自对准金属硅化物的形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种自对准金属硅化物的形成方法，通过两步退火工艺，并在第一次退火工艺中引入氢的同位素气体，利用氢的同位素气体与气氛中的微量氧气发生反应来消除氧气，防止Ni等金属层被氧化，从而减少或避免金属硅化物的表面缺陷(如金字塔状)，形成形貌平整和均匀性良好的金属硅化物；引入的氢的同位素气体中该同位素原子能进入到金属硅化物和硅衬底的界面处，并与Si结合成新的难以断裂的键，从而修复和减少界面处的缺陷，改善界面态(Dit)。
【专利说明】自对准金属硅化物的形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种自对准金属硅化物的形成方法。
【背景技术】
[0002] 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 反应生成金属硅化物，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。早期 的TiSi 2由于其窄线条效应已经不适用于0. 18um的技术，被CoSi2取代。CoSi2B成相同 厚度的硅化物需要消耗更多的多晶硅或硅衬底，已经不能满足源漏浅结及超浅结的需求； CoSi2在低于45纳米的多晶硅线条上表现出明显的窄线条效应；在45纳米及以下的技术 中，由于热预算的考量，CoSi 2的形成温度（RTP2的工艺温度范围为600°C?800°C )也不能 满足器件需求。随着半导体工艺水平的提高，特别是在45nm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。
[0003] 与TiSijP CoSi2相比，NiSi具有以下的优点：1)硅化工艺温度低（350°C? 750°C ) ;2)硅消耗量低（形成1纳米NiSi仅消耗0. 83纳米Si) ;3)尚未发现NiSi方块电 阻随线条减小而变大；4)可以在较低的温度下与锗硅材料形成低阻值的硅化物。与TiSi2 和CoSi2相似的地方是NiSi也采用两步RTP的工艺：首先在较低的温度下（220°C?300°C) 和N 2氛围中进行第一步退火，通过Ni的扩散，生成主要以Ni2Si和NiSi共存的硅化物；然 后通过选择性刻蚀去除侧墙上未反应的Ni或NiPt，在较高的温度下（350°C?750°C )和队 氛围中进行第二步退火，在源漏和栅极生成NiSi。
[0004] 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 属娃化物（Salicide, self-aligned silicide)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。
[0005] 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。
[0006] 如图2所不，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。
[0007] 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l〇la、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。
[0008] 在自对准金属硅化物的制造工艺中，形貌平整和均匀性良好的金属硅化物不仅有 利于降低接触电阻和串联电阻，而且有利于提高器件的可靠性。通过上述现有制造工艺获 得的自对准金属硅化物，虽然通过氮化钛等保护层可以在一定程度上防止金属层被氧化， 但工艺过程中仍不可避免反应氛围中微量氧气接触到金属，并使其被氧化，造成金属硅化 物形貌缺陷（如金字塔状），影响表面均匀性。
[0009] 另一方面，NBTI (负偏压温度不稳定性，Negative Bias Temperature Instability)是半导体器件的一项重要指标。现有制造工艺中，金属娃化物与娃衬底的界 面存在大量的空穴缺陷以及Si-H键，在进行NBTI测试时，Si-H键受热激发而断裂，形成Si 悬挂键，H原子之间结合并以氢气形式释放，进一步形成空穴缺陷，引起阈值电压的负向漂 移，使得器件的NBTI性能较差。
【发明内容】
