形成硅化镍层以及半导体器件的方法技术

一种在暴露的硅表面上形成硅化镍层的方法，包括：　　　　在暴露的硅表面上沉积镍合金层，镍合金包括镍和合金金属；以及　　　　使镍合金层与暴露的硅表面反应，从而形成具有上层和下层的硅化镍层，其中合金金属优先偏析在上层中，其中：　　　　合金金属不多于镍合金的１０原子百分比。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于制造半导体器件的改进结构及方法，更加具体地，涉及一种在使用镍合金形成自对准硅化物(salicide)层的半导体器件制造工艺期间，用于形成镍自对准硅化物结构的改进结构及方法。
技术介绍
随着半导体器件集成度持续增大、以及与这些器件相关的临界尺寸持续减小，对确定用于以低电阻材料制造从而保持或降低信号延迟的材料和工艺的兴趣愈来愈浓。硅化物和自对准硅化物(salicideself-aligned silicide))材料及工艺已被广泛地用于降低MOS器件的栅极导体和源极/漏极区的表面电阻(sheet resistance)和接触电阻。包括钨、钽、锆、钛、铪、铂、钯、钒、铌、钴、镍及这些金属的各种合金在内的诸多金属已被用于在半导体器件上形成硅化物层。然而，对于栅极长度小于约100nm的情况，传统的自对准硅化物工艺及材料趋于面临着包括开口、残留物和层的非均匀性在内的各种困难，这些困难至少部分地产生于硅化物材料层内的结块。这些困难由于高温处理而加剧，该高温处理是使绝大部分金属与硅反应从而形成期望的硅化物层所需的。所需的高温退火还提高了对硅化物退火工艺对于所制造的器件的热预算的影响的关注。例如，在用钴形成硅化物时，硅化物的初始化学配比一般可以表示为CoSi，但是随着退火工艺的继续，特别是在较高的温度下，硅化物倾向于包含进越来越大量的硅，并且达到了一种更接近于表示为CoSi2的成分。然而，对于具有小于约100nm的栅极长度的器件而言，在传统的Co自对准硅化物工艺中使用的第二高温硅化容易导致硅化物材料层内的结块，这增大了层内不均匀的程度并容易使所得器件的性能退化。镍是一种用于形成硅化物的很具吸引力的材料，因为形成所需硅化物所需的退火工艺可以在相对低的温度下进行，例如，低于约550℃。依据反应条件，镍可以与硅反应从而形成一硅化二镍(Ni2Si)、硅化镍(NiSi)、或二硅化镍(NiSi2)作为硅化产物。使用高于约550℃的退火温度容易增加电阻性最强的二硅化镍(NiSi2)的形成，并相应地增加了硅的消耗，因此一般不采用。然而，硅化镍(NiSi)可以优先形成在较低的温度下，并且提供了三种镍的硅化物物相中最低的表面电阻。由于较低的硅化温度，NiSi表现出降低的结块趋势并且形成了其表面电阻通常与器件尺寸无关的硅化物层，这增加了其对于降低精细线条结构的电阻的作用。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了通过镍合金与暴露的硅表面之间的反应形成硅化镍层的方法，包括在暴露的硅表面上沉积镍合金层，镍合金包括镍和合金金属(alloying metal)；使镍合金层与暴露的硅表面反应，从而形成具有上层和下层的硅化镍层，其中合金金属优先偏析进上层中。由于此偏析，硅化物层的下层和上层将具有不同的成分和不同的厚度。例如，下层倾向于成为两层中较厚的，并且通常将包括至少约95原子百分比的镍和硅，而镍和硅以约1的原子比在下层中出现，并且主要表现为NiSi，最多仅有少量的NiSi2。相反，上层倾向于成为两层中较薄的，并且包含大部分合金金属，例如钽。