiSi的[110]投影的 二维晶胞。图3A中的原子位置a至d的[110]投影对应于图中的a至d的原子行。此外，图;3B中的原子行pi和p2中的Ni原子被假设为以1/3的概率由Pt置换。计算结果示出，在NiSi的[110]投影图像中，原子行bl、b2、cl和c2被观察到为 亮点。这与观察图像加的观察图像中的图案很好地匹配，因而，与图1中的傅里叶变换图 像一起，图2A示出了 NiSi的[110]投影图像。此外，计算结果示出，其中Pt置换Ni的原 子行(pi和ρ》被观察到比NiSi的原子行bl、b2、cl和c2亮。此外，关于pi和p2的亮 度，虽然Pt以相同概率置换Ni，但pi比p2亮。图;3B中的包含其中Ni原子由Pt原子置换的原子行pi和p2的NiSi晶体的计算 结果很好地再现了图2B中的NiSi/Si界面中的亮点的观察图像，因此，能够得出的结论为， NiSi/Si界面中观察到的亮点是其中NiSi中的Ni原子已经由Pt原子以预定概率置换的原 子行的图像。此外，在pi和p2中由Pt以高置换概率置换的情况中，原子行a至d与pi和p2 之间的图像强度差变大，即，Pl和P2被观察为更亮，并且在由Pt以小置换概率置换的情况 中，显而易见的是，原子行a至d与pi和p2之间的图像强度差变小。这些结果与模拟的结 果相匹配。在图1、图2A和图2B的观察结果中，与原子行a至d相比，界面原子行(对应于模 型的原子行Pl)中的亮点明显要亮，但亮点之间的原子行(对应于模型的原子行P2)的亮 度并未显著地不同于原子行a至d。Pt置换后的NiSi的STEM图像强度被再现为利用Pt 的置换概率为1/3的计算图像。 因此，上述STEM观察和STEM图像模拟的结果示出了，在本发明的样品中，形成下 述结构，其中，在NiSi/Si界面中的第一 NiSi侧层中，Pt以大约1/3的概率置换Ni原子。 此外，第二以及后续层中的Ni原子位置的强度等于NiSi层的强度，并且根据模拟，以少于 或等于10at%的Pt置换来再现图像强度。从上述结果，可以得出这样的结论，即，在第二 以及后续层的NiSi晶胞中，Ni被Pt置换的概率少于或等于第一层中的晶胞的置换概率的 1/3。此外，在样品中，即使在超过通常的反应温度之后，也不会检测到NiSi+Si —NiSi2 反应。上述反应温度上升是因为PtSi的晶格常数0.553nm大于NiSi的晶格常数 0. 523nm[参看 Crystal Structures (晶体结构)(John Wiley &Sons，纽约，伦敦，1963)， R. W. G. Wyckoff]。在NiSi/Si界面中，由于Si到Si的原子间间距(0. 236nm)大于NiSi的 原子间间距(0. 230nm)，所以NiSi受到界面中的拉伸应力。因此，如果Ni由Pt置换，则平 均原子间间距变大。结果，缓解了界面应力，因而降低了界面能量。另一方面，NiSi+Si —NiSi2反应的用于成核的活化能AG*为AG* = o2/AG3，其 中，σ代表界面能量随着反应的增加，并且AG代表吉布斯(Gibbs)自由能随着反应的增加 [参见 J.Mat. Res. 3. 167 (1988)，F. d' Heurle]。因此，在反应的第一阶段中，界面 NiSi/Si 的界面能量的降低增加Δ σ，从而增加了 AG*。结果，NiSi2的成核受到抑制。因此，显而易见的是，通过根据本发明的界面结构，晶相的稳定性得到改进。
这样的效果不仅可以在添加Pt的情况中获得而且可以在添加Pd的情况中获得。 这是因为PdSi形成了与NiSi或PtSi的晶体结构相同的晶体结构并且也具有比NiSi大的 晶格常数。这样，在本发明的实施例中，可以通过形成其中仅第一界面层中的一小部分Ni原 子由Pt原子置换的结构，从而降低界面能量同时将NiSi和NiSi/Si界面的特性的变化抑 制到最小程度来实现上述的界面结构稳定。结果，能够通过MSi的晶相的稳定有助于元件 的成品率的提高或者可靠性的提高。(示例)图4是示出根据示例的半导体器件的构造的横截面图。本示例在硅化镍层200中 包括上述界面结构稳定结构。在MOS晶体管的源漏区130的表面层以及至少栅电极120的 表面层上形成硅化镍层200。具体而言，硅层100为硅衬底。