[0010] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种自对准金属硅化物的形成方 法，以降低金属硅化物的缺陷，可以得到形貌平整且均匀性良好的金属硅化物，同时，本发 明还可以改善金属硅化物与硅之间的界面，提高NBTI性能。
[0011] 本发明提供的自对准金属硅化物的形成方法，其包括以下步骤：
[0012] 提供半导体衬底，所述半导体衬底表面至少有一硅区域；
[0013] 在所述硅区域的表面形成金属层；
[0014] 在含有氢的同位素气体的气氛下进行第一次退火工艺，在所述金属层和与之相接 触的娃区域表面的娃结合形成第一金属娃化物层的同时，所述氢的同位素气体与气氛中存 在的氧气结合以消除反应氛围中的氧气，并且在形成的所述第一金属硅化物层和硅区域之 间界面处具有Si悬挂键，所述氢的同位素气体的原子X还与Si悬挂键相结合，形成Si-X 键；
[0015] 去除未反应的金属层后，进行第二次退火工艺，使得所述第一金属硅化物层形成 第二金属娃化物层。
[0016] 进一步地，所述氢的同位素气体为気气、氣气或氣气。优选氣气（D2)。
[0017] 进一步地，第一次退火工艺中氢的同位素气体在气氛中的体积百分含量为 1-50%。
[0018] 进一步地，第一次退火工艺中载气的流量为5-30slm(每分钟标准升），氢的同位 素气体在气氛中的体积百分含量为2-10%。
[0019] 进一步地，第一次退火工艺中气氛的载气选自氮气、氦气或氦气，退火工艺选自恒 温退火工艺、尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺中的一种。
[0020] 进一步地，第二次退火工艺中气氛的载气选自氮气、氦气或氩气，退火工艺选自恒 温退火工艺、尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺中的一种。
[0021] 进一步地，所述第一金属硅化物层含高阻相硅化物，所述第二金属硅化物层为低 阻相硅化物。
[0022] 进一步地，所述金属层为Ni。
[0023] 进一步地，所述金属层还含有1-10%的NiPt。
[0024] 进一步地，所述第一金属硅化物层含有NiSi和Ni2Si，所述第二金属硅化物层含有 NiSi0
[0025] 进一步地，第一次退火工艺之前还包括在所述金属层上形成保护层，第二次退火 工艺之前还包括去除所述保护层。
[0026] 进一步地，所述保护层为Ti或TiN。
[0027] 进一步地，所述硅区域为栅极及其两侧的源漏区。
[0028] 进一步地，第二次退火工艺也在含有氢的同位素气体的气氛下进行。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0030] 本发明的自对准金属硅化物的形成方法，通过在第一次退火工艺中引入氢的同位 素气体，如氘气，利用其与气氛中的微量氧气发生反应来消除氧气，防止Ni等金属层被氧 化，从而减少或避免金属硅化物的表面缺陷（如金字塔状），形成形貌平整和均匀性良好的 金属硅化物；引入的氢的同位素气体中该同位素原子，如D原子，能进入到金属硅化物和硅 衬底的界面处，与Si悬挂键形成Si-D键，或取代已存在的Si-H键形成Si-D键，从而修复 和减少界面处的缺陷，改善界面态（Dit);形成的Si-D键键能大于Si-H键，难于断裂，可以 提高器件的NBTI性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实 施例进行详细描述，其中：
[0032] 图1至图3是现有技术的自对准金属硅化物形成方法的各步骤剖面结构示意图；
[0033] 图4至图6是本发明实施例的自对准金属硅化物形成方法的各步骤剖面结构示意 图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的实施例以现有常用的Ni作为形成金属硅化物的材料，并以两步退火工 艺为基础，结合图4至图5,详细诠释本发明的技术方案的改进之处，但是本发明的技术方 案并不受此限制。
[0035] 本实施例的自对准金属硅化物的形成方法，包括以下步骤：
[0036] 步骤1，如图4所示，提供半导体衬底11，衬底11表面具有一硅区域，硅区域包括 MOS晶体管的栅极12和栅极12两侧衬底11内形成的源区13和漏区14。栅极12包括栅 介质层121、栅电极层122以及栅介质层和栅电极层两侧形成的侧墙123。