依据镍合金中合金金属的初始浓度，上层中镍和硅的最终浓度可以大范围变化，例如，包括在约2至约90原子百分比之间，并且以约1∶1至约2∶1之间的原子比出现。形成硅化物层的示例性方法可包括在形成硅化物以前，在镍合金层上形成诸如氮化钛(TiN)材料的覆盖层(capping layer)，特别是富氮的TiN层，即N∶Ti原子比至少为约0.5，且高达约2。选定的合金金属在硅中的扩散系数和溶解度都应当低于镍的相应值。合金金属还应具有超出形成硅化镍所需的硅化温度。已证实，钽作为合金金属，在上达至少约10原子百分比的浓度下，兼具这些特性，并且显现出有利于形成根据本专利技术示例性实施例的硅化物，并且在约0.1原子百分比至约5原子百分比范围内的水平，特别是在约3.5原子百分比下表现出可以接受的性能。依据沉积镍合金层之前具体的用于制备衬底的工艺流程，根据本专利技术示例性实施例的硅化镍可以仅形成在栅极电极结构上、仅形成在例如MOS晶体管的源极/漏极区的有源区表面上，或者在栅极电极和有源区两者之上。在硅化镍未形成在栅极电极上的情况下，栅极电极结构通常包括一个或多个覆盖层，用于保护设置在栅极介电层上的多晶硅层。在硅化镍限于栅极电极的情况下，可以在衬底上形成绝缘体沉积序列，通常为一层或多层化学气相沉积(CVD)氧化物。绝缘体的上部然后可使用例如化学机械抛光或回蚀工艺去除，从而暴露栅极电极结构的上部硅表面，同时保护有源区不暴露给镍合金。对于每一种情况，将在衬底上沉积镍合金层，该衬底具有暴露硅和/或多晶硅表面的区域，通常接着再沉积可选的覆盖层，诸如TiN。将使用通常在至少250℃温度下的热处理来使镍合金与暴露的硅表面反应，从而形成所需硅化物。然后可以去除覆盖层和未反应的镍合金，从而制备用于其它工艺的衬底。与主要的镍组元一起使用的合金金属可从钽、钒、锆、铪、钨、钴、铂、铬、钯、铌及其组合所构成的组中选取，但其构成通常不超过镍合金的10原子百分比。硅化镍的形成通常包括加热与硅表面相接触的镍合金至高于约200℃且低于约700℃的温度，更通常地在约250℃至约500℃之间，持续至少约10秒并且可以为30分钟或更长的时间。所选的具体时间和温度组合应足以形成上述的两层硅化镍结构，其中大部分镍出现在作为NiSi的下层中，而大部分合金金属偏析进上层中。尽管根据本专利技术示例性实施例制备的硅化镍与由未合金化的镍制备的硅化镍相比，倾向于具有更高的热稳定性，特别是在高于约600℃的温度下，但是后续工艺的热活性一般应选择来在最终的半导体器件中保留大部分初始NiSi相(通常至少为90％)，即抑制NiSi向NiSi2的转变。与由未合金化的镍制备的硅化镍及更传统的硅化钴相比，根据本专利技术示例性实施例制备的硅化镍表现出性能的改善，特别是对于包含低于100nm的栅极结构的器件，并且特别是对于包含低于50nm的栅极结构的器件。具体而言，在形成时，特别是在其它热处理之后，根据本专利技术的硅化镍倾向于具有更低且更稳定的表面电阻。类似地，包含根据示例性实施例的硅化镍的器件与由包含硅化钴的相同器件提供的性能相比，倾向于具有改善的阈值电压Vth、降低的二极管漏电流、改善的截止电流Idoff和饱和电流Idsat特性，特别是在PMOS晶体管中。诸如SiON层的高拉伸应力(high tensile tension)覆盖层的添加，特别是在包含根据本专利技术的示例性硅化镍的NMOS晶体管上，可进一步改善NMOS器件的性能。