[반도체 공정] 배선공정(Metallization)-2. 실리사이드(Silicide)
4. 실리사이드(Silicide)
: 단결정 Si과 metal의 compound
Poly-Si위에 형성시킨 silicide를 polycide라고 부르기도 함
소자의 소스/드레인 영역, 게이트 배선의 저항을 낮추기 위한 공정
- Shallow Junction이 Source Drain 저항을 증가, Contact Area 감소가 Contact 저항을 증가
, 좁은 Gate Width가 Poly Si Electrode 저항을 증가시키기 때문에 낮은 저항의 Silicide가 중요
- Semi-Metal 간shottky contact 해결
고온 잘 견뎌 국소 배선에 적용
낮은 비저항, 열 안정성이 필요
1) 살리사이드(Salicide,Self Aligned Silicide)
: Metal이 Si과만 반응하는 것을 이용하여 별도의 패턴 공정 없이 원하는 영역에 Silicide를 형성시키는 공정
Si과 반응을 진행하지 않는 금속을 식각 등으로 제거
Pre-cleaning-> Metal sputter 증착-> 1st RTA-> Un-reacted metal removal-> 2nd RTA
2) Material
C-54 TiSi2-> CoSi2-> NiSi
갈수록 저항, 생성 온도낮음
- Ti Silicide
: 650℃-700℃, C-49 TiSi2(Orthorhombic, 60-70 μΩ. cm),
770℃ 이상, C-54 TiSi2(Orthorhombic, 15-25 μΩ. cm)
* Silicide phase transition은 silicon diffusion에 의해 진행
100nm 이하 Ti Silicide 사용 어려움
- Silicide Bridge: Main Moving Species인 Si이 열공정을 진행하는 동안 Spacer 위의 Ti 막으로 확산, TiSi2 형성
Spacer 막의 Etch 공정으로 인한 CFx polymers가 남아 있는 경우 TiSi2의 lateral growth가 더 발생
-> Open circuit 문제
CoSi2, NiSi 경우 Co, Ni이 Main Moving Species이므로 Bridge문제가 발생하지 않는다.
개선방법- N2 or NH3 Anneal: N2 or NH3가 표면의 Ti와 반응해 TiN 형성함으로써 Si 확산 억제
PAI(Pre-Amorphization Ion Implant): As, Ge 등의 이온 주입을 통한 Si의 비정질화
-> TiSi2의 nucleation 향상-> Grain size가 줄어듦
-> Si 확산 억제
낮은 온도의 1st RTA: 미 반응 Ti 제거 및 Si 확산 억제, 이후 2nd RTA 진행
Removal 공정 최적화- 얇게 형성된 Spacer 위의 TiSi2 식각
ATC After Treatment Cleaning): CFx polymer는 HF에서 잘 제거되지 않으므로 ATC이후 HF적용
- Narrow line width effect(세선 효과): Poly-Si 선 폭이 감소에 따라 C49 TiSi2-> C54 TiSi2 transition을 위한
Nuclei site(grain boundary)의 감소로 상전이에 어려움이 생겨 공정 후에도
저항이 높은 C49 TiSi2가 함께 존재
개선방법- PAI: C49 grain size를 줄여 grain boundary 증가
내열합금: 3 성분계를 형성-> grain size가 줄어듦
-
- Co Silicide
: 450℃-500℃, CoSi (Cubic, ~150 uΩ. cm),
600-750℃, CoSi2 (Cubic, 15-20 μΩ. cm)
장: 가장 높은 열적 안정성
단: 실리콘 표면 상태에 민감
얕은 접합 어려움- 실리콘 소모량 많기 때문
오염 쉬움-주변에 민감하기 때문
-> Ti/TiN capping Layer 통해 개선-Ti capping: grain boundary에 Ti가 위치해 열공정에서 CoSi2 응집 억제
TiN capping: 고온 열공정에서 쉽게 응집 발생
Si의 확산 억제
- Ni Silicide
: 300-500℃, NiSi (Orthorhombic, 10-20 μΩ. cm),
700℃ 이상, NiSi2 (Orthorhombic, ~35 μΩ. cm)
장: 낮은 저항
얕은 접합- 실리콘 소모량 적음
단: 낮은 열적 안정성
- 응집(열적 안정성 문제)
: 후속 열공정에 의해 Metal-Si bond가 끊어져 금속원자가 surface energy가 낮은 방향으로 diffusion,
-> Metal-Si interface의 Si과 반응하여 발생
개선방법- Capping layer
PAI
Low Temp ILD 공정
- 이상 산화 (Abnormal oxidation)
: Silicide 형성 시 또는 후 O2 분위기의 열공정으로 인해 발생
개선방법- Load Lock 장치 적용해 O2 유입 방지
산화반응 억제- 산소가 유입되는 웨이퍼 로딩/언로딩 시 온도를 낮춤
*PAI
: 주입된 이온이 nucleation site를 제공해 grain size 감소
이온 주입시 ion energy와 NiSi films의 두께는 비례
ion implant dosage와 NiSi films의 두께는 반 비례
- heavy ion PAl에 의한 박막의 high free energy로 silicide nucleation 향상, 주입된 이온이 Si내로의 Ni의 확산을 제한
낮은 ion energy, 높은 Ion implant dosage일 수록 작은 grain size 형성
* 출처- Pin Hong Chen at el, (2014), Investigation Pre-Amorphization Implantation on Nickel Silicide Formation
, IEEE, pp. 249-252