另外，元件隔离层120被埋置于硅衬底中，以使其 上形成有MOS晶体管的元件区域与其他区域分离。在元件区域的一部分上形成栅绝缘膜 110和栅电极120。栅绝缘膜110可以是氧化硅膜或者可以包含其介电常数高于氧化硅的 介电常数的高k绝缘膜。在采用前者用于栅绝缘膜110的情况下，栅电极120为多晶硅膜。 此外，在采用后者用于栅绝缘膜110的情况下，栅电极120具有包含依次层叠的金属栅(例 如，诸如TiN等金属氮化物的膜)和多晶硅膜的层叠结构。另外，在栅电极120的表面层上 形成硅化镍层200，并且在栅电极120的侧面处形成侧壁150。在位于栅电极120的两侧的硅层100上形成源漏区130。源漏区130是通过将杂 质引入到硅层100中而形成的，并且还包括扩展区140。扩展区140位于侧壁150下面。另 外，在源漏区130的表面层上形成硅化镍层200。位于源漏区130的表面层上的硅化镍层 200的平均厚度少于或等于20nm，并且优选地少于或等于10nm。显然，本发明不限于以上的实施例，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下， 可以进行修改和改变。
权利要求
1.一种晶相稳定结构，其形成在由互相不同的材料制成的两个层的界面中，并且由包 括构成所述两个层的所述材料的膜构成，其中，构成所述膜的材料具有多个晶体结构或化学组成；在从与所述两个层中的一个层的所述界面到少于或等于所述膜的深度的1/3的区域 中，所述膜具有由未包括在所述两个层中的任一层中的原子以多于或等于10at%的置换比 率置换的一小部分原子；并且在所述膜的深度方向上的中间部分处的所述置换比率按原子比率少于或等于所述界 面的相邻区域中的所述置换比率的1/3。
2.根据权利要求1所述的晶相稳定结构，其中，所述界面的所述相邻区域是在膜深度方向上自所述界面起的第一界面层中的晶胞。
3.根据权利要求1所述的晶相稳定结构，其中，构成所述界面的所述材料包括过渡金属硅化物。
4.根据权利要求1所述的晶相稳定结构，其中，在构成所述界面的所述材料的所述界面中被置换的所述原子包括过渡金属。
5.根据权利要求3所述的晶相稳定结构，其中，所述过渡金属是Ni，或者是包括Ni和除了 Ni之外的过渡金属的Ni合金。
6.根据权利要求4所述的晶相稳定结构，其中，所述置换原子是Pt和Pd中的至少一种。
7.一种半导体器件，包括 硅层；和金属硅化物层，所述金属硅化物层形成在所述硅层的至少一部分之上，并且包括硅化的第一金属，其中，在所述金属硅化物层的从与所述硅层的界面处到少于或等于所述金属硅化物层 的深度的1/3的区域中，所述第一金属由第二金属以多于或等于10at%的置换比率置换， 并且在所述金属硅化物层的深度方向上的中间部分处的所述置换比率按原子比率少于或 等于所述界面的相邻区域中的所述置换比率的1/3。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述界面的所述相邻区域是在膜深度方向上自所述界面起的第一层中的晶胞。
9.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述金属硅化物层形成在晶体管的源或漏的表面层之上。
10.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述第一金属是Ni，并且所述第二金属包括选自Ti、V、Cr、Mn、Co、&、Nb、Mo、Ru、 Rh、Pd、Hf、Ta、W禾口 Pt中的至少一种。
11.根据权利要求7所述的半导体器件， 其中，所述硅层是硅衬底的表面层。
全文摘要
本发明提供一种晶相稳定结构。可以通过形成其中仅第一界面层中的一小部分Ni原子由Pt原子置换的结构，从而降低界面能量同时将NiSi和NiSi/Si界面的特性的变化抑制到最小程度来实现上述的界面结构稳定。因此，能够通过NiSi的晶相的稳定有助于元件的成品率的提高或者可靠性的提高。例如，NiSi形成在晶体管中的源漏的表面层上。
文档编号H01L29/78GK102148237SQ20111003629
公开日2011年8月10日 申请日期2011年2月1日 优先权日2010年2月8日
发明者五十岚信行, 成广充 申请人:瑞萨电子株式会社