Ni（W）Si/Si肖特基勢壘二極管電學(xué)特性研究

王 勝，黃 偉，張樹丹，許居衍

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前言

難熔金屬硅化物作為接觸和局部互連材料有很多優(yōu)點，例如接觸電阻低、薄層電阻小、無電遷徙現(xiàn)象、能夠?qū)崿F(xiàn)自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和承受高溫?zé)崽幚淼?，因而在深亞微米集成電路中硅化物技術(shù)被廣泛應(yīng)用。NiSi由于具有薄層電阻小、應(yīng)力小、易形成淺結(jié)等優(yōu)點，卻沒有Ti硅化物的“橋連”現(xiàn)象和線寬效應(yīng)，也沒有CoSi2形成時耗硅多、應(yīng)力大、漏電大的缺點，因而NiSi能夠適應(yīng)集成電路特征尺寸不斷縮小的趨勢，成為深亞微米集成電路中最有前景的硅化物之一。然而NiSi存在一個亟待解決的問題，即熱穩(wěn)定性差[1]，大于650℃RTP退火后的NiSi薄膜開始結(jié)團，750℃就能生成高阻的NiSi2，這將增大薄膜電阻率，并引起器件的漏電流增大。目前在Ni中摻入金屬如Pt、Pd[2]等方法來提高NiSi的熱穩(wěn)定性，能夠起到不同程度的作用。本文首次提出在Ni中摻入W的方法來提高NiSi的熱穩(wěn)定性，取得了良好效果。

2 實驗

在摻As，濃度為1×1019cm-3，晶向<111>，n型硅襯底上生長一層厚為9μm ～10μm摻磷的外延層，外延層濃度5×1015cm-3。常規(guī)清洗后將其放入S-Gun磁控反應(yīng)濺射室內(nèi)，在本底真空度達到5.2×10-5Pa時，再通入Ar氣后，分別濺射15nm Ni/2nm W/15nm Ni夾層結(jié)構(gòu)。隨后進行第一次快速熱退火（RTA），溫度為600℃，時間40s，反應(yīng)生成Ni（W）Si薄膜。用H2SO4和H2O2煮2min，去除未反應(yīng)的Ni、W。最后在600℃～950℃范圍內(nèi)對樣品進行40s的第二次快速熱退火。用四探針法測量Ni/W/Si硅化物薄膜的薄層電阻，采用盧瑟福背散射（RBS）法分析金屬W在其中的原子百分含量及其硅化物的厚度，并借助Raman光譜分析方法研究Ni/W硅化物薄膜的相轉(zhuǎn)變。使用HP4156半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測量肖特基二極管的正反向特性。

3 結(jié)果和討論

3.1 Ni（W）Si薄膜的薄層電阻

用四探針法測量經(jīng)不同溫度快速熱退火后的Ni（W）Si薄膜的薄層電阻，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，CapTi/Ni/Si結(jié)構(gòu)經(jīng)600℃～700℃快速熱退火后，該硅化物的薄層電阻為3.0 Ω/□～3.2Ω/□。當(dāng)快速熱退火溫度升高到750℃時，薄膜電阻就增大到4.5 Ω/□，這個實驗結(jié)果已被張慧等人報道[6]。而由夾層結(jié)構(gòu)得到的Ni（W）Si薄膜經(jīng)受600℃～800℃快速熱退火后，薄層電阻比上述NiSi的方塊電阻要低，低阻值約為2 Ω/□，此時硅片表面光亮，硅化物顆粒細(xì)密而且顆粒分布均勻；而當(dāng)退火溫度上升到850℃時，雖然這時硅片表面仍然光亮，但硅化物表面開始粗糙不平而且硅化物顆粒明顯增大并出現(xiàn)結(jié)團的跡象，表明NiSi2開始形成。上述實驗結(jié)果表明摻W的鎳硅化物薄膜的熱穩(wěn)定性有了很大的改善，其薄層電阻由低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦璧臏囟忍岣叩?00℃以上。

3.2 Ni（W）Si薄膜的盧瑟福背散射（RBS）分析

為了較為準(zhǔn)確地了解究竟有多少W參加了硅化反應(yīng)，采用RBS確定在Ni（W）Si薄膜中W金屬的原子含量以及該硅化物厚度。其中15nm Ni/2nm W/15nm Ni/Si在800℃快速熱退火后的樣品被用來進行RBS分析。圖2給出了RBS的實驗結(jié)果：W在金屬中的原子含量為7.3%。Ni（W）Si硅化物厚度約為80nm。

3.3 Ni（W）Si薄膜的Raman 光譜分析

用Raman光譜分析快速熱退火后NiSi和Ni（W）Si薄膜中的物相組成。測試的樣品是30nm Ni /Si分別經(jīng)過650℃、750℃、800℃快速熱退火后的薄膜，和15nm Ni/2nm W/15nm Ni/Si分別經(jīng)歷650℃、800℃、850℃快速熱退火后的樣品。然后對它們形成的硅化物樣品進行Raman光譜分析測試。Raman光譜分析是在Renishaw1000譜線上進行的，使用的激光的波長是633nm。樣品的Raman光譜如圖3所示。

