在含SIGE衬底上降低硅化物形成温度

摘要

一种解决存在Ge原子时，二硅化钴形成过程中存在的成核温度升高的方法。获得硅化物形成温度的降低是通过首先，在一种含SiGe衬底顶上提供一种至少包括Ni的Co层的结构，Ni作为一种添加元素。然后，对该结构进行一种自对准硅化物处理过程，包括第一退火，选择刻蚀步骤和第二退火，以在含SiGe衬底上形成一种(Co，Ni)二硅化物固溶体。至少包括Ni的Co层可以包括一种Co和Ni的合金层、一种Ni/Co叠层或一种Co/Ni叠层。同时还提供了一种在含SiGe衬底上的(Co，Ni)二硅化物固溶体的半导体结构。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制造，尤其涉及一种在含硅锗(SiGe)衬底上降低二硅化钴形成温度的方法。本发明同时提供了一种包括含SiGe衬底以及位于其上的(Co，Ni)Si₂层的半导体器件。

背景技术

在半导体工业中，硅化物普遍用于晶体管中半导体部分(例如源/漏)和多晶硅栅极之间的接触。考虑到需要低电阻率以及低接触电阻，在一系列可能的金属硅化物化合物中仅仅可以选出三种化合物可能作为接触材料。这三种最佳候选材料是C54相二硅化钛，二硅化钴和单硅化镍(nickel monosilicide)。

二硅化钛在小尺寸上的成核问题阻碍了二硅化钛在先进半导体中的应用。因此，对目前可考虑的窄尺寸硅基半导体衬底，可行的候选人仅剩二硅化钴和硅化镍。

为提高半导体器件的电学性能，SiGe或应变的Si/SiGe预期可应用于先进半导体器件的源/漏区。此外，多晶SiGe可用于代替目前应用的多晶硅来接触栅极介电质。因此，非常感兴趣寻找一种用于含SiGe衬底的接触材料。

技术上众所周知在存在Ge原子时二硅化钴的形成会延迟到较高的温度。在存在Ge原子时二硅化钴的难以成核将大大地将含SiGe衬底(“衬底”意味着或者是源和漏区的单晶半导体，或者是器件栅极上的多晶SiGe层)上接触材料的选择限制在仅为硅化镍(或者纯净形，或存在合金元素)。

由于具有低电阻率以及易于形成，希望能够在含SiGe衬底上提供二硅化钴接触。然而为了实现该想法，需要解决存在Ge原子时二硅化钴出现的成核温度升高问题。

图1A-1C给出了反应区冶金学地存在Ge时形成二硅化钴的难度。每幅图中的垂直点线突出了二硅化钴的形成温度。这些图的样品包括20nmTiN作为阻挡层，8nm含x％的Ge(图1A x为0，图1B x为5，图1C x为15)和Si(100)的Co。在净化的He气中以3℃/秒的缓变率对每片样品退火，形成二硅化钴。图1B和1C中，通过淀积一种Go-Ge合金有意地将Ge加入进反应中。当反应区中Ge的含量增加时需要更高的二硅化钴形成温度。

图2A-2B给出了在含Ge多晶Si上形成二硅化钴的问题。每幅图中的垂直点线突出了二硅化钴的形成温度。图2A中使用了n掺杂多晶硅，图2B中使用了p掺杂多晶硅。n掺杂材料的二硅化物形成温度大约为770℃，p掺杂材料为690℃。尤其对于n掺杂多晶硅，对于标准处理方法来说它的形成温度太高以至于不能够进行。