[0037] 在进行金属层沉积之前，较佳地先对硅片进行预清洗，以使得需要形成所述硅区 域的表面没有杂质或者氧化膜，避免影响形成金属层和金属硅化物层的质量。预清洗可采 用稀释的氢氟酸等。
[0038] 步骤2,如图5所示，在所述硅区域的表面上形成Ni层15, Ni层15覆盖栅极12、 源区13和漏区14,使得栅极和源漏区的表面与金属Ni相接触，Ni层15的厚度为100A。其 中，Ni层15中较佳地含有5%的NiPt，镍钼合金的存在可以使得后续形成金属硅化物的过 程中，镍硅化物形成地更加致密、均匀，NiPt是可选的，含量可以为1-10%。本步骤采用本 领域常规的沉积工艺，如化学气相沉积或物理气相沉积等，厚度可以是50-200A。在其他实 施例中，金属层中的Ni也可以由Er、Yb、Pt、Ti或Co中的一种的金属或合金代替，随后生 成的第一金属娃化物层含高阻相娃化物，第二金属娃化物层为低阻相娃化物。
[0039] 较佳地，在Ni层上还可沉积形成一层保护层，如Ti或TiN，以保护Ni层在后续工 艺过程中表面不被氧化，其厚度可以为30A,。形成保护层的工艺也可以为本领域常规的化 学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺。保护层在后续退火工艺中不参与反应，并可在去除 多余的Ni层时一并被去除。
[0040] 后续进行退火工艺，本实施例采用两次退火：低温快速退火工艺（RTPl)以及高温 快速退火工艺（RTP2)。以下详细说明：
[0041] 步骤3,如图6所示，在含有氘气的气氛下进行第一次退火工艺，使得Ni层15和与 之相接触的栅极和源漏区表面的娃结合形成第一金属娃化物层16。所述第一金属娃化物 层16含有NiSi和Ni 2Si等富镍相硅化物。本步骤的气氛中引入了氘气，利用氘气与气氛 中的微量氧气发生反应来消除氧气，防止Ni金属被氧化，从而减少或避免形成的第一金属 硅化物层的表面缺陷（如金字塔状），形成形貌平整和均匀性良好的第一金属硅化物层；弓丨 入的氘气中D原子能进入到第一金属硅化物层和栅极等硅区域的界面处，与Si的悬挂键形 成Si-D键，也可取代已存在的Si-H键形成Si-D键，从而修复和减少界面处的缺陷，改善界 面态（Dit);形成的Si-D键键能大于Si-H键，在NBTI测试中更难于断裂，可以提高器件的 NBTI性能。
[0042] 本实施例提供的是一种具有栅极的半导体器件，栅极下方存在栅氧与硅衬底的 Si/Si02界面，该界面处也存在空穴和Si-H键，本实施例氘气中的D原子也可进入该界面 处，并与Si悬挂键形成Si-D键，或取代Si-H键形成Si-H键，从而改善Si/Si0 2的界面态。
[0043] 本步骤气氛中的载气为氮气，工艺过程中氘气的流量为2slm，氮气的流量为 15slm，氘气在气氛中的体积百分含量为11.76%。实际应用中，载气和氘气可由各自的管 道通入反应炉管内，其中，载气的流量较佳地为5-30slm，氘气在整个气氛中的体积百分含 量较佳地为1-50%，更佳地为2-10%，最优5%左右，少则达不到效果，多则造成浪费。在 其它实施例中，引入的气体还可以是氢的其他同位素气体，如氕气、氚气，但优选氘气，其与 Si形成的Si-D键比氕气更强、更难于断裂，且其比氚气更易获得，成本也更低；载气还可以 是氦气、氩气等惰性气体。本步骤采用低温快速退火工艺，退火温度一般在220-300°C范围 内，本实施例中为290°C，退火时间一般在3-120s，本实施例中为25s。
[0044] 步骤4,通过选择性刻蚀，去除未反应的Ni层15,防止其在第二次退火时继续与硅 区域反应。之后，进行第二次退火工艺，使得第一金属硅化物层16形成第二金属硅化物层， 即使富镍相硅化物相变成单镍相硅化物NiSi，所述第二金属硅化物层即为NiSi。
[0045] 本步骤气氛中的载气为氮气,工艺过程中氮气的流量为15slm。实际应用中，载气 的流量较佳地为5-30slm。在其他实施例中，载气还可以是氦气、氩气等惰性气体。本步骤 采用高温快速退火工艺，退火温度一般在350-750°C范围内，本实施例中为390°C，退火时 间一般在3-120s，本实施例中为25s。