附图说明下面，参照附图更加充分地说明可用于实施本专利技术的器件和方法的示例性实施例，附图中图1示出了用于制造半导体器件的示例性方法中的工艺步骤，该器件在栅极区中包含镍合金自对准硅化物结构；图2A至2G示出了半导体器件制造中的选定步骤，该器件包含镍合金自对准硅化物结构；图3为图2G所示硅化物结构的一部分的放大图；图4示出了本专利技术的一实施例，其中在源极/漏极区和栅极电极两者上都形成了硅化物；图5A至5C示出了本专利技术的一实施例，其中硅化物限于栅极电极结构；图6为曲线图，示出了作为金属层成分和退火温度的函数的所得硅化物层的表面电阻；图7为曲线图，示出了作为金属层成分和退火温度的函数的经历了额外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在暴露的硅表面上形成硅化镍层的方法，包括在暴露的硅表面上沉积镍合金层，镍合金包括镍和合金金属；以及使镍合金层与暴露的硅表面反应，从而形成具有上层和下层的硅化镍层，其中合金金属优先偏析在上层中，其中合金金属不多于镍合金的10原子百分比。2.根据权利要求1所述的形成硅化镍层的方法，其中下层包括至少95原子百分比的镍和硅。3.根据权利要求2所述的形成硅化镍层的方法，其中下层包括至少99原子百分比的镍和硅。4.根据权利要求3所述的形成硅化镍层的方法，其中镍和硅在下层中以约1的原子比出现。5.根据权利要求1所述的形成硅化镍层的方法，还包括在使镍合金与暴露的硅反应以前，在镍合金层上形成覆盖层。6.根据权利要求5所述的形成硅化镍层的方法，其中覆盖层包括主要部分氮化钛。7.根据权利要求1所述的形成硅化镍层的方法，其中合金金属为从钽、钒、锆、铪、钨、钴、铂、铬、钯、铌及其组合所构成的组中选取的至少一种金属。8.根据权利要求1所述的形成硅化镍层的方法，其中合金金属为钽，并且以镍合金的约0.1至约10原子百分比之间的浓度出现。9.根据权利要求8所述的形成硅化镍层的方法，其中镍合金主要包括镍和钽，钽以约0.1至约5原子百分比之间的量出现。10.根据权利要求6所述的形成硅化镍层的方法，其中覆盖层中氮钛的原子比至少为约0.5。11.根据权利要求8所述的形成硅化镍层的方法，其中下层具有第一厚度；以及上层具有第二厚度，其中该第一厚度至少为第一厚度与第二厚度之和的70％。12.根据权利要求9所述的形成硅化镍层的方法，其中下层具有第一厚度；以及上层具有第二厚度，其中该第一厚度至少为第一厚度与第二厚度之和的85％。13.根据权利要求11所述的形成硅化镍层的方法，其中下层具有不大于约4.9原子百分比的钽浓度以及上层具有至少约5原子百分比的钽浓度。14.根据权利要求13所述的形成硅化镍层的方法，其中下层具有不大于约0.5原子百分比的钽浓度以及上层具有不大于60％的钽浓度。15.一种制造半导体器件的方法，包括在半导体衬底上限定有源区；在有源区中形成栅极电极；在半导体衬底上暴露硅表面；在半导体衬底上形成镍合金层，镍合金包括镍和合金金属；使部分镍合金层与暴露的硅表面反应，从而形成硅化镍区域；以及从半导体衬底上去除镍合金层的未反应部分；其中硅化镍区域包括上层和下层，以及另外，其中合金金属优先偏析至上层中，且合金金属不多于镍合金的10原子百分比。16.根据权利要求15所述的制造半导体器件的方法，其中镍和硅至少为硅化镍区域的下层的约95原子百分比。17.根据权利要求16所述的制造半导体器件的方法，其中镍和硅至少为硅化镍区域的下层的约99...

【专利技术属性】
技术研发人员：具滋钦，宣敏喆，卢官钟，金旼炷，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：