考虑到经典成核理论，可以预期在单晶含SiGe衬底上二硅化钴的成核将更加困难。如图3A-3E所示；给出了不同衬底上二硅化钴的形成温度。尤其是，图3A给出了对于8nm Co/绝缘层上硅(SOI)二硅化钴的形成温度；图3B给出了对于8nmCo/30nmSi/Si₉₀Ge₁₀/SOI二硅化钴的形成温度；图3C给出了对于8nmCo/30nmSi/Si₈₀Ge₂₀/SOI二硅化钴的形成温度；图3D给出了对于8nmCo/30nmSi/Si₇₀Ge₃₀/SOI二硅化钴的形成温度；图3E给出了对于8nmCo/30nmSi/Si₆₀Ge₄₀/SOI二硅化钴的形成温度。很明显衬底中Ge的百分比越高，CoSi₂的形成温度越高，因此成核越困难。

考虑到上面可知，需要提供一种在含SiGe衬底上形成二硅化钴接触的方法，使二硅化钴形成温度大大降低到与现有的互补金属氧化物半导体(CMOS)处理方法相兼容的值。

发明内容

本发明提供了一种解决存在Ge原子时，二硅化钴形成过程中存在的成核温度升高的方法。尤其，本发明提供了一种大大降低含SiGe衬底上的二硅化钴形成温度的方法。特别地，本发明通过如下步骤降低硅化物形成温度：

在含SiGe衬底上提供一种包括至少含Ni的Co层的结构；以及

在该结构上使用一种自对准硅化物过程，适合于在所述含SiGe衬底上形成一种(Co，Ni)二硅化物固溶体，对比于不含所述Ni的Co层，其中所述的Ni降低了二硅化物的形成温度。

本发明使用的自对准硅化物过程包括三个步骤，例如两步退火，以及在两步退火步骤中间的一步选择刻蚀。第一退火步骤在第一温度下完成，可以形成一种高阻钴-镍硅化物相。高阻硅化物相由至少含Ni的Co层和含SiGe衬底中的Si的反应得到。选择刻蚀从衬底上去掉任何未反应的金属，即Co和Ni，第二退火在第二温度下完成，将高阻硅化物转化成(Co，Ni)二硅化物，即(Co，Ni)Si₂。(Co，Ni)二硅化物的电阻比第一步退火过程中形成的硅化物要低。

在本发明的一些实施例中，在第一步退火之前一层可选扩散阻挡层形成在Co层上。在选择刻蚀过程中去掉可选择的扩散阻挡层，因此最终结构中没有该层。

至少含Ni的Co层可以包括一种Co和Ni的合金层，一种Ni/Co叠层或Co/Ni层。在本应用中始终使用术语“含SiGe衬底”代表了一种源/漏区中的单晶含SiGe半导体，或者一种CMOS器件栅极上的多晶SiGe层。

本发明还提供了一种使用本发明制作的半导体结构。特别地，发明的半导体结构包括：

一种含SiGe衬底；以及

在所述含SiGe衬底上形成一种(Co，Ni)二硅化物固溶体。

相对于CoSi₂界面，(Co，Ni)Si₂和含SiGe衬底之间的界面更加平整。可控成核形成CoSi₂趋向于导致粗糙的“圆齿状”硅化物衬底界面。

附图说明

图1A-1C给出了在现有技术中，对于包括20nmTaN/8nmCo的结构，CoSi₂形成温度的X射线衍射等高线图，Co中分别含0％，5％和15％Ge/Si(100)。该图给出了x射线衍射角(y轴)对温度(x轴)的关系，x射线强度以等高线和灰度色标(gray scale)指示。

图2A-2B给出了在现有技术中，在n和p掺杂含Ge多晶硅衬底上的CoSi₂形成温度的X射线衍射等高线图。

图3A-3E给出了在现有技术中，在含Ge多晶硅衬底上的CoSi₂形成温度的X射线衍射等高线图。多晶Si中Ge的含量范围为0-40原子百分比。

图4A-4D为图示(通过截面图)给出本发明在存在Co-Ni合金时，用于降低含SiGe衬底上的CoSi₂形成温度的基本处理步骤。

图5给出了作为初始Co-Ni合金中Ni含量函数的CoSi₂形成温度图。浓度达约40原子百分比的Ni导致了(Co，Ni)Si₂较低的形成温度。

图6A-6B为CoSi₂形成温度的X射线衍射图，(6A)为现有技术对n掺杂多晶SiGe衬底上的含纯_Co层进行退火制作的样品；以及(6B)为本发明对n掺杂多晶SiGe衬底上的含20原子百分比Ni的Co层进行退火制作的样品。