[0046] 本实施例中的第一次退火工艺采用恒温退火工艺，在其他实施例中，还可采用其 他退火工艺，如尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺中的一种。其中，采用尖峰退 火工艺时，退火温度为300-400°C，退火时间为1. 5-2秒；采用闪光退火工艺时，退火温度为 400-650°C，退火时间为3-100毫秒；采用激光退火工艺时，退火温度为500-700°C，退火时 间为0. 25-l. 6晕秒。
[0047] 本实施例中的第二次退火工艺采用恒温退火工艺，在其他实施例中，还可采用其 他退火工艺，如尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺中的一种。其中，采用尖峰退 火工艺时，退火温度为500-800°C，退火时间为1. 5-2秒；采用闪光退火工艺时，退火温度为 700-850°C，退火时间为3-100毫秒；采用激光退火工艺时，退火温度为750-900°C，退火时 间为0. 25-1. 6晕秒。
[0048] 优选的，在其他实施例中，第二次退火工艺也在含有氢的同位素气体的气氛下进 行，可以防止生成的金属硅化物被氧化，并进一步改善界面态。
【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，其包括以下步骤： 提供半导体衬底，所述半导体衬底表面至少有一硅区域； 在所述硅区域的表面形成金属层； 在含有氢的同位素气体的气氛下进行第一次退火工艺，在所述金属层和与之相接触的 娃区域表面的娃结合形成第一金属娃化物层的同时，所述氢的同位素气体与气氛中存在的 氧气结合以消除反应氛围中的氧气，并且在形成的所述第一金属硅化物层和硅区域之间界 面处具有Si悬挂键，所述氢的同位素气体的原子X还与Si悬挂键相结合，形成Si-X键； 去除未反应的金属层后，进行第二次退火工艺，使得所述第一金属硅化物层形成第二 金属娃化物层。
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：所述氢的同位 素气体为氣气。
3. 根据权利要求1或2所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退 火工艺中氢的同位素气体在气氛中的体积百分含量为1-50%。
4. 根据权利要求3所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退火工 艺中载气的流量为5-30slm，氢的同位素气体在气氛中的体积百分含量为2-10%。
5. 根据权利要求4所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于：第一次退火工 艺中气氛的载气选自氮气、氦气或氦气，退火工艺选自恒温退火工艺、尖峰退火工艺、闪光 退火工艺或激光退火工艺中的一种；第二次退火工艺中气氛的载气选自氮气、氦气或氦气， 退火工艺选自恒温退火工艺、尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺中的一种。
6. 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：所述第一金属 硅化物层含高阻相硅化物，所述第二金属硅化物层为低阻相硅化物。
7. 根据权利要求6所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于：所述金属层为 Ni,所述第一金属硅化物层含NiSi和Ni2Si,所述第二金属硅化物层为NiSi。
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：所述金属层还 含有 1-10%的 NiPt。
9. 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：第一次退火工 艺之前还包括在所述金属层上形成保护层，第二次退火工艺之前还包括去除所述保护层。
10. 根据权利要求1至9任一项所述的自对准金属硅化物的形成方法，其特征在于：第 二次退火工艺也在含有氢的同位素气体的气氛下进行。
【文档编号】H01L21/28GK104319236SQ201410624243
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】肖天金 申请人:上海华力微电子有限公司