Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)壘二極管電學(xué)特性研究

石青宏，劉瑞慶，黃 偉

(1.深圳深愛(ài)半導(dǎo)體股份有限公司，廣東 深圳 518116；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，江蘇 無(wú)錫 214072)

Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)壘二極管電學(xué)特性研究

石青宏1，劉瑞慶2，黃 偉2

(1.深圳深愛(ài)半導(dǎo)體股份有限公司，廣東 深圳 518116；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 58 研究所，江蘇 無(wú)錫 214072)

首次提出在 Ni中摻入夾層 W 的方法來(lái)提高 NiSi的熱穩(wěn)定性。具有此結(jié)構(gòu)的薄膜，經(jīng)600～800 ℃快速熱退火后，薄層電阻保持較低值，小于 2 Ω/□。經(jīng) Raman 光譜分析表明，薄膜中只存在 NiSi相，而沒(méi)有 NiSi2生成。Ni(W)Si的薄層電阻由低阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦璧臏囟仍?800 ℃以上，比沒(méi)有摻 W 的鎳硅化物轉(zhuǎn)變溫度的上限提高了 100 ℃。Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)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(shì)壘高度為 0.65 eV，理想因子接近于 1。

Ni(W)Si；熱穩(wěn)定性；肖特基勢(shì)壘二極管；XRD；Raman 光譜；盧瑟福背散射；快速熱退火(RTA)

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(diǎn)，例如接觸電阻低、薄層電阻小、無(wú)電遷徙現(xiàn)象、能夠?qū)崿F(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和能夠承受高溫?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(diǎn)，卻沒(méi)有 Ti硅化物的“橋連”現(xiàn)象和線寬效應(yīng)，也沒(méi)有CoSi2形成時(shí)耗硅多、應(yīng)力大、漏電大的缺點(diǎn)，因而NiSi能夠適應(yīng)集成電路特征尺寸不斷縮小的趨勢(shì)，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(gè)亟待解決的問(wèn)題，即熱穩(wěn)定性差[1]，大于650 ℃ RTA 退火后的 NiSi薄膜開(kāi)始結(jié)團(tuán)，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(lái)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(lái)提高 NiSi的熱穩(wěn)定性，取得了良好效果。

2 實(shí)驗(yàn)

在摻 As，濃度為 1×1019cm-3，晶向 <111>，n 型硅襯底上生長(zhǎng)一層厚為 9～10 μm 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(dá)到 5.2×10-5Pa 時(shí)，再通入 Ar氣后，分別濺射 15 nm Ni/2 nm W/15 nm Ni夾層結(jié)構(gòu)。隨后進(jìn)行第一次快速熱退火（RTA），溫度為 600℃，時(shí)間 40 s，反應(yīng)生成 Ni(W)Si薄膜。用 H2SO4和 H2O2煮 2 min，去除未反應(yīng)的 Ni、W。最后在 600～950 ℃范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行 40 s的第二次快速熱退火。用四探針?lè)y(cè)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(cè)試儀測(cè)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?lè)y(cè)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 3.0～3.2 Ω/□。當(dāng)快速熱退火溫度升高到 750 ℃時(shí)，薄膜電阻就增大到 4.5 Ω/□，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果已被張慧等人報(bào)導(dǎo)[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(shí)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(shí)，雖然這時(shí)硅片表面仍然光亮，但硅化物表面開(kāi)始粗糙不平且硅化物顆粒明顯增大并出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的跡象，表明NiSi2開(kāi)始形成。上述實(shí)驗(yàn)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?800 ℃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 15 nm Ni/2 nm W/15 nm Ni/Si在 800 ℃快速熱退火后的樣品被用來(lái)進(jìn)行 RBS分析。圖2 給出了 RBS的實(shí)驗(yàn)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 80 nm。

圖2 15 nm Ni/2 nm W/15 nm Ni/(111)Si經(jīng) 800℃快速熱退火后的 RBS分析

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(cè)試的樣品是 30 nm Ni/Si分別經(jīng)過(guò) 650 ℃、750 ℃、800 ℃快速熱退火后的薄膜，和15 nm Ni/2 nm W/15 nm Ni/Si分別經(jīng)歷 650 ℃、800 ℃、850 ℃快速熱退火后的樣品。然后對(duì)它們形成的硅化物樣品進(jìn)行 Raman 光譜分析測(cè)試。Raman 光譜分析是在 Renishaw1000 譜線上進(jìn)行的，使用的激光波長(zhǎng)是633 nm。樣品的 Raman 光譜如圖3 所示。