具体实施方式

现在将参考随本应用的附图详细描述本发明，本发明提供了一种在含硅锗SiGe衬底上降低二硅化钴形成温度的方法，以及一种包含硅化物作接触的结构。在相应的附图中，相同和/或相对应的元素指代相同的参考数字。

图4A给出了本发明的第一个步骤，提供一种包括至少含Ni的Co层12的结构形成于含SiGe衬底10上。衬底10可以为一种单晶含SiGe半导体材料或者一种多晶含SiGe材料。单晶含SiGe半导体材料是典型的CMOS器件中形成源/漏扩散的区域。多晶含SiGe材料(含Ge多晶Si)是CMOS器件栅极典型的部分。此处使用的术语“含SiGe衬底”代表了一种SiGe合金、SiGeC、绝缘层上的SiGe合金(SGOI)、绝缘层上的SiGeC(SGCOI)、SiGe上的Si等。当衬底10为SiGe合金时，则SiGe合金包括达99.99原子百分比的Ge。更优地，SiGe合金包括大约0.1-50％的Ge和大约50-99.9％的Si。

含SiGe衬底10制作方法对本领域的技术人员已经众所周知。例如，单晶含SiGe衬底可以通过外延生长或晶片键合形成，而多晶SiGe衬底可以通过热混合(thermal mixing)或者晶片键合形成。含SiGe衬底10的厚度对于本发明来说是无关紧要的。

至少包括Ni的Co层12通过沉积过程形成在含SiGe衬底10上，例如化学气相沉积(CVD)，离子辅助化学气相沉积，蒸发，溅射，原子层沉积(ALD)以及其他类似沉积过程。特别优选溅射方法形成含SiGe衬底10上的Co层12。包括Ni的Co层12可以为Co-Ni合金，双层或多层Co/Ni叠层，或者双层或多层Ni/Co叠层。

不管本发明中使用何种包括Ni的Co层12的类型，存在于Co层12中用于降低硅化物形成温度的Ni的含量大约为0.1-40原子百分比，Ni含量大约为5-30原子百分比将为更优。包括Ni的Co层12的厚度典型大约为4-15nm，更典型大约为6-9nm。Co层12的厚度可以不同于先前的范围，在此仅为一种示例目的。

除了Ni之外，Co层12可以包括其他添加剂，例如包括C，Al，Si，Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Cu，Y，Zr，Nb，Rh，In，Sn，La，Hf，Ta，W，Re，Pt，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，So，Er，Tm，Yb，Lu及它们的混合物。上面提及的添加剂中，尤其优选Ti，V，Cr，Zr，Nb，In，Sn，Hf，Ta，W，Re，Pt。

当存在其他添加剂时，它们可以用作Ni-Co合金中的合金元素，或者用作多层叠层的一部分，或者在上面提到的Ni或Co层中或者作为一种分立的单独一层。Co层12中存在的添加剂的含量可以根据使用所需而改变。然而典型地，其他添加剂存在的含量约为0.1-40原子百分比，更典型约为0.1-20原子百分比。

例如如图4B所示，一种可选扩散阻挡层14可以形成在Co层12的表面。可选扩散阻挡层14包括传统适于选择刻蚀的阻挡材料例如TiN，W，WN，Ti及其他类似材料，以比较于自对准硅化物处理过程的第一步退火中的高阻硅化物。可选扩散阻挡层14通过使用传统的沉积过程形成，这对于本领域的技术人员来说已经众所周知。能够用于形成可选的扩散阻挡层14的适当沉积过程实例包括：化学气相沉积，离子辅助化学气相沉积，蒸发，溅射，电镀，原子层沉积，但并不局限于此。