對于NiSi樣品，圖3（a）的拉曼光譜的實驗結(jié)果表明，對于650℃、750℃快速熱退火后的鎳硅化物薄膜樣品，在215cm-1和195cm-1左右位置附近都能夠觀測到有很強的Raman 光譜峰，其中215cm-1處是NiSi的峰[3,4]。而在800℃形成的樣品中，在215cm-1和195cm-1位置附近并沒有出現(xiàn)NiSi的峰，相反在290cm-1、380cm-1位置上已經(jīng)能夠明顯地看到有兩個很強的高阻NiSi2峰，而這個現(xiàn)象在650℃的樣品中并沒有發(fā)生，說明硅化物已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化成高阻NiSi2。對于Ni（W）Si樣品而言，圖3（b）的拉曼測試結(jié)果表明，經(jīng)650℃和800℃快速熱退火后的鎳硅化物薄膜樣品，仍然在215cm-1和195cm-1位置發(fā)現(xiàn)NiSi的存在，而且峰的強度很大；而850℃快速熱退火后的Ni（W）Si薄膜，在上述兩位置并沒有觀測到NiSi這兩個峰，相反在232 cm-1、297 cm-1、320 cm-1、402cm-1左右出現(xiàn)了高阻NiSi2峰。由此可見，650℃和800℃退火生成的Ni（W）Si硅化物只有NiSi，而沒有NiSi2峰的存在，在850℃退火生成的硅化物成分中，卻已能探測到在該薄膜中存在著高阻NiSi2。所以Raman光譜實驗也證明了摻W能夠延緩NiSi2的形成，將形成NiSi2的溫度提高到了800℃以上。

3.4 Ni（W）Si/Si肖特基勢壘二極管電學(xué)特性

鎳硅化物薄膜的熱穩(wěn)定性除了要考察薄層電阻的特性以外，它與硅接觸的電學(xué)特性在器件和電路的制造中也是非常重要的一個方面。采用的硅片材料為：n+型襯底，n型外延，外延層厚度9μm ～10μm，雜質(zhì)濃度5×1015cm-3，晶向<111>。器件面積為210μm×210μm，結(jié)構(gòu)為保護環(huán)結(jié)構(gòu)肖特基勢壘二極管。分別濺射夾層金屬15nm Ni/ 1.5nm W /15nm Ni，在600℃進行60s第一次快速熱退火，反應(yīng)生成Ni（W）Si并形成肖特基結(jié)。隨后用選擇腐蝕液去除未反應(yīng)的Ni、W。然后使其分別在650℃、700℃、750℃、800℃四個溫度下進行第二次快速熱退火，退火時間40s。為考察Ni（W）Si/Si肖特基二極管的電學(xué)特性，使用HP4156B半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進行了正向和反向I-V特性的測試。

圖4比較了650℃、700℃、750℃、800℃四個溫度下形成的Ni（W）Si/Si肖特基二極管的I-V正向特性。

由圖4可以求得Ni（W）Si/Si肖特基勢壘二極管的理想因子和勢壘高度，結(jié)果如表1所示。

可以看出，經(jīng)650℃～800℃等不同溫度快速熱退火的器件勢壘高度基本穩(wěn)定在0.65 eV左右；理想因子在1.00～1.04之間。

圖5為Ni（W）Si/Si肖特基勢壘二極管經(jīng)過650℃～800℃快速熱退火后的反向I-V特性。

由圖5可知，器件經(jīng)過650℃、700℃、750℃退火后，擊穿很硬，擊穿電壓在45V～49V左右，在擊穿點漏電流的量級在1μA左右；器件經(jīng)過800℃退火后反向擊穿特性仍然很好，只是漏電流比700℃、750℃退火的器件稍微大一點，在擊穿點漏電流的量級在30μA左右，擊穿電壓在49V左右，擊穿也很硬。而沒有摻入W的NiSi形成的NiSi/Si肖特基結(jié)能夠經(jīng)受的最高退火溫度為650℃，超過這個溫度則肖特基結(jié)的反向特性很差，漏電非常大，幾乎沒有結(jié)的特性。因此，在金屬Ni中摻入一定量的W，對于所形成的鎳硅化物的熱穩(wěn)定性以及Ni（W）Si/Si肖特基結(jié)的電學(xué)特性都有很大的改善作用。

4 結(jié)論

首次提出在NiSi薄膜中摻W能夠使Ni（W）Si薄膜的熱穩(wěn)定性提高。在600℃～800℃溫度范圍內(nèi)快速熱退火后薄層電阻低，約為2 Ω/□。Raman光譜分析結(jié)果均表明，Ni/W/Ni/Si薄膜經(jīng)600℃～800℃快速熱退火后，形成的Ni（W）Si硅化物中只有NiSi相而不存在NiSi2物相。因此摻7.3%的W能夠有效延緩NiSi2的形成，使鎳硅化物的薄層電阻由低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦璧臏囟忍岣叩?00℃以上，比沒有摻W的鎳硅化物的轉(zhuǎn)變溫度的上限提高了100℃。Ni（W）Si/Si肖特基勢壘二極管能夠經(jīng)受650℃～800℃不同溫度的快速熱退火，肖特基接觸特性良好，肖特基勢壘高度為0.65eV，理想因子接近于1。因而Ni（W）Si薄膜是一種性能良好的接觸和局部互連材料。

［1］E G.Colgan, J P Gambino,B Cunningham. Nickel silicide thermal stability on polycrystalline and single crystalline silicon [J]. Material Chemistry and Physics, 1996.

［2］D Mangelinck, J Y Dai, J S Pan, et al. Enhancement of thermal stability of NiSi film on（100）Si and（111）Si by Pt addition [J]. APPLIED PHYSICS LETTERS, 1999.

［3］P S Lee, K L Pey, D Mangelinck, et al. New Salicidation Technology With Ni（Pt）Alloy for MOSFETs [J]. IEEE ELECTRON DEVICES LETTERS, 2001.

［4］P S Lee, K L Pey, D Mangelinck, et al. Improved NiSi Salicide Process Using Presilicide N2＋ Implant for MOSFETs [J].IEEE ELECTRON DEVICES LETTERS, 2000.