多层薄膜固相反应外延

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1、Co/a-GeSi/Ti/Si多层薄膜固相反应外延生长CoSi2薄膜摘要：研究了在Co/Ti/Si结构中加入非晶GeSi层对CoSi2/Si异质固相外延的影响，用离子束溅射方法在Si衬底上制备Co/GeSi/Ti/Si结构多层薄膜，实验表明，利用Co/GeSi/Ti/Si固相反应形成的CoSi2薄膜具有良好的外延特性和电学特性，Ti中间层和非晶GeSi中间层具有促进和改善CoSi2外延质量，减少衬底耗硅量的作用。关键词：金属硅化物；固相外延；扩散阻挡层；晶格失配。1引言金属硅化物作为欧姆接触、肖特基势垒接触、ＭＯＳ器件自对准接触和局部互连材料在ＶＬＳ

2、Ｉ／ＵＬＳＩ集成电路工艺中已获得广泛应用。随着器件尺寸进入深亚微米阶段，要求制备电学、热学特性更加优良的超浅结接触。外延硅化物具有低电阻率，良好的高温稳定性，平整的金属硅化物／硅界面，受到关注。ＣｏＳｉ２具有低的体电阻率（１５～２０μΩ•ｃｍ），晶格常数与Ｓｉ接近（ＣｏＳｉ２：０．５３７ｎｍ，Ｓｉ：０．５４３ｎｍ），室温下晶格失配率为１．２％，易于在Ｓｉ衬底上异质外延，成为引人注目的接触金属硅化物薄膜材料。外延ＣｏＳｉ２薄膜的生长可以通过控制到达硅衬底上Ｃｏ原子的浓度来实现，例如由扩散阻挡层控制Ｃｏ、Ｓｉ互扩散速率，或者通过控制沉积速率来控制到达硅衬

3、底上直接参与反应的Ｃｏ粒子流。如果在足够高的温度下，使Ｃｏ原子的消耗率大于供给率，此时将在硅衬底上生成外延取向的ＣｏＳｉ２。目前文献报道的制备外延ＣｏＳｉ２薄膜的主要方法有分子束外延（ＭＢＥ）Ｔｉ中间层调制外延（ＴＩＭＥ）氧化物中间层调制外延（ＯＭＥ）等技术。ＴＩＭＥ方法即用Ｃｏ／Ｔｉ／Ｓｉ三元结构固相反应制备外延ＣｏＳｉ２，是９０年代初出现的新方法，Ｔｉ中间层在高温反应下和ＣｏＳｉ等形成扩散阻挡层控制Ｃｏ、Ｓｉ原子互扩散及反应速率，促进ＣｏＳｉ２外延生长。同时Ｔｉ层可以还原Ｓｉ表面的自然氧化层，为ＣｏＳｉ反应提供清洁的界面Ｔｉ原子还会扩

4、散到表面，与退火环境的Ｎ２气氛反应生成ＴｉＮ覆盖层，减少ＣｏＳｉ２生成物表面的被氧化。随着集成电路的器件尺寸向深亚微米发展，要求制备１０ｎｍ量级的超浅结。但是在形成ＣｏＳｉ２薄膜时，１ｎｍＣｏ要消耗３．６１ｎｍＳｉ才形成３．４９ｎｍＣｏＳｉ２。硅化物生长时过大的耗硅量将不利于超浅结的要求，可能导致ｐｎ结电学特性变坏，影响器件总体性能。最近有研究工作提出加入一薄层非晶Ｓｉ，即采用Ｃｏ／ａ－Ｓｉ／Ｔｉ／Ｓｉ多层薄膜的结构可以制备良好的外延ＣｏＳｉ２薄膜，并减少一定的耗硅量。本工作采用加入一薄层非晶ＧｅＳｉ代替非晶Ｓｉ，通过固相反应在Ｓｉ衬底上生长ＣｏＳｉ

5、２，多种测试分析方法表明薄膜具有优良的电学特性和外延特性，同时对各种原子的扩散运动作了定性分析Ｇｅ原子均匀分布在ＣｏＳｉ２薄膜中，可以改善外延ＣｏＳｉ２／Ｓｉ的晶格失配率。2实验实验采用电阻率为５～８Ω•ｃｍ的ｎ－Ｓｉ１００）单晶片作为衬底，经标准ＲＣＡ艺清洗后、用稀释的ＨＦ溶液（ＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：４０）漂去表面的自然氧化层，甩干后装入ＯＸＦＯＲＤ多功能溅射系统，在真空条件下采用离子束溅射技术连续淀积Ｔｉ、ＧｅＳｉ、Ｃｏ膜。系统本底真空为１×１０－５Ｐａ．采用Ａｒ＋离子束溅射时的典型工作气压为５．５×１０－３Ｐａ，薄膜厚度由石英晶体振荡器在线控制

6、。溅射用的ＧｅＳｉ靶是通过导电胶将Ｇｅ片粘固在Ｓｉ靶上Ｇｅ片面积约占Ｓｉ靶的１５％，由溅射产额换算得Ｇｅ、Ｓｉ原子比约为１：４，样品中Ｃｏ膜厚度采用４ｎｍ，１５ｎｍ两种，ＧｅＳｉ膜厚度为０～１０ｎｍ，Ｔｉ膜厚度为３ｎｍ。溅射后的样品置于国产ＫＳＴ－２型卤钨灯快速热退火系统中，在高纯Ｎ２保护下经５００～１０００℃快速热退火（ＲＴＡ）。采用四探针电阻仪测试样品的薄层电阻，用俄歇电子能谱（ＡＥＳ）分析测试样品经退火前后的原子扩散。用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）观察薄膜的结构和结晶情况。用卢瑟福背散射（ＲＢＳ）沟道测量技术表征薄膜的外延质量，该测量采用２ＭｅＶＨｅ

7、＋，测试角为１７０°。3结果及讨论Ｃｏ／Ｓｉ薄膜固相反应的一般相序为ＣＯ２Ｓｉ－ＣｏＳｉ－ＣｏＳｉ２，由于Ｃｏ２Ｓｉ、ＣｏＳｉ的电阻率比ＣｏＳｉ２高一个量级左右，在不考虑薄膜表面形貌对电阻影响的情况下，可以认为薄层电阻曲线进入稳定的低电阻率阶段时，薄膜中主要为ＣｏＳｉ２相，图１为Ｃｏ（１５ｎｍ）／ＧｅＳｉ／Ｔｉ（３ｎｍ）／Ｓｉ结构中采用０～１０ｎｍ不同厚度ＧｅＳｉ层，在不同温度下等时退火一分钟的薄层电阻变化情况。图中可见，ＧｅＳｉ层厚度对最终生成的ＣｏＳｉ２薄层电阻值影响很小。但是，ＧｅＳｉ层越厚，达到稳定低电阻率相的温度越高，从ＧｅＳｉ层４ｎｍ时的

8、７８０℃上升到１０ｎｍ的８５０℃，经１０００℃高温快速退火后，薄层电阻仍然保持较低的电阻率．约为１８～２２μ