可选扩散阻挡层14在本发明中用作一种外面包围气体和Co层12之间的氧气扩散阻挡层。对本发明来说可选扩散阻挡层14厚度并不苛刻，只要可选扩散阻挡层能够阻止氧气扩散进结构中。典型地，可选扩散阻挡层14的厚度约5～30nm。尽管附图中描述了存在可选扩散阻挡层14，没有该层本发明方法仍然可以实施。

然后，对图4B(或者4A，如果不存在可选扩散阻挡层)所示的结构进行自对准硅化物处理过程，能够将Co层12转化成二硅化钴层16，它包括SiGe衬底10上的(Co，Ni)二硅化物固溶体。转化成(Co，Ni)二硅化物固溶体首先包括形成一种高阻Co-Ni二硅化物相材料。本发明在自对准硅化物处理过程的第一步退火中形成的包括高阻二硅化物相结构见图4C。参考数字15用于表示高阻二硅化物相材料；注意，如图4C所示层12中可能留下某种未反应的金属。未反应的金属位于高阻二硅化物相材料15上面。当存在可选扩散阻挡层时，层12中未反应的金属位于层15和14之间，如图4C所示。图4D给出了选择刻蚀和第二步退火后的结构。在该附图中，参考数字16代表(Co，Ni)二硅化物固溶体。

结构中Ni的存在使二硅化物的形成温度降低到低于Co层不含Ni时的形成温度。用于形成(Co，Ni)二硅化物的自对准硅化物(salicide)处理过程包括如下步骤：首先，使用较低温度的退火形成高阻硅化物，即层15；然后使用选择刻蚀去掉不接触SiGe衬底10区域上的未反应金属；然后使用高温退火形成(Co，Ni)Si₂层16。Ni被认为能使二硅化钴形成温度降低达120℃。

二硅化物层16中Ni的含量依赖于最初使用的Ni的含量。典型地，二硅化钴16含有约0.03-15原子百分比的Ni，Ni含量更典型为约2-10原子百分比。Ni均匀分布于二硅化钴层16中，平整、连续界面形成于(Co，Ni)Si₂层16和含SiGe衬底10之间。

本发明自对准硅化物处理过程中使用的第一和第二步退火典型使用快速退火(RTA)过程来实现。另外，退火步骤在气体气氛中实现，例如He，Ar，N₂或合成气体。不同的退火步骤可以使用不同的气氛或者两步退火步骤在同一气氛中进行。例如两步退火都可以使用He，或He用于第一步退火，合成气体用于第二退火步骤。

典型地，形成高阻二硅化物相材料15的第一步退火在温度约400-600℃，时间周期约1-90秒下，使用持续加热方式或者各种缓变加热及匀热加热循环进行。更优地，第一步退火在温度约450-550℃，时间周期约30-90秒下进行。第二步退火在温度约600-800℃，时间周期约1-90秒下，使用持续加热方式或者各种缓变加热及匀热加热循环进行。更优地，第二步退火在温度约650-750℃，时间周期约15-60秒下进行。

其他的温度、时间和退火技术例如炉内退火、峰值退火和真空退火同样可以在此考虑，只要退火技术和条件的选择能够适合将Co层12转化成高阻硅化物层及其后转化成二硅化物层16。再次强调Ni的存在降低了二硅化物的形成温度到一定值，它比不含Ni的Co层形成的二硅化物层的温度要低。对不含Ni的Co层，二硅化物的形成温度典型约为600-900℃。