圖1 Cap Ti/Ni/Si和 Ni/W/Ni/Si形成的硅化物薄層電阻與快速熱退火溫度的關(guān)系曲線

對(duì)于 NiSi樣品，圖3(a)的拉曼光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于 650 ℃、750 ℃快速熱退火后的鎳硅化物薄膜樣品，在 215 cm-1和 195 cm-1左右位置附近都能夠觀測(cè)到有很強(qiáng)的 Raman 光譜峰，其中 215 cm-1處是 NiSi的峰[3,4]。而在 800 ℃形成的樣品中，在 215 cm-1和195 cm-1位置附近并沒(méi)有出現(xiàn) NiSi的峰，相反在 290、380 位置上已經(jīng)能夠明顯地看到有兩個(gè)很強(qiáng)的高阻NiSi2峰，而這個(gè)現(xiàn)象在 650 ℃退火的樣品中并沒(méi)有發(fā)生，這說(shuō)明硅化物已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化成高阻 NiSi2。對(duì)于 Ni (W)Si樣品而言，圖3(b)的拉曼測(cè)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 215 cm-1和 195 cm-1位置發(fā)現(xiàn) NiSi的存在，而且峰的強(qiáng)度很大；而 850 ℃快速熱退火后的 Ni(W)Si薄膜，在上述兩個(gè)位置并沒(méi)有觀測(cè)到 NiSi這兩個(gè)峰，相反在 232 cm-1、297 cm-1、320 cm-1、402 cm-1左右出現(xiàn)了高阻 NiSi2峰。由此可見(jiàn)，650 ℃和 800 ℃退火生成的 Ni(W)Si硅化物只有 NiSi，而沒(méi)有 NiSi2峰的存在，在 850 ℃退火生成的硅化物成分中，卻已能探測(cè)到在該薄膜中存在著高阻 NiSi2。所以 Raman 光譜實(shí)驗(yàn)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。

圖3 (a)NiSi薄膜和(b)Ni(W)Si薄膜經(jīng)不同溫度快速熱退火后的 Raman 光譜圖

3.4 Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)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)特性在器件和電路制造中也是非常重要的一個(gè)方面。采用的硅片材料為 n+型襯底，n 型外延，外延層厚度 9～10 μm，雜質(zhì)濃度 5× 1015cm-3，晶向 <111>。器件面積為 210 μm×210 μm，結(jié)構(gòu)為保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)肖特基勢(shì)壘二極管。分別濺射夾層金屬 15 nm Ni/1.5 nm W/15 nm Ni，在 600 ℃進(jìn)行 60 s 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(gè)溫度下進(jìn)行第二次快速熱退火，退火時(shí)間 40 s。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(jìn)行了正向和反向 I-V 特性的測(cè)試。圖4 為具有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的 Ni(W)Si/Si肖特基二極管器件剖面圖。

圖4 具有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的 Ni(W)Si/Si肖特基二極管器件剖面圖

圖5 比較了 650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃四個(gè)溫度下形成的 Ni(W)Si/Si肖特基二極管的 I-V 正向特性。

圖5 不同溫度快速熱退火的 Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)壘二極管正向 I-V 特性

由圖5 可以求得 Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)壘二極管的理想因子和勢(shì)壘高度，結(jié)果如表1所示。

表1 經(jīng)不同溫度快速熱退火的 Ni(W)Si/Si肖特基二極管的勢(shì)壘高度和理想因子

退火溫度 勢(shì)壘高度ΦB 理想因子n 6 5 0 ℃ 0 . 6 4 e V 1 . 0 4 7 0 0 ℃ 0 . 6 4 e V 1 . 0 5 7 5 0 ℃ 0 . 6 6 e V 1 . 0 1 8 0 0 ℃ 0 . 6 6 e V 1 . 0 1

可以看出，經(jīng) 650～800 ℃等不同溫度快速熱退火的器件的勢(shì)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6 為 Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)壘二極管經(jīng)過(guò) 650～800 ℃快速熱退火后的反向 I-V 特性。

圖6 不同溫度快速熱退火的 Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)壘二極管反向 I-V 特性

