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NiとSiの積層薄膜によって形成したシリサイドの
シート抵抗に対する熱処理温度の影響
Effect of Annealing Temperature on Sheet Resistance of
Ni Silicide Formed by Multi-layered Ni and Si Film
2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
田村雄太1, 角嶋邦之2, 中塚理3, パールハット アヘメト1, 筒井一生2, 西山彰2, 杉井信之2, 名取研二1, 服部健雄1, 岩井洋1
1東京工業大学フロンティア研究機構, 2東工大総理工, 3名古屋大学工学部
Y. Tamura1, K. Kakushima2, , O. Nakatsuka3, P. Ahmet1, K. Tsutsui2, A. Nishiyama2, N. Sugii2, K. Natori1, T. Hattori1, H. Iwai1
1Frontier Research Center, Tokyo Tech.2IGSSE, Tokyo Tech., 3Nagoya Univ.E-mail: tamura.y.al@m.titech.ac.jp
2
研究背景 ~ NiSiの特徴 ~MOSFETのSource/Drain (S/D)のコンタクトとして
Ni monosilicide (NiSi)が用いられている
NiSiの特長・低い抵抗率
・Siの消費量が少ない・350 oCでsilicide形成
問題点
・熱処理温度が600 oCを超えると凝集(agglomeration)が生じる・界面が平坦でない K. Tsutsui et al., Microelectron. Eng., 85, 2000, 2008
600 oC 700 oC
NiSi
2µm
agglomeration
NiSiはSi基板に4.0nm以上の膜厚のNiを堆積し、熱処理することで形成
試料表面で凝集が生じる
3
silicide 抵抗率(µΩcm) 形成温度(oC) Si消費量(tSi/tNi)
NiSi 20 tNi>4.0nm:350~750 1.83
NiSi2 34 ~ 50tNi>4.0nm:750~850tNi<3.0nm:350~850
3.65
研究背景 ~ Ni薄膜堆積によるNiSi2の特徴 ~NiSiの問題点を解決する方法
膜厚が3.0nm以下のNiを堆積することにより得られるNiSi2
特長・350 oC付近でNiSi2が形成
・800 oC以上でも凝集が生じない・界面がほぼ平坦
T. Morimoto et al., IEEE Trans. Electron Devices, 42, 915, 1995 K. De Keyser et al., APL, 96, 173503, 2010
tNi:Niの膜厚 tSi:消費されるSiの膜厚
4
研究背景 ~ Ni薄膜堆積によるNiSi2の特徴 ~
問題点
・Siの消費量が多い
・低温熱処理の段階では界面にfacetが生じる。
平坦な界面にするには800 oC以上の熱処理が必要
・Niの膜厚が3.0nm以下という制限のため、
形成するNiSi2の膜厚が制限される
20nm
850 oC
L. Knoll et al., IEEE EDL, 31, 350, 2010
平坦な界面の形成には高温熱処理が必要
500 oC Ni - 3.0nm堆積
facet
5
研究目的
Ni/Si 積層構造に注目
・NiとSiの原子数の比を1:2とし、NiSi2を形成
・Si基板にNiとSiを交互に堆積
・Niに加えSiを堆積させることでSi基板からの
Si消費を抑制・積層回数を変えることでNiSi2の膜厚を制御
Si/ Ni
Si Sub
・・・
Ni/Si 積層構造
構造
特長
①シート抵抗に対する熱処理温度の影響
②熱処理によって形成したNi silicideのphase③界面の状態
研究目的Ni/Si積層構造に対して
A. Ishizaka, Y. Shiraki, Surf. Sci., 174, 671, 1986
6
実験手順
洗浄(SPM and HF)スパッタにより堆積(Ar雰囲気)・ 積層 (Ni-0.5nm/Si-1.9nm)x8層 - 19.2nm・ Ni - 3.0nm・ Ni - 5.5nm
熱処理 (RTA N2雰囲気)1min
Si(1.9nm)/Ni(0.5nm)
積層-19.2nm
n-Si基板 ( 3x1015 cm-3 )
200 oC ~ 900 oC
測定
シート抵抗(4探針法)XPSTEM
n-Si(100) Sub
n-Si(100) Sub n-Si(100) Sub
Ni-3.0nmNi-5.5nm
Ni-3.0nm Ni-5.5nm
・・・
x 8 layer
7
実験結果 ~ シート抵抗 ~Sh
eet r
esis
tanc
e (Ω
/sq)
Annealing temperature (oC)
0
100
200
300
400
500
0 200 400 600 800
Ni-5.5nm
Ni-3.0nm積層
・積層
・325 oCでシート抵抗減少・875 oCまで凝集が生じない
・Ni-5.5nm低抵抗だが500 oCを超えると凝集が生じる
・Ni-3.0nm
500 oCを超えても凝集が生じない
Ni-3.0nmと同様の傾向
RTA : 1 min in N2
Ni-5.5nmに対して
agglomeration
Source 温度領域 (oC)
積層 325 - 875
Ni-3.0nm 400 - 800
Ni-5.5nm 325 - 500
XPS, TEMで測定
100 300 500 700 900
8
Binding energy (eV)851853855857
Inte
nsity
(a.u
.)500 oC
NiSi2
hν=7938.57eVNi 2p3/2
実験結果 ~ XPS ~
積層、Ni-3.0nm、Ni-5.5nm Source Silicide phase
積層 NiSi2
Ni-3.0nm NiSi2
Ni-5.5nm NiSi
積層とNi-3.0nmが同様のピーク
シート抵抗とXPSの結果から、
Ni/Si積層構造でもNiSi2が形成
していると考えられる
Ni-5.5nmはNiSiのピークNi-3.0nmはNiSi2のピーク
Ni-5.5nm
Ni-3.0nm
積層
Ni
NiSi
9
積層
Binding energy (eV)851853855857
Inte
nsity
(a.u
.)
λsin80o
= 9.41nm
λsin52o
= 7.53nmλsin40o
= 6.15nmλsin30o
= 4.78nmhν=7938.57eVNi 2p3/2
角度依存性がほとんどないため、均一な膜が形成
NiSi2
500 oC
実験結果 ~ AR-XPS ~
80 o
30 o
θ積層silicide
n-Si(100) Sub
10
as deposited 500 oC annealing
10nm 10nm
Si (100)Si (100)
NiSi2
・熱処理前後で膜厚に変化がなく、Si基板の消費なし
・平坦な界面と表面
実験結果 ~ 断面TEM ~
積層
8 set ofNi/Si layers
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まとめ
Ni/Si積層構造によって形成したNi silicide
NiSi2が低温の熱処理により形成され、高温まで凝集が
生じない
低温の熱処理においても界面および表面が平坦である
均一な膜が形成している
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謝辞
本研究はNEDOの支援により実施された
ご静聴ありがとうございました
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