本发明中使用的退火速率可以改变，并且认为对本发明来说并不苛刻。然而典型地，本发明使用的退火速率约为1-150℃/秒，退火速率更典型约为大约25-75℃/秒。

如上指出的，在(Co，Ni)二硅化物层16形成前，使用选择刻蚀过程从衬底去掉任何未反应金属和可选扩散阻挡层14，使用与硅化物相比能够选择性地去掉金属的选择刻蚀过程从结构中去掉层12的未反应金属和可选扩散阻挡层。例如，任何湿法腐蚀过程都可以用于去掉结构中未反应的金属和可选扩散阻挡层14。适合本发明使用，在选择刻蚀步骤中去掉未反应金属和可选扩散阻挡层的刻蚀剂是一种过氧化氢和硝酸或硫酸混合液。其他化学刻蚀剂在此也可以考虑。

本发明的方法基本上降低了硅化物成核温度升高的问题，即存在Ge原子时能够典型观察到。本发明可以获得硅化物形成温度的降低达120℃。这通过在固态反应中引入Ni而得到。

形成温度的高于多晶Si上的纯CoSi₂形成温度(大约在600℃)可以通过经典的成核理论解释，Ge在CoSi₂中不混溶升高了含SiGe衬底上CoSi₂的成核势垒，使得形成温度升高。既然Ge和CoSi可以在溶解状态中(在自对准硅化物处理过程的第一退火中形成第一Co硅化物相)，但是与CoSi₂不溶解，需要额外的能量从CoSi₂颗粒中排斥Ge，因此需要更高的形成温度。Ni添加进Co中降低了成核势垒从而降低了(Co，Ni)Si₂固溶物的形成温度。反应从一种成核控制机制转移到一种扩散控制机制，这样降低了形成温度。

当在初始Co层12中使用另一种添加剂时，(Co，Ni)二硅化物层16中将也包括该添加剂。在这种情况下额外添加剂的含量依赖于最初使用的添加剂的含量。典型地，(Co，Ni)二硅化物层16可以存在约0.03-15原子百分比的额外添加剂。

图5是绘制的Co层12中形成温度(℃)对Ni浓度(原子百分比)的曲线图。如图所示，当Co层12中含有约达40原子百分比的Ni时，可以获得二硅化钴形成温度的降低。

为了示例本发明以及演示使用本发明得到的一些优点，给出如下实例。

                       实例

本实例中，对n掺杂多晶SiGe衬底上的含纯Co层的结构进行退火(现有技术)形成二硅化钴硅的硅化物形成温度，和本发明的方法形成二硅化钴硅的硅化物形成温度作比较。尤其，发明的样品的准备是对n掺杂多晶SiGe衬底上含20原子百分比Ni的Co层进行退火。每个实验中，n掺杂多晶SiGe衬底通过离子注入形成。n型掺杂剂是磷，每片多晶SiGe衬底掺杂剂浓度为1×10¹⁴-1×10¹⁶原子/cm²。

现有技术的样品中，Co层厚度约8nm，溅射沉积于n掺杂多晶SiGe衬底上。至于发明的样品，含20原子％Ni的Co合金层(8nm)通过溅射沉积于n掺杂多晶SiGe衬底上。

每片样品使用同一退火过程进行退火，其包括如下加热循环：在氦气包围中从100到900℃以恒定的3℃/秒温度缓变率加热。

图6A和6B的X射线衍射图给出了这些样片的CoSi₂形成温度。图6A给出了由纯Co制成的样片的二硅化钴形成温度。如垂直点线所示，现有技术的样品的二硅化钴形成温度为780℃。

图6B给出了发明的样片的二硅化钴形成温度。同样如垂直点线所示，发明的样品的二硅化钴形成温度为660℃。

本实例中的数据清楚地显示出本发明提供了一种在含SiGe衬底上降低二硅化钴形成温度的方法。在本特殊实例中，通过Co层引入20原子％Ni，硅化物的形成温度降低了120℃。

尽管本发明已经特别出示和描述了优选实施例，本领域技术人员将会理解，可以在形式和细节上对前述的和其它方面进行改变，而不脱离本发明的精神和范围。因此本发明并没有打算限制于所描述和示例的准确形式，而是在在附加的权利要求范围覆盖之内。