從圖6 中可以看到，器件經(jīng)過(guò) 650℃、700℃、750℃退火后，擊穿很硬，擊穿電壓在 45～49 V 左右，在擊穿點(diǎn)漏電流的量級(jí)在 1 μA 左右；器件經(jīng)過(guò) 800 ℃退火后反向擊穿特性仍然較好，只是漏電流比 700 ℃、750 ℃退火的器件稍微大一點(diǎn)，在擊穿點(diǎn)漏電流的量級(jí)在 30 μA 左右，擊穿電壓在 49 V 左右，擊穿也較硬。究其原因，雖然 800 ℃退火后的 Ni(W)Si硅化物薄膜無(wú)高阻 NiSi2，但此刻低阻相 NiSi已開(kāi)始結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致NiSi/Si肖特結(jié)界面變差，故反向擊穿特性已開(kāi)始褪化。而沒(méi)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(guò)這個(gè)溫度則肖特基結(jié)的反向特性很差，漏電非常大，幾乎沒(méi)有結(jié)的特性。因此，在金屬 Ni中摻入一定量的 W，對(duì)于所形成的鎳硅化物熱穩(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

首次報(bào)導(dǎo)了在 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?800 ℃以上，比沒(méi)有摻 W 的鎳硅化物的轉(zhuǎn)變溫度上限提高了 100 ℃。Ni(W)Si/Si肖特基勢(shì)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(shì)壘高度為 0.65 eV，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。

致謝：

實(shí)驗(yàn)流片工作均在北京大學(xué)微電子研究院工藝實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，謹(jǐn)對(duì)該工藝線上的技術(shù)人員和老師們的工作和指導(dǎo)表示衷心感謝。

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臺(tái)灣穩(wěn)懋砷化鎵晶圓制造廠擴(kuò)張產(chǎn)能 20%

臺(tái)灣穩(wěn)懋半導(dǎo)體是全球首座以六英寸晶圓生產(chǎn)砷化鎵電路的專業(yè)晶圓代工服務(wù)廠。近期，穩(wěn)懋完成了新一輪晶圓廠翻新擴(kuò)張，對(duì)其第三家最新的晶圓廠（Fab C）配備最先進(jìn)的凈化間、工藝線和砷化鎵微波集成電路（GaAs MMIC）生產(chǎn)設(shè)備，以及復(fù)合半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)、制造和光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。穩(wěn)懋主要提供 HBT、pHEMT、集成 BiHEMT 方案和光學(xué)設(shè)備，用于功率放大器、WiFi、無(wú)線區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)基建和光學(xué)市場(chǎng)。產(chǎn)品線可滿足 50 MHz到 150 GHz光波傳輸?shù)膹V大應(yīng)用。穩(wěn)懋首席執(zhí)行官表示，F(xiàn)ab C 的擴(kuò)建還在持續(xù)進(jìn)行，量產(chǎn)能力仍在不斷提高，建設(shè)完畢后廠房面積達(dá) 65590 m2，產(chǎn)能是目前的2倍。 （編譯 李星悅）

原 文 鏈 接 ：http://www.semiconductor-today.com/news_ items/2017/may/win_110517.shtml

Studies of Electrical Properties of Ni(W)Si/Si Schottky Barrier Diode

SHIQinghong1,LIU Ruiqing2,HUANG Wei2
(1.Shenzhen SI Semiconductors Co.,Ltd.Shenzhen 518116,China；2.China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China)

In the paper,a noveltechnique ofadding a thin Winterlayerin the nickelfilm isatfirsttime proposed forbetterthermalstability ofnickelsilicide.After RTA temperature reaches about600～800 ℃,Ni(W)Sifilm exhibits low sheet resistances of less than 2 Ω/□.Raman spectral analysis shows that there exists only NiSi phase and no NiSi2phase in the Ni(W)Sifilm.The transformation temperature from low resistance phase to high resistance phase increases to 800 ℃ at least,100 ℃ higher than that of NiSi.The electrical properties of fabricated Ni(W)Si/Si Schottky Barrier Diode is satisfactory.The barrier height and the ideal factor of the devices are about0.65 eV and close to 1.Itfurther proves thatthe presence of Welementin Nickelsilicide is effective in promoting thermalstability and electricalproperties ofNickelmonosilicide.

Ni(W)Si;thermalstability;Schottky Barrier Diode;XRD;Raman spectralanalysis;RBS(Rutherford backscattering spectrometry);RTA(Rapid thermalannealing)

TN304

A

1681-1070 （2017）06-0041-04

石青宏（1973—），男，廣東深圳人，1998 年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，目前就職于深圳深愛(ài)半導(dǎo)體股份有限公司，主要從事半導(dǎo)體生產(chǎn)與管理工作；

劉瑞慶（1981—），男，山東高密人，2006 年畢業(yè)于南京理工大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，目前就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 58研究所，主要從事微電子預(yù)研工作。

